公路隧道供配電方案選擇優(yōu)化淺析.doc

公路隧道供配電方案選擇優(yōu)化淺析黨 辀（甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院有限責任公司 甘肅 蘭州 730030）摘要：依據(jù)公路隧道建設的環(huán)境（供配電環(huán)境），從不同角度論述供配電方案選擇的合理性和科學性。電氣行業(yè)的發(fā)展給隧道供配電帶來了各種方案選擇，比較成熟的方案選擇有隧道洞內(nèi)變電所、埋地變電站、箱式變電站、預裝式變電站等。以上各種供配電方案在已建或在建項目中都有所涉及，但就其性價比、安全性、耐久性、設計及施工難度等性能都有所不同。關鍵詞：隧道供配電 變電所 箱式變電站 配電室 埋地式變電站 預裝式變電站引言：公路隧道的供配電設計在適應現(xiàn)場及業(yè)主具體要求的情況下提出不同的供配電方案。隧道供配電總體設計在遵守公路隧道通風照明設計規(guī)范JTJ026.1-1999的規(guī)定時針對每一條隧道的供配電設計也相應有不同的供配電方案。如供配電方式大致分為隧道變電所、箱式變電站、埋地變電站，預裝式變電站等。隧道供配電依據(jù)規(guī)范規(guī)定一般屬于一級供電負荷，需要有兩路電源支持，一備一用。以安全經(jīng)濟方面提出了使用柴油發(fā)電機組及應急電源等幾種設計來滿足要求。1、大型變電所公路隧道應用甘肅省境內(nèi)連霍國道主干線(GZ45)永登（徐家磨）至古浪高速公路有五座隧道，其中四座為特長隧道，都采用變電所配電方案。隧道變電所終端用電基本都為380V220V低壓用電，低電壓在傳輸上存在一些缺陷，傳輸距離太長，電壓降就會增大，為了滿足終端壓降要求，電纜直徑就可能增大，產(chǎn)生材料與資金投入增加。所以低壓配電線路一般在設計中不宜超過1000米，供電線路取值在8001000米之間經(jīng)濟性能較高。在永古高速公路隧道設計中基本遵循了這樣的設計原則。其中安遠隧道總長上行線6868米、下行線6848米，隧道全線供設置5座變電所，變電所布設見下圖1。圖1、變電所布置位置隧道變電所供配電方案必須處理好與車行橫洞、人行橫洞的位置沖突，以免設置變電所橫洞的位置恰好是車行橫洞、人行橫洞的位置。圖2、變電所及橫洞平面圖隧道進出口洞外變電所設置距隧道口位置不宜大于100米，以避免影響進出口變電所的供電半徑。就上述變電所土建布置情況表明，在進出口變電所各提供一條高壓供電回路，在各個變電所兩個回路互為備用，就可以滿足供配電兩回路的負荷等級要求。該種供配電方式一般情況由于隧道的出口和進口位于不同的電網(wǎng)位置，提供兩個高壓回路也比較方便。比起使用柴油發(fā)電機組等供電方案有更大的優(yōu)越性。電網(wǎng)的運營一般都是自動互投互切，不象柴油發(fā)電機組一樣還需要人員來專門維護。柴油發(fā)電機組必須存儲油料，在市網(wǎng)掉電情況下，當柴油發(fā)電機組切換時必須有滿足其長時間運行的燃料存儲，這樣就會給變電所的防火、防爆提出更高的要求。柴油發(fā)電機組產(chǎn)生的電能為380220V低壓電源，它也存在供電距離限制，只能提供進出口變電所的低壓用電負荷，而對于隧道中間的洞內(nèi)變電所低壓用電負荷可謂是鞭長莫及，所以柴油發(fā)電機組在這種供電方案中根本就不適應。最適應的供電方式還是雙電源支持更為可靠、安全、標準統(tǒng)一、專業(yè)界面清晰。具體供配電主接線見圖3。圖3、大型變電所設置供配電主接線從主接線圖可明顯看出，該供配電方案為高供高計，隧道的進出口各提供一回路10KV高壓電源，在進出口變電所設置計量柜，這樣整個隧道的用電負荷在進出口就全部做了計量，隧道里面供電線路、變壓器及相關用電設備的損耗全部記入進出口隧道變電所計量柜。進口變電所（1號變電所）高壓柜配出一路高壓回路作為2號隧道變電所主供，3、4、5號隧道變電所備供，出口變電所（5號變電所）高壓柜配出一路高壓回路作為3、4號隧道變電所主供，1、2號隧道變電所備供，基本作到當電網(wǎng)處于正常供電時進出口變電所各自承擔整個隧道一般的供電負荷。