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(shè)計院有限責(zé)任公司 甘肅 蘭州 730030）摘要：依據(jù)公路隧道建設(shè)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(xué)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(yù)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(shè)計及施工難度等性能都有所不同。關(guān)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(yù)裝式變電站引言：公路隧道的供配電設(shè)計在適應(yīng)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(shè)計在遵守公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范JTJ026.1-1999的規(guī)定時針對每一條隧道的供配電設(shè)計也相應(yīng)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(yù)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(fù)荷，需要有兩路電源支持，一備一用。以安全經(jīng)濟(jì)方面提出了使用柴油發(fā)電機(jī)組及應(yīng)急電源等幾種設(shè)計來滿足要求。1、大型變電所公路隧道應(yīng)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(shè)計中不宜超過1000米，供電線路取值在8001000米之間經(jīng)濟(jì)性能較高。在永古高速公路隧道設(shè)計中基本遵循了這樣的設(shè)計原則。其中安遠(yuǎn)隧道總長上行線6868米、下行線6848米，隧道全線供設(shè)置5座變電所，變電所布設(shè)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(shè)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(jìn)出口洞外變電所設(shè)置距隧道口位置不宜大于100米，以避免影響進(jìn)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(jìn)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(fù)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(jìn)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(jī)組等供電方案有更大的優(yōu)越性。電網(wǎng)的運(yùn)營一般都是自動互投互切，不象柴油發(fā)電機(jī)組一樣還需要人員來專門維護(hù)。柴油發(fā)電機(jī)組必須存儲油料，在市網(wǎng)掉電情況下，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組切換時必須有滿足其長時間運(yùn)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(jī)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(jìn)出口變電所的低壓用電負(fù)荷，而對于隧道中間的洞內(nèi)變電所低壓用電負(fù)荷可謂是鞭長莫及，所以柴油發(fā)電機(jī)組在這種供電方案中根本就不適應(yīng)。最適應(yīng)的供電方式還是雙電源支持更為可靠、安全、標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jìn)出口各提供一回路10KV高壓電源，在進(jìn)出口變電所設(shè)置計量柜，這樣整個隧道的用電負(fù)荷在進(jìn)出口就全部做了計量，隧道里面供電線路、變壓器及相關(guān)用電設(shè)備的損耗全部記入進(jìn)出口隧道變電所計量柜。進(jìn)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(dāng)電網(wǎng)處于正常供電時進(jìn)出口變電所各自承擔(dān)整個隧道一般的供電負(fù)荷。隧道變電所的設(shè)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(cè)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(shè)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(shè)置變電所宜設(shè)置與車行橫洞處，由于車行橫洞空間比較大，有益變電所設(shè)備進(jìn)出運(yùn)輸，具有寬松的活動空間。石家山隧道設(shè)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(zhì)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(jié)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(dú)立設(shè)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(shè)計比較簡單，但同時土建設(shè)計必須在設(shè)計階段為電氣設(shè)計預(yù)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(fēng)及消防。2、箱式變電站公路隧道應(yīng)用箱式變電站在公路隧道中的應(yīng)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(shè)備容量較大，配電方案及其設(shè)備較為復(fù)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(dāng)選用，隧道長度不超過1000米的隧道箱式變電站宜于應(yīng)用。箱式變電站要求供配電設(shè)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(shè)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(jìn)線，兩回路高壓進(jìn)線因為是采用一用一備的切換方式，在兩個高壓進(jìn)線柜的基礎(chǔ)上，勢必還要再設(shè)置諸如：兩個進(jìn)線電壓傳感器、母線電壓傳感器、母聯(lián)柜等設(shè)備，會嚴(yán)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(fù)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(chǔ)上，提供兩個獨(dú)立的高壓回路供電顯然比較浪費(fèi)。考慮替代電源，首先人們會考慮到的就是發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組作為一種替代電源，對于2000米及以下的隧道發(fā)電機(jī)組如果在進(jìn)出口設(shè)置的話，從供電距離來說是一種合適的方案。但發(fā)電機(jī)組的設(shè)置需要空間，這對箱變來說是一個相當(dāng)?shù)囊螅栽诓捎孟渥兊幕A(chǔ)上發(fā)電機(jī)組是一種不成熟的第二回路替代電源。當(dāng)然也提出采用移動式或便攜式發(fā)電機(jī)組，但這種方案對于隧道來說難以起到應(yīng)急的作用，因為管理人員一般距隧道位置比較遠(yuǎn)，如果市電掉電或在災(zāi)難情況下，隧道需要立即有應(yīng)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?，?dāng)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(yīng)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(yīng)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(yù)熱，經(jīng)過漫長的預(yù)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(yù)熱啟動，而恰好我們在這時候把高壓納燈作為應(yīng)急照明，馬上需要其提供照明，這樣切換啟動應(yīng)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(zé)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(yīng)急電源裝置采用先進(jìn)的N+1全數(shù)字模塊化并聯(lián)冗余技術(shù)。