高速公路隧道供配電系統(tǒng)需求及發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

高速公路隧道供配電系統(tǒng)需求及發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

摘

要：通過(guò)對(duì)高速公路隧道機(jī)電設(shè)施介紹，分析了高速公路隧道機(jī)電設(shè)施構(gòu)成和供電負(fù)荷分類，同時(shí)探討了目前高速公路隧道供配電系統(tǒng)存在的問(wèn)題及今后發(fā)展費(fèi)方向。同時(shí)結(jié)合太陽(yáng)能發(fā)電影響因素和高速公路隧道太陽(yáng)能供電現(xiàn)狀，分析了當(dāng)前高速公路隧道太陽(yáng)能供電系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：公路隧道；供配電；太陽(yáng)能：U452.2

：A

0引言隧道作為一個(gè)封閉的環(huán)境，其運(yùn)營(yíng)條件與外界截然不同，有著更為苛刻的要求，通風(fēng)、照明以及消防等設(shè)計(jì)是隧道正常運(yùn)營(yíng)的必要支撐條件，相關(guān)設(shè)備都需要依靠可靠、持久的供電系統(tǒng)進(jìn)行工作，可靠的供電系統(tǒng)是公路隧道乃至整條高速公路正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。規(guī)模不斷增加的公路隧道在提高公路線形指標(biāo)、提供便捷通道的同時(shí)，對(duì)電力能源的需求也與日俱增。與此同時(shí)，隨著近年國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，全國(guó)總發(fā)電裝機(jī)容量和電網(wǎng)供電能力與需求之間缺口呈明顯增大趨勢(shì)，全國(guó)大部分地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的拉閘限電現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)多條運(yùn)營(yíng)高速公路隧道為了降低能耗，也紛紛出現(xiàn)“有燈少開或不開，有風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象，對(duì)行駛在隧道內(nèi)的車輛人員帶來(lái)極大安全隱患。因此，本文對(duì)高速公路隧道供配電需求和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，同時(shí)討論了高速公路隧道太陽(yáng)能供電系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀。1、高速公路隧道供電需求分析1.1高速公路隧道機(jī)電設(shè)施構(gòu)成高速公路隧道長(zhǎng)度不同，其所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷也不同。隧道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，隧道設(shè)備種類增多，其對(duì)應(yīng)負(fù)荷增大。在長(zhǎng)隧道中，通風(fēng)及安全設(shè)備負(fù)荷所占比例增大，而且對(duì)電力供應(yīng)有著更高的要求。隧道作為一個(gè)封閉的環(huán)境，其運(yùn)營(yíng)條件與外界截然不同，為了使其提供舒適、快捷、安全的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，高速公路隧道均配備有完善的機(jī)電設(shè)施。根據(jù)機(jī)電設(shè)施功能應(yīng)用不同，隧道機(jī)電工程包括：隧道監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)及供配電系統(tǒng)，如圖1所示，與之配套的隧道機(jī)電設(shè)施可分為：隧道監(jiān)控設(shè)施、隧道通風(fēng)設(shè)施、隧道照明設(shè)施、隧道消防設(shè)施及隧道供配電設(shè)施。圖1隧道機(jī)電設(shè)施分類1.2高速公路隧道供電負(fù)荷分類高速公路隧道各類設(shè)施的配置根據(jù)隧道長(zhǎng)度、交通量不同而有所區(qū)別。通常長(zhǎng)隧道、特長(zhǎng)隧道和部分中隧道供電負(fù)荷主要以隧道監(jiān)控設(shè)施、隧道通風(fēng)設(shè)施、隧道照明設(shè)施和隧道消防設(shè)施為主，短隧道供電負(fù)荷主要為隧道照明設(shè)施。