隧道直流照明供配電設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

摘 要： 結(jié)合浙江某城市交通隧道工程案例，對(duì)隧道直流照明供配電設(shè)計(jì)中的電壓選擇、線纜截面選擇、供配電方案等重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析，并指出現(xiàn)行隧道直流供配電設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，提出優(yōu)化方案。結(jié)果可為同類項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞： 隧道; 直流照明; 供配電; 直流線纜截面計(jì)算; 電壓選擇

中圖分類號(hào)： TU852

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1674-8417（2024）05-0044-05

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.05.008

0 引 言

隨著國(guó)家大力推行“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略，直流供配電技術(shù)作為重要節(jié)能減碳措施，在多行業(yè)不斷普及。直流照明供配電系統(tǒng)相對(duì)于交流照明供配電系統(tǒng)而言具有節(jié)省線纜、系統(tǒng)安全可靠、穩(wěn)定抗擾電能質(zhì)量高、不產(chǎn)生無(wú)功功率等優(yōu)點(diǎn)，在隧道工程領(lǐng)域直流照明更值得推廣應(yīng)用。

本文以浙江某隧道為例，著重討論隧道的基本照明、加強(qiáng)照明供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。引道照明由于跟銜接路橋照明系統(tǒng)做法關(guān)聯(lián)密切，應(yīng)急照明作為消防獨(dú)立系統(tǒng)，本文對(duì)二者不做討論。

1 工程案例

本工程為位于浙江某地的城市交通隧道，南北兩條線，隧道長(zhǎng)約3 km，雙向6車道規(guī)模，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h，為兩孔一類隧道（不通行危險(xiǎn)品車輛）。

參照GB/T 31832—2015《LED城市道路照明應(yīng)用技術(shù)要求》^［1］、GB 50688—2011《城市道路交通設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（2019年版）^［2］中關(guān)于頻閃和亮度值等的有關(guān)規(guī)定，本工程的照明設(shè)計(jì)方案如下。隧道照明方案基本信息統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

2 電壓等級(jí)的選擇

目前市場(chǎng)上直流照明燈具根據(jù)照明廠家的不同，分為220 V、280 V、400 V、750 V等多種不同電壓等級(jí)。隧道直流照明采用何種電壓等級(jí)，是設(shè)計(jì)之初應(yīng)考慮的重要的問(wèn)題，可逐步分析^［3］。

2.1 電壓粗算值

與交流線電壓380 V比對(duì)分析，以圖2中所示的配電箱計(jì)算電流為例，在需要系數(shù)都取1的情況下：

Ijs=Pe 3UNcosφ

（1）

式中： Ijs——配電箱計(jì)算電流;

cosφ——照明負(fù)荷功率因數(shù)，取0.9;

UN——交流照明配電箱額定電壓，取0.38 kV。

代入數(shù)據(jù)可得：

Ijs=Pe 3UNcosφ=Pe0.592

（2）

對(duì)于直流配電箱而言，可得：

Ijs=PeUN

（3）

Ijs是照明線纜截面選擇的重要依據(jù)。直流照明的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)之一是正負(fù)極只需要2芯電纜，相對(duì)交流配電而言更加節(jié)省線纜成本。若由于電壓等級(jí)選擇不合理，導(dǎo)致線纜截面增大而失去了采用直流照明的經(jīng)濟(jì)意義。對(duì)比式（2）、式（3）可知，粗算電壓值宜不小于592 V。

2.2 電壓最大限值

根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］中對(duì)于電壓等級(jí)選擇的描述：若僅追求降低線路損耗，將會(huì)得出電壓等級(jí)越高越好的結(jié)論。故選擇電壓值不小于592 V并不一定合理。實(shí)際上，如果電壓等級(jí)過(guò)高，則燈具成本會(huì)明顯上升，從而得不償失^［4］。燈具成本的上升主要源于燈具側(cè)的DC/DC驅(qū)動(dòng)電源，當(dāng)電壓超過(guò)450 V時(shí)，內(nèi)部半導(dǎo)體器件需選用800 V電壓級(jí)別產(chǎn)品，成本將大幅增加。故須把電壓限制在450 V之內(nèi)^［4］。

2.3 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范推薦值

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)范GB/T 156—2017《標(biāo)準(zhǔn)電壓》中表6所示，高壓直流輸電系統(tǒng)標(biāo)稱電壓有160 V、200 V、320 V、400 V、500 V、660 V、800 V、1 100 V等^［5］。

在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，電壓等級(jí)應(yīng)盡可能靠近電壓最大限值。本工程隧道直流照明系統(tǒng)標(biāo)稱電壓等級(jí)選擇DC 400 V。