具有可靠性高，切換時間短，供電質(zhì)量好的特點。使用成熟的逆變技術(shù)，充電器集逆變器于一體結(jié)構(gòu)，維護(hù)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(yùn)行時間。當(dāng)然箱式變電站采用EPS作為應(yīng)急電源這種供配電方案，當(dāng)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(dāng)?shù)牟捎帽銛y式易運(yùn)輸、移動的小型發(fā)電機(jī)組作為后備應(yīng)急電源，由于EPS贏得了充足的準(zhǔn)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(dá)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(dá)坂和邁斯根達(dá)坂隧道設(shè)計進(jìn)行了布設(shè)?？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(shè)置位置比較靈活，對土建的設(shè)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(guān)設(shè)計，由電氣工程師根據(jù)供配電需求直接設(shè)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(gòu)造3、小型配電室公路隧道應(yīng)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(shè)置。該種配電室的設(shè)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(yuǎn)呢！易于設(shè)置配電室的隧道的規(guī)模一般跟設(shè)置箱式變電站的隧道規(guī)模差不多，往往比設(shè)置箱式變電站的規(guī)模更小，設(shè)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(fēng)的要求不同，就可以減去風(fēng)機(jī)變壓器和風(fēng)機(jī)低壓配電柜的設(shè)置，配電室僅僅承擔(dān)隧道照明的用電負(fù)荷。而照明變壓器可以設(shè)置于室外，建設(shè)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(jìn)線只為一個回路，出線僅為一臺照明變壓器所以高壓開關(guān)柜也同樣不需要設(shè)置。依據(jù)以上幾個原因，就相當(dāng)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(yīng)急電源EPS，還具有長時間支撐應(yīng)急照明的小型發(fā)電機(jī)組，在低壓回路中提供了可靠的雙電源切入。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，小型配電室的建設(shè)成本甚至比箱式變電站的造價都要低，而且對于設(shè)計人員，小型配電室的設(shè)計可以靈活配置、得心應(yīng)手，所以小型配電室在短隧道的應(yīng)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(zāi)后恢復(fù)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(yīng)適應(yīng)隧道主體設(shè)計的要求。首先設(shè)置箱式變電站的重要原因是隧道進(jìn)出口布置建筑物沒有地形條件，隧道進(jìn)出口一般為溝壑、陡坡、峭壁，沒有可能為設(shè)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(hù)、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(hù)；其三配電室的設(shè)置雖然不需要向設(shè)置變電所那樣復(fù)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(dāng)大的場地，在適應(yīng)設(shè)置箱變的隧道進(jìn)出口找一塊適合設(shè)置配電室的場區(qū)，增加維護(hù)配電室正常工作、運(yùn)轉(zhuǎn)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(yīng)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(guān)箱還是在地表以上設(shè)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(yùn)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(yīng)用可能也不多見，中條山隧道只有隧道進(jìn)出口設(shè)置了340350平方米的兩座變電所，其余隧道內(nèi)共設(shè)置了上行線4座埋地式變電站，下行線設(shè)置4座埋地式變電站，每處變電站均在隧道側(cè)開挖變電站設(shè)置空間，設(shè)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(guān)箱構(gòu)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(hù)、小型、節(jié)約空間、位置隱蔽性好，一旦設(shè)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(shè)復(fù)雜、供配電結(jié)構(gòu)不合理、施工界面嚴(yán)重沖突、消防防火難度大、浪費(fèi)電力資源、增大建設(shè)投資。在其他隧道設(shè)計中曾經(jīng)有將埋地變電站位置設(shè)置于隧道橫洞處的做法，這種做法在隧道橫洞側(cè)面與隧道平行開挖數(shù)個設(shè)備空間，有點與在隧道橫洞處設(shè)置變電所的做法相似，雖然相對變電所設(shè)置開挖橫洞空間繁雜，結(jié)構(gòu)處理和施工難度大，開挖空間大小不一，結(jié)構(gòu)空間不完整，但相比在隧道上下線單獨(dú)設(shè)置變電站空間更加合理?，F(xiàn)在我們只把在特長隧道中設(shè)置洞內(nèi)變電所和上下行線單獨(dú)設(shè)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(shè)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(dú)設(shè)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(shè)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(yīng)由于以上工程量的增加，施工、設(shè)備費(fèi)用就會增加。由于供配電設(shè)備分散，設(shè)備數(shù)量增加，而總的用電負(fù)荷沒有變，那么電能損耗增加，運(yùn)營成本也會提升。當(dāng)然埋地變電站如果設(shè)置于短隧道中，我們直接可以將隧道埋地變壓器設(shè)置于隧道口室外人孔井中，將低壓開關(guān)箱集中設(shè)置于隧道口內(nèi)側(cè)隧道壁預(yù)留開洞位置處。還可以將埋地變壓器及低壓開關(guān)箱都設(shè)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(yīng)用目前在起步階段，我們必須要做好慎重的選擇，合理的應(yīng)用。5、預(yù)裝式變電站公路隧道應(yīng)用預(yù)裝式變電站是一種更為緊湊化的供配電設(shè)施，結(jié)構(gòu)緊湊、造型美觀、全封閉、全絕緣、維護(hù)簡便，但容量一般比箱變和埋地變還要小。在國外的應(yīng)用比較廣泛，在我國的應(yīng)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(yīng)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(yuǎn)隧道靜電集塵設(shè)計的供配電中有應(yīng)用，預(yù)裝式變電站供配電布置平面見圖11。圖11、預(yù)裝式變電站平面布置預(yù)裝式變電站在隧道正常供配電中應(yīng)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(shè)備中，由于提供低壓電力支持距離太遠(yuǎn)，超出供電半徑，加掛在其他低壓電纜上功率又太大，設(shè)置比較緊湊的預(yù)裝式變電站就比較適合。預(yù)裝式變電站一般提供一個高壓進(jìn)線回路的終端供電方式，或可設(shè)置為簡單的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，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