隧道變電所的設置還有一種方案就是采用隧道內(nèi)車行橫洞或人行橫洞側壁開鑿洞室作為變電所使用，同時公路隧道專用通道與變電所通道采取合用。境內(nèi)寶（雞）天（水）高速公路天水過境段石家山隧道，秦嶺終南山公路隧道都屬于此種供配電方案。石家山隧道上行線3777.435米、下行線3839.98米，其中在隧道中間一處人行橫洞SK111+620處設置變電所，見圖4。圖4、變電所橫洞與公路隧道專用橫洞共用一般在橫洞處設置變電所宜設置與車行橫洞處，由于車行橫洞空間比較大，有益變電所設備進出運輸，具有寬松的活動空間。石家山隧道設置在人行橫洞處主要原因其一是考慮到該位置基本處于隧道中心位置，對于供電距離是一個比較合理的位置；其二該位置地質條件有利于開挖隧道變電所；其三在施工階段隧道主體已經(jīng)施工結束，但橫洞正在施工階段，有利于施工的連續(xù)性。公路隧道專用橫洞兼做變電所橫洞的這種供配電方式基本與隧道內(nèi)獨立設置變電所及其橫洞的做法相同。主要優(yōu)點在于無須另外專門開挖變電所橫洞，變電所位置比較隱蔽，土建設計比較簡單，但同時土建設計必須在設計階段為電氣設計預留電纜溝等許多電氣使用建筑物，該方式存在不利于變電所的通風及消防。2、箱式變電站公路隧道應用箱式變電站在公路隧道中的應用是比較普遍的一種供配電方案，但箱式變電站的空間有限，對配電回路過多，配電設備容量較大，配電方案及其設備較為復雜的供配電方案箱式變電站實現(xiàn)比較困難。對于二級及以下等級，并且隧道長度不超過2000米的隧道箱式變電站可以適當選用，隧道長度不超過1000米的隧道箱式變電站宜于應用。箱式變電站要求供配電設備相對比較集中，能夠節(jié)約空間為好，所以箱式變電站高壓設備一般不宜選用手車式高壓柜，變壓器宜選用干式變壓器，低壓柜選用緊湊型環(huán)網(wǎng)柜。箱式變電站為了節(jié)約空間不宜采用兩回路高壓進線，兩回路高壓進線因為是采用一用一備的切換方式，在兩個高壓進線柜的基礎上，勢必還要再設置諸如：兩個進線電壓傳感器、母線電壓傳感器、母聯(lián)柜等設備，會嚴重影響箱變空間。但是隧道供配電有它的特殊性，按規(guī)范要求隧道為一級供電負荷，必須要提供兩個電源支持，在采用箱變作為供配電的基礎上，提供兩個獨立的高壓回路供電顯然比較浪費?？紤]替代電源，首先人們會考慮到的就是發(fā)電機組，發(fā)電機組作為一種替代電源，對于2000米及以下的隧道發(fā)電機組如果在進出口設置的話，從供電距離來說是一種合適的方案。但發(fā)電機組的設置需要空間，這對箱變來說是一個相當?shù)囊?，所以在采用箱變的基礎上發(fā)電機組是一種不成熟的第二回路替代電源。當然也提出采用移動式或便攜式發(fā)電機組，但這種方案對于隧道來說難以起到應急的作用，因為管理人員一般距隧道位置比較遠，如果市電掉電或在災難情況下，隧道需要立即有應急電源投入，就是所說的EPS電源。EPS電源是將交流市電整流后變?yōu)橹绷麟娔艽鎯τ谛铍姵刂?，當需要EPS電源供電時又將存儲于蓄電池中的電能由直流到交流逆變后提供給電網(wǎng)作為應急電源來使用，在市電沒有掉電情況下EPS有旁路交流輸出給電網(wǎng)，電氣原理圖見圖5。 圖5、EPS電氣原理圖在隧道供配電中EPS主要是提供給隧道內(nèi)應急照明用電，而隧道照明一般在照明燈具選擇上高壓鈉燈具多，高壓鈉燈屬于高壓惰性氣體燈具，高壓鈉燈一般在啟動時需要對燈具預熱，經(jīng)過漫長的預熱時間后才能啟動。如果市電掉電高壓鈉燈失電后再重新啟動，在這種情況下高壓鈉燈就先需要冷卻到一定溫度，然后再預熱啟動，而恰好我們在這時候把高壓納燈作為應急照明，馬上需要其提供照明，這樣切換啟動應急照明的時間必須要短，所以我們在選擇EPS電源的時候必須要選擇能夠瞬時啟動高壓鈉燈的專用EPS電源。如北京動力源科技股份有限責任公司生產(chǎn)的DUYU-P（J）系列EPS產(chǎn)品具有快速啟動氣體放電燈的功能。