3 電線電纜壓降計(jì)算方式

隧道直流照明參照GB 50688—2011《城市道路交通設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范（2019年版）》第11.3.2條以及JTG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第二冊(cè)交通工程與附屬設(shè)施》^［6］規(guī)范要求，照明質(zhì)量電壓偏差應(yīng)維持在+5%～-10%。

直流供電系統(tǒng)原來(lái)在通信行業(yè)使用較為普遍，在照明行業(yè)中也僅為50 V及以下安全特低電壓。本文介紹一種直流照明電線電纜壓降計(jì)算方法。

隧道直流照明電壓壓降計(jì)算近似模型如圖1所示。由于直流照明配電回路，燈具是逐個(gè)添加，電線電纜壓降可能不呈絕對(duì)規(guī)律地下降。隧道直流照明電壓壓降計(jì)算配電模型示意圖如圖2所示。

圖2中，U1為直流輸入額定電壓，取DC 400 V;U2為主干回路末端電壓（V）;U3為配電箱出線回路末端電壓（V）。

同時(shí)設(shè)定，主干回路線路損耗為ΔPL1（W）;配電箱出線回路線路損耗為ΔPL2（W）;燈具總功率為Pd（W）;主干回路長(zhǎng)度為L(zhǎng)1（m）;配電箱出線回路長(zhǎng)度為L(zhǎng)2（m）;直流主干回路輸入電流為I（A）;主干回路線路電阻為RL1（Ω）;配電箱出線回路線路電阻為RL2（Ω）;主干回路壓降為ΔU12（V）;配電箱出線回路壓降為ΔU23（V）。

隧道直流照明電壓壓降計(jì)算近似積分模型如圖3所示。

根據(jù)電路電流計(jì)算原理可知：

U1·I=ΔPL1+ΔPL2+Pd

（4）

ΔPL1=I2·RL1

（5）

ΔPL2計(jì)算較為復(fù)雜，參考圖3模型，應(yīng)用定積分原理可知：

RL1=2ρ·L1S1cac（Ω）

（6）

RL2=2ρ·L2S2cac（Ω）

（7）

取

i=I-IRL2·r

i2=I2-2I2RL2·r+I2R2L2·r2

則

ΔPL2=∫RL20i2dr

（8）

ΔU23=∫RL20idr

（9）

經(jīng)計(jì)算，

ΔPL2=13·I2·RL2

ΔU23=-12·I·RL2

I=U1- U21-413·RL2+·RL1·Pd213·RL2+·RL1

（10）

ΔU12=-I·RL1

（11）

ΔU=ΔU12+ΔU23=I·RL1+12·I·RL2

（12）

ΔU%=ΔUU1·100%

（13）

以本工程為例，選擇長(zhǎng)度、負(fù)荷較為不利的XFB-ALJQ-N2回路，主干配電線纜距離變電所0.4 km，配電箱出線路由每個(gè)約0.3 km，配電3個(gè)回路，容量總計(jì)11 kW。

擬定主干回路電纜最大允許壓降為3%，配電箱出線回路電纜最大允許壓降為7%。已知：

ρ銅=0.017 5 （Ω·mm2/m）

根據(jù)式（6）、式（7）、式（12）、式（13）、式（14）、式（15）、式（16）、式（17），代入不同電纜截面。

當(dāng)選用35 mm2主干電纜和6 mm2配電箱出線電纜時(shí)：

RL1=0.20 （Ω）

RL2=1.75 （Ω）

ΔPL2=513.17 （W）

ΔU23=25.95 （V）

I=29.66 （A）

ΔU12=-7.86 （V）

ΔU=-33.81 （V）

ΔU%=-8.45%

結(jié)果顯示，在照明電壓偏差允許范圍值5%～10%內(nèi)，電纜選擇滿足壓降要求。

4 供配電方案

按照GB 55037—2022《建筑防火通用規(guī)范》^［7］（2018年版）第12.5.1條及CJJ 221—2015《城市地下道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》^［8］中第8.2.7條規(guī)定，本工程基本照明按照一級(jí)負(fù)荷、加強(qiáng)照明按照二級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)。

在目前實(shí)際工程應(yīng)用中，主流的隧道直流照明方案多借鑒照明廠家方案。隧道主流直流照明供配電方案框架圖如圖4所示。

對(duì)于本工程中一級(jí)負(fù)荷，JTG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第二冊(cè)交通工程與附屬設(shè)施》中第11.2.2條，隧道一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電。傳統(tǒng)做法中，隧道基本照明多采用雙電源末端自切的做法。但對(duì)于直流照明系統(tǒng)，由于目前市場(chǎng)上不存在直流雙電源切換裝置。如圖4所示方案，從配電可靠性的角度，并不能滿足隧道基本照明一級(jí)負(fù)荷的要求，按照GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第3.2.11條可歸類為二級(jí)負(fù)荷^［9］。加強(qiáng)照明可采用此供配電方案。