（1）隧道監(jiān)控設(shè)施根據(jù)我國(guó)目前公路隧道機(jī)電工程設(shè)施的建設(shè)狀況和使用情況，長(zhǎng)度在1km以下的隧道一般不設(shè)置交通監(jiān)控設(shè)施；長(zhǎng)度在1km以上的公路隧道隨著交通量的增長(zhǎng)，需設(shè)置監(jiān)控、水消防等設(shè)施；針對(duì)長(zhǎng)大隧道而言，隧道內(nèi)各類信息采集、發(fā)布及控制設(shè)施的正常運(yùn)行對(duì)于整個(gè)隧道交通安全順暢運(yùn)行至關(guān)重要，因此，隧道各類監(jiān)控設(shè)施負(fù)荷即為供配電系統(tǒng)重要負(fù)荷來(lái)源之一。（2）隧道通風(fēng)設(shè)施目前國(guó)內(nèi)隧道風(fēng)機(jī)設(shè)置現(xiàn)狀，一般在長(zhǎng)隧道、特長(zhǎng)隧道和部分中隧道內(nèi)設(shè)有機(jī)械通風(fēng)設(shè)施。風(fēng)機(jī)種類包括射流風(fēng)機(jī)及軸流風(fēng)機(jī)，射流風(fēng)機(jī)單臺(tái)功率在十幾千瓦以上，采用就近變電所供電方式，軸流風(fēng)機(jī)單臺(tái)功率達(dá)上百千瓦，一般單獨(dú)設(shè)有風(fēng)機(jī)配電室為其供電；短隧道內(nèi)均采用自然通風(fēng)方式。因此各類風(fēng)機(jī)負(fù)荷是長(zhǎng)或特長(zhǎng)隧道及部分中隧道供配電系統(tǒng)主要用電負(fù)荷之一。（3）隧道照明設(shè)施長(zhǎng)隧道或特長(zhǎng)隧道內(nèi)供電負(fù)載主要以監(jiān)控設(shè)備、通風(fēng)風(fēng)機(jī)、照明燈具及消防水泵設(shè)施為主，中短隧道供電負(fù)載主要為照明設(shè)施。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，1公里長(zhǎng)的隧道（單向雙車道，設(shè)計(jì)車速100km/h），其照明負(fù)載約占總負(fù)荷的28.5%左右，通風(fēng)負(fù)載約占總負(fù)荷的53%左右，監(jiān)控設(shè)備負(fù)載約占總負(fù)荷的5%左右。（4）隧道消防設(shè)施中、短隧道配置手提式滅火器。沿隧道縱向每間隔約50m設(shè)置一處滅火器箱，滅火器箱采用暗裝的方式設(shè)置于行車方向右側(cè)隧道側(cè)壁上；長(zhǎng)隧道、特長(zhǎng)隧道消防設(shè)施的主要配置為根據(jù)隧道的交通工程分級(jí)，長(zhǎng)度大于1000m的隧道均應(yīng)設(shè)置消火栓、滅火器、輕水泡沫滅火裝置。這些設(shè)施通常放置在一個(gè)消防設(shè)備箱內(nèi)。（5）隧道供配電設(shè)施隧道供配電一般設(shè)有二路外電源和一套自備電源，在外電源發(fā)生故障的情況下，自備柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。為使供配電靈活、提高故障情況下供配電的可靠性，系統(tǒng)采用分段母線供配電，互為聯(lián)絡(luò)。通風(fēng)、照明、監(jiān)控、通信設(shè)備及事故用電各自設(shè)置單獨(dú)的回路。2、高速公路隧道供配電系統(tǒng)存在問(wèn)題及發(fā)展方向2.1隧道供配電系統(tǒng)存在的問(wèn)題（1）取電方式較為單一，供電質(zhì)量不穩(wěn)定隧道供電電源取電有兩種方式。一種采用架設(shè)專用線路供電方案，該方案需要架設(shè)線路較長(zhǎng)，相對(duì)投資較大，運(yùn)營(yíng)期間需定期維護(hù)，但電能質(zhì)量較高，基本能滿足隧道日常供電需要。第二種取電采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)網(wǎng)線路或市電供電線路，當(dāng)隧道附近有當(dāng)?shù)毓╇姴块T已架設(shè)的農(nóng)網(wǎng)供電線路時(shí)，都直接采用農(nóng)網(wǎng)供電方案，該方案外供電線路距離短，建設(shè)成本低，取電方便，但由于農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷具有不同程度的時(shí)間性、季節(jié)性變化，從而造成電壓起伏較大，甚至頻繁斷電等情況發(fā)生，對(duì)隧道正常運(yùn)營(yíng)管理造成較大影響。（2）公路隧道內(nèi)用電設(shè)備多，用電量大，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高高速公路隧道內(nèi)用電設(shè)備多，用電負(fù)荷相對(duì)較大，造成其運(yùn)營(yíng)期的電費(fèi)開支非常大。