在公路隧道方面，EPS應急電源裝置采用先進的N+1全數(shù)字模塊化并聯(lián)冗余技術。具有可靠性高，切換時間短，供電質量好的特點。使用成熟的逆變技術，充電器集逆變器于一體結構，維護方便。切換時間小于1.5mS,完全能滿足氣體燈光源的要求，保證在系統(tǒng)電源斷電時逆變電源切換時光源正常工作。并能保持90分鐘以上運行時間。當然箱式變電站采用EPS作為應急電源這種供配電方案，當市電掉電電網(wǎng)最多也就支撐90分鐘左右的時間，長時間沒有市電的情況下它還是存在一些缺陷 。如果這種情況下再適當?shù)牟捎帽銛y式易運輸、移動的小型發(fā)電機組作為后備應急電源，由于EPS贏得了充足的準備時間，就可以作到萬無一失。 箱式變電站的方案在臨夏折橋至蘭州達川二級公路考勒和張家塬公路隧道，白龍江代古寺水電站公路改建工程尖藏隧道，省道203線烏蘭浩特至零點段一級公路巴勒根達坂和邁斯根達坂隧道設計進行了布設?？祭账淼廊L2152米，為二級公路，具體供配電方案見圖6。圖6、箱式變電站平面位置箱式變電站在公路隧道中廣泛的選用，還有一個更為突出的優(yōu)點就是占用土地面積比較小，不需要大量的征地工作，只要能夠放置箱式變電站箱體的一小塊面積就可以，設置位置比較靈活，對土建的設計干擾不大，一般情況下只要主體大概指定位置或樁號，不需要建筑專業(yè)做相關設計，由電氣工程師根據(jù)供配電需求直接設計就可以滿足要求?？祭账淼老涫阶冸娬倦姎夤δ荛g隔平面布置見圖7。圖7、箱式變電站間隔構造3、小型配電室公路隧道應用與箱式變電站供配電相似，但供配電功能比較齊全和完善的一種供配電方案，就是小型配電室的設置。該種配電室的設置比上面說的變電所的規(guī)模要小的多，變電所的建筑面積一般在250300平方米，而配電室的建筑面積一般不超過100平方米，它們?yōu)槭裁聪嗖钸@么遠呢！易于設置配電室的隧道的規(guī)模一般跟設置箱式變電站的隧道規(guī)模差不多，往往比設置箱式變電站的規(guī)模更小，設置配電室的隧道規(guī)模一般在長度大于100米小于1000米的隧道更為合適。因為短隧道對通風的要求不同，就可以減去風機變壓器和風機低壓配電柜的設置，配電室僅僅承擔隧道照明的用電負荷。而照明變壓器可以設置于室外，建設成桿上變壓器，變壓器容量一般不超過100KVA，大部分在5080KVA之間。由于高壓進線只為一個回路，出線僅為一臺照明變壓器所以高壓開關柜也同樣不需要設置。依據(jù)以上幾個原因，就相當于壓縮了變壓器室、高壓室、部分低壓室的空間，所以建筑面積就相對小。對于供配電功能來說也具有瞬時切換的應急電源EPS，還具有長時間支撐應急照明的小型發(fā)電機組，在低壓回路中提供了可靠的雙電源切入。從經(jīng)濟角度考慮，小型配電室的建設成本甚至比箱式變電站的造價都要低，而且對于設計人員，小型配電室的設計可以靈活配置、得心應手，所以小型配電室在短隧道的應用是適宜的。在蘭磨大通道臨夏至合作段二級公路郎青隧道、G316線楊店至江洛公路地震災后恢復重建工程袁家灣隧道和柏埡子梁隧道、寧長煤炭專用公路宮河至長慶橋段店子溝隧道都采用的這一供配電方案，店子溝隧道配電室布置平面見圖8。圖8、配電室平面布置圖供配電方案的選擇應適應隧道主體設計的要求。首先設置箱式變電站的重要原因是隧道進出口布置建筑物沒有地形條件，隧道進出口一般為溝壑、陡坡、峭壁，沒有可能為設置配電室提供場地；其二箱式變電站一般不需要有專業(yè)人員長期維護、職守，僅僅在巡查、檢修或有故障發(fā)生時工作人員到現(xiàn)場維護；其三配電室的設置雖然不需要向設置變電所那樣復雜，但只要有人員長期職守，我們就得增加工作人員住宿、管理的房間，日常生活使用的衛(wèi)生間，工作、活動、布置建筑物的場區(qū)，這些配電室的附屬功能建筑就會占用相當大的場地，在適應設置箱變的隧道進出口找一塊適合設置配電室的場區(qū)，增加維護配電室正常工作、運轉的人員就是配電室這種供配電方案最大的缺點。