在目前隧道主流直流照明供配電方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。隧道直流照明改進(jìn)型供配電方案框架圖如圖5所示。增加一路整流柜，并在配電箱處做雙電源進(jìn)線，雙電源進(jìn)入箱體后進(jìn)行分隔。此做法對(duì)于基本照明等非消防一級(jí)負(fù)荷來(lái)講，可以滿足電源可靠性要求。在上海市工程

設(shè)計(jì)中，基本照明已采用這種模式。上海市地方規(guī)范DG/TJ 08-2141—2020 J 12715—2021《隧道發(fā)光二極管照明應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第4.7.2條隧道基本照明應(yīng)由雙重電源的兩個(gè)低壓回路交叉供電^［10］。同時(shí)，隧道一般雙排布燈居多，雙排燈具在一列停電檢修時(shí)，另一類燈具也可以起到為相鄰車道補(bǔ)光的作用（多排燈同理）。

5 隧道直流供電方案的優(yōu)化及存在問(wèn)題

目前市場(chǎng)主流的隧道直流照明供配電方案是對(duì)傳統(tǒng)交流供電方案的一個(gè)優(yōu)化，本質(zhì)上是AC-DC再到燈具端驅(qū)動(dòng)電源DC-DC的過(guò)程，并非一個(gè)全過(guò)程的直流配電過(guò)程。所以從經(jīng)濟(jì)性來(lái)講，直流照明節(jié)省的更多是配電線纜的費(fèi)用，短期經(jīng)濟(jì)性效益并不是很高。需要從長(zhǎng)期的投資回報(bào)分析。

隧道直流照明配電系統(tǒng)與光伏結(jié)合后，可以實(shí)現(xiàn)較為全面的直流配電方案。隧道“光伏+直流”照明方案示意圖如圖6所示。

根據(jù)當(dāng)?shù)芈窡艄芾聿块T對(duì)于隧道引道段及道路、高架照明管理的要求，在事先溝通好的情況下，也可考慮將直流照明系統(tǒng)進(jìn)行推廣使用，電壓等級(jí)建議統(tǒng)一。

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于隧道直流照明系統(tǒng)標(biāo)稱電壓等級(jí)宜選

擇DC 400 V。本文中提出的一種電線電纜壓降計(jì)算方式以及基本照明和加強(qiáng)照明供配電優(yōu)化方案，供設(shè)計(jì)同仁參考。具備資金及安裝條件的隧道工程，直流照明供配電方案宜結(jié)合光伏方案推廣使用，踐行低碳理念。

［1］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.LED城市道路照明應(yīng)用技術(shù)要求：GB/T 31832—2015［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

［2］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市道路交通設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范（2019年版）：GB 50688—2011［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2019.

［3］ 韋強(qiáng)，毛闐.民用建筑低壓直流配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐［J］.建筑電氣，2023，42（9）：36-40.

［4］ 中國(guó)公路學(xué)會(huì).公路照明直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南：T/CHTS 10011—2019［S］.北京：人民交通出版社，2019.

［5］ 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).標(biāo)準(zhǔn)電壓：GB/T 156—2017［S］.北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2017.

［6］ 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第二冊(cè) 交通工程與附屬設(shè)施：JTG D70/2—2014［S］.北京：人民交通出版社，2014.

［7］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑防火通用規(guī)范：GB 55037—2022［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2023.

［8］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市地下道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范：CJJ 221—2015［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

［9］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 51348—2019［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019.

［10］ 上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會(huì).隧道發(fā)光二極管照明應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：DG/TJ 08-2141—2020 J 12715—2021［S］.上海.同濟(jì)大學(xué)出版社》2021.

收稿日期： 20231227

Analysis of Key Problems in Design of DC Lighting Power Supply

and Distribution in Tunnel

CAO Baokang

［Shanghai Municipal Engineering Design Institute（Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200092， China］

Abstract：

In this paper，based on a case of urban traffic tunnel project in Zhejiang Province，the key problems in the design of DC lighting power supply and distribution in tunnel，such as voltage selection，power quality and cable cross-section selection，load classification and power supply and distribution scheme，are analyzed.The problems existing in the current tunnel DC power supply and distribution scheme are pointed out and an optimization scheme is proposed.In order to discuss with the majority of colleagues.The results can provide reference for similar projects.

Key words：

tunnel; DC lighting; power supply and distribution; calculation of DC cable cross-section; voltage selection