據(jù)調(diào)查顯示，秦嶺終南山公路隧道每月風(fēng)機(jī)與照明用電費(fèi)用高達(dá)200萬(wàn)元以上，這無(wú)疑是隧道管理部門一筆龐大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。（3）公路隧道對(duì)于傳統(tǒng)電力資源依賴性大，新型能源利用率較低目前絕大多數(shù)公路隧道用電均引自已有電網(wǎng)，隧道用電量大、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高。一方面對(duì)于公路運(yùn)營(yíng)和建設(shè)自身帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)，另一方面對(duì)于項(xiàng)目所在區(qū)域當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)也帶來(lái)不小的壓力，特別是電力基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)薄弱的地區(qū)。隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)用電對(duì)于新能源的開發(fā)和利用率很低，如此一來(lái)既不符合國(guó)家提出的建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”交通發(fā)展重大戰(zhàn)略，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，也對(duì)公路自身建設(shè)帶來(lái)很多不利影響。2.2隧道供配電系統(tǒng)的發(fā)展方向隨著隧道運(yùn)營(yíng)水平的提高，各種新型供配電技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和新的控制理論研究成果應(yīng)用，隧道供配電系統(tǒng)將沿著節(jié)能化、系統(tǒng)化、智能化、綜合化的方向發(fā)展，使隧道節(jié)能達(dá)到一個(gè)新的技術(shù)水平，并降低運(yùn)營(yíng)成本，從而促進(jìn)高速公路良性發(fā)展。3、高速公路隧道太陽(yáng)能供電系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀隨著國(guó)內(nèi)高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展，高速公路隧道的建設(shè)里程不斷增加，對(duì)于電能的需求也越來(lái)越大。特別是在部分地區(qū)由于地方電力基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，隧道供電電源已成為公路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)需亟待解決的問(wèn)題，在此背景下，引入隧道太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)不失成為解決上述難題的有效途徑之一[1]。3.1高速公路隧道太陽(yáng)能供電影響因素分析完善的太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)可以使得隧道在建設(shè)、運(yùn)營(yíng)中降低投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，降低對(duì)傳統(tǒng)能源的過(guò)渡依賴，也符合國(guó)家“節(jié)能減排”發(fā)展要求。因此，進(jìn)行高速公路隧道太陽(yáng)能供電方案設(shè)計(jì)就顯得極為重要。公路隧道太陽(yáng)能供電方案設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮隧道實(shí)際用電負(fù)荷需求、隧址區(qū)地形及日照資料、系統(tǒng)電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)方案等[2]。（1）隧址區(qū)太陽(yáng)日照條件及洞口地形條件高速公路設(shè)置隧道是為了克服地形限制與高程障礙、改善線型，因此隧道所在地區(qū)一般均為山嶺區(qū)，隧道本身又是一個(gè)封閉環(huán)境，無(wú)法直接接收太陽(yáng)光照，隧道口地形大多較為狹窄，地勢(shì)起伏較大，加上洞口附近山體分布及山區(qū)植被的影響，對(duì)于太陽(yáng)能電池板場(chǎng)區(qū)設(shè)置帶來(lái)很不利的影響，從而直接影響到了隧道太陽(yáng)能供電方案的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)施。