4、埋地變電站公路隧道應用箱式變電站還衍生出一種供配電方案，那就是以埋地變壓器為主要特點的供配電模式，一般稱之為埋地式變電站，其實埋于地表下的僅僅為變壓器，而相對占用空間比較小的開關箱還是在地表以上設置。埋地變這種供配電模式起初大多使用在市政道路照明工程中，打造了一個比較適合市政道路照明的一個線形供配電模式。但近些年由于考慮到隧道照明也基本是一個線形分布情況，所以在隧道供配電方案中一些省份也作了選擇。山西省境內(nèi)運城至靈寶高速公路解州至陌南段中條山隧道就做了這種選擇，隧道變電站平面布置見圖9。圖9、埋地變電站平面位置中條山隧道總長，上行線9768.456米，下行線9769.82米，為高速公路等級。埋地變電站在這種特長隧道中應用可能也不多見，中條山隧道只有隧道進出口設置了340350平方米的兩座變電所，其余隧道內(nèi)共設置了上行線4座埋地式變電站，下行線設置4座埋地式變電站，每處變電站均在隧道側開挖變電站設置空間，設置空間大小及平面布置見圖10。圖10、埋地變電站平面及開關箱構造埋地式變電站作為箱式變電站的一個衍生，跟箱變一樣更適合二級以下中、短公路隧道。埋地式變電站主要特點在于安全、免維護、小型、節(jié)約空間、位置隱蔽性好，一旦設置于特長隧道中，它的以上特點就難以體現(xiàn)，而且相比較隧道變電所供配電電纜（包括高壓電纜、低壓電纜）多、線路敷設復雜、供配電結構不合理、施工界面嚴重沖突、消防防火難度大、浪費電力資源、增大建設投資。在其他隧道設計中曾經(jīng)有將埋地變電站位置設置于隧道橫洞處的做法，這種做法在隧道橫洞側面與隧道平行開挖數(shù)個設備空間，有點與在隧道橫洞處設置變電所的做法相似，雖然相對變電所設置開挖橫洞空間繁雜，結構處理和施工難度大，開挖空間大小不一，結構空間不完整，但相比在隧道上下線單獨設置變電站空間更加合理?，F(xiàn)在我們只把在特長隧道中設置洞內(nèi)變電所和上下行線單獨設置埋地的變電站做以比較，就很容易看出以上特點。就高壓電纜敷設來看，若采用洞內(nèi)變電所，我們只需要兩個回路的高壓電纜一用一備，即可以滿足隧道洞內(nèi)變電所，而采用上下線單獨設置埋地式變電站高壓電纜上行線得兩個回路，下行線也得兩個回路，高壓電纜就會增加一倍。從土建方面來看，隧道洞內(nèi)變電所只需要在隧道內(nèi)開挖一個與隧道垂直的變電所橫洞即可，而上面設置埋地變電站的措施，需要在隧道上下線各開挖一處變電站位置，施工不完整，比較分散，這樣以來給消防、施工都帶來很大的難度，相應由于以上工程量的增加，施工、設備費用就會增加。由于供配電設備分散，設備數(shù)量增加，而總的用電負荷沒有變，那么電能損耗增加，運營成本也會提升。當然埋地變電站如果設置于短隧道中，我們直接可以將隧道埋地變壓器設置于隧道口室外人孔井中，將低壓開關箱集中設置于隧道口內(nèi)側隧道壁預留開洞位置處。還可以將埋地變壓器及低壓開關箱都設置于隧道洞口，這樣就更能節(jié)約空間，增加安全性、可靠性。埋地變電站在隧道供配電中的應用目前在起步階段，我們必須要做好慎重的選擇，合理的應用。5、預裝式變電站公路隧道應用預裝式變電站是一種更為緊湊化的供配電設施，結構緊湊、造型美觀、全封閉、全絕緣、維護簡便，但容量一般比箱變和埋地變還要小。在國外的應用比較廣泛，在我國的應用主要還是集中在一些市政及其道路照明工程中，在隧道中的應用還不是很多，在連霍國道主干線(GZ45)永登（徐家磨）至古浪高速公路安遠隧道靜電集塵設計的供配電中有應用，預裝式變電站供配電布置平面見圖11。圖11、預裝式變電站平面布置預裝式變電站在隧道正常供配電中應用還是不太合理，但在象隧道內(nèi)這種小型功率比較集中的附屬專用設備中，由于提供低壓電力支持距離太遠，超出供電半徑，加掛在其他低壓電纜上功率又太大，設置比較緊湊的預裝式變電站就比較適合。預裝式變電站一般提供一個高壓進線回路的終端供電方式，或可設置為簡單的環(huán)網(wǎng)結構，48個低壓出現(xiàn)回路，每回功率不一般在10100KW之間，最大回路功