（2）合理控制隧道用電負(fù)荷結(jié)合目前國(guó)內(nèi)隧道設(shè)施配置現(xiàn)狀，一般短隧道（長(zhǎng)度≤500米的隧道）用電設(shè)備主要為照明負(fù)載，在長(zhǎng)或特長(zhǎng)隧道以及部分中隧道內(nèi)設(shè)有機(jī)械通風(fēng)設(shè)施及監(jiān)控設(shè)施。根據(jù)太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，雖然目前已有GW級(jí)太陽(yáng)能電站建成，但其初期投資也相應(yīng)較高，對(duì)于用電負(fù)載功率過(guò)大的隧道，采用太陽(yáng)能光伏供電方案會(huì)造成初期投資過(guò)大的不利情況，在“節(jié)約辦交通”這一理念下，必將影響到方案能否具體的實(shí)施。（3）提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)效率除光照強(qiáng)度外，溫度也是影響光電轉(zhuǎn)換率的重要因素，當(dāng)溫度升高時(shí)，光電轉(zhuǎn)換率明顯下降。此外，光電池本身的工藝結(jié)構(gòu)（如光的鏡面反射）也會(huì)影響光電轉(zhuǎn)換率，提高電池板效率的方法有對(duì)太陽(yáng)能板進(jìn)行冷卻、改變反射系數(shù)等。如有條件，可以進(jìn)行太陽(yáng)追蹤，以獲取更大的光強(qiáng)。隨著材料及電子技術(shù)的進(jìn)步，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，可以在更小的面積上獲取更大功率的電力資源，太陽(yáng)能光伏發(fā)電也將獲得更大的應(yīng)用空間。3.2高速公路隧道太陽(yáng)能供電現(xiàn)狀分析2004年交通部西部建設(shè)管理中心基于解決無(wú)供電條件和供電條件不好的公路隧道照明問(wèn)題提出了《公路隧道太陽(yáng)能照明系統(tǒng)研究》課題項(xiàng)目，在此研究基礎(chǔ)上建成我國(guó)首座公路隧道太陽(yáng)能智能LED照明實(shí)驗(yàn)工程。LED節(jié)能環(huán)保，壽命長(zhǎng)，已成為了照明的一個(gè)趨勢(shì)。在無(wú)照明設(shè)施的隧道中，可設(shè)置LED隧道誘導(dǎo)系統(tǒng)，為行駛在隧道內(nèi)的車輛提供主動(dòng)式安全行駛誘導(dǎo)，LED隧道誘導(dǎo)燈安裝一般在隧道兩側(cè)，可有效地改善隧道路面的視覺(jué)光度效果，提高司機(jī)對(duì)隧道路面的辨別能力，從而保障車輛行駛安全。由于LED誘導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)荷較小，采用太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)可避免常規(guī)供電施工難度大，線纜敷設(shè)困難等缺點(diǎn)。總的來(lái)說(shuō)，雖然目前高速公路隧道太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)已有不少實(shí)施案例，但由于受隧址區(qū)地形、氣候、隧道用電負(fù)荷等影響，高速公路隧道對(duì)于太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)的應(yīng)用大都以小負(fù)荷工況為主，大規(guī)模使用太陽(yáng)能供電技術(shù)仍需加強(qiáng)各方面技術(shù)研究工作[3]。4、結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)隧道機(jī)電設(shè)施介紹，淺析了隧道內(nèi)供電負(fù)荷分類及供電的相關(guān)要求，并對(duì)變電所位置情況進(jìn)行說(shuō)明，最后提出了現(xiàn)在供電系統(tǒng)存在的問(wèn)題及將來(lái)供電系統(tǒng)的發(fā)展方向。對(duì)太陽(yáng)能資源、太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理及光伏供電系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)對(duì)高速公路隧道太陽(yáng)能供電