山区公路特长隧道的供配电系统设计

乐卫洪

苏交科集团股份有限公司（江苏 南京 210017）

0 引言

近年来，我国公路事业建设取得了辉煌成就，但随着高速公路的快速建设，也出现一些新的问题。当前，高速公路向山岭区延伸，出现了很多特长隧道，而隧道是封闭环境，运营条件与外界不同，如何保障汽车运营安全是工程建设需要解决的问题。虽然采取通风及消防等设计可保障其运营，但随着隧道加长，需要考虑供电可靠性。随着通信技术的发展，供配电领域自动化产品日新月异，成套设备在中低压供配电系统中可起到电能控制作用。高压联网调度技术较为成熟，但低压远程监控产品较少，对特长隧道统一远程监控实现存在困难。特长隧道中中低压配电自动化程度要求较高，需要与监控、消防及通信设施相互配合。

1 山区公路特长隧道供配电系统概述

公路隧道供配电系统是公路正常运行的重要保障，在公路隧道建设施工中，应注意隧道配电系统设计。设计人员应根据具体地形地貌因地制宜制订合适的施工方案，保证系统设计符合国家规定，施工材料应根据工程材料验收标准选取[1]。虽然我国高速公路隧道供配电设施得到较大的优化与完善，但系统设计中依旧存在一些问题，需要及时整改确保公路正常运行，为群众出行提供保障。

1.1 山区公路特长隧道供配电系统特点

山区公路特长隧道供电具有独特性，体现在用电设备种类多、电源质量要求高等方面，且远离上级电站，因此需根据公路隧道工程特点合理设计供配电系统。山区公路隧道多位于大山深处，电网中中高压变电站设置在经济中心区域，隧道附近多为农电线路，供电容量不足，为提高电源质量，大规模隧道需架设专用供电线路。大规模隧道用电设备通常有通风设备、监控设备、照明设备等，多种设备通常沿隧道纵向等间距分布[2]。排烟风机为一级负荷，监控设备为重要负荷，在隧道用电设备中占容量比重较大，负荷较为分散。公路隧道供配电系统设计要遵循基本原则，做到安全可靠、方便安装、环保节能；供配电设计采用设备应符合国家产品技术标准，优先选用技术先进的成套设备，积极采用新技术工艺。

1.2 山区公路特长隧道供配电设计要求

公路特长隧道供配电系统包括照明系统、通风系统及应急电源设置。照明是隧道供电系统的重要部分，主要功能是在人工隧道中持续不断地供电。隧道供配电系统设计中应测试运行负荷，避免超负荷运作，若出现超负荷运作，则要及时协调配电系统相关参数，因为隧道供配电照明系统设计直接关系后期的使用安全。很多高速公路修建需要穿越庞大的山体，部分高速公路地质条件较差，会导致隧道环境封闭，需要在隧道中设置专门的通风系统，包括区域控制、风控系统。良好的通风系统可为隧道提供良好外部环境。通风系统作用是根据隧道CO浓度进行分析，当隧道CO含量超标时通过控制区风机运行降低CO浓度，为司机提供健康的隧道环境。

2 山区公路特长隧道供配电系统设计中的重点问题

电力系统发展对供配电可靠性提出了更高的要求，如自动隔离、实时监控配电系统，以提高供电可靠性。电力系统可靠性发展对民用配电可靠性也提出了更高的要求。随着工业生产手段复杂化，现场设备控制方式复杂化，人们对配电系统的要求不断提高，对数据传递量、故障检测等均提出了新的要求。

2.1 电容器设计

当前，山区公路特长隧道供配电系统设计存在许多问题，主要包括变压器断路器选择不合理、容量选择不当、应急电源配置设计不到位、失压脱扣装置选取不实际等。设计人员需要分析山区公路特长隧道供配电系统设计存在的问题，为山区公路特长隧道供配电设计优化提供依据。不同容量变电器承担负荷不同，公路特长隧道供配电设计中如何选择变压器非常重要，隧道通常设置两个变电器。日常隧道用电主要是照明通风，通风设备的使用具有阶段性特点，应根据实际运行数据分析进行设计。选择合适的变压器可以优化公路供配电系统设计，在实际使用中，变压器负荷额定容量为60%时效率最高。

2.2 断路器配置

当前，很多公路特长隧道供配电设计中采用断路器保护变压器，而较少使用负荷开关加熔器。一些设计人员认为负荷开关加熔器使用效果不好，在隧道供配电系统中经常使用开关切换电力负荷。断路器主要根据短路电流设计，具有内部结构复杂、造价高的特点，而负荷开关加熔器的运行机制是分离控制功能和保护功能，可以实现对频发的负荷功能的及时切换[3]。如断路器断开时间较长，建议选择限流熔断器。在实际隧道供配电系统设计中，变压器保护装置需要根据国家标准科学合理地选择。当变压器的容量＞500 kVA时，应选择高压断路器进行保护；当变压器的容量≤500 kVA时，可选择高压熔断器进行保护。

2.3 应急电源设计

为保证隧道运行必须做好电源准备工作，确保应急照明。高速公路隧道照明监控设备在紧急情况下有很大作用，要保证应急电源稳定充足，应综合各方面需要选择应急电源配置，主要考虑因素包括电源特点、负荷情况等。通过全面考虑，确保应急电源配置安全。应急电源种类较多，在隧道安装应急电源设计中，选择单一电源往往达不到安全效果。高速公路隧道出现事故会危害隧道供配电系统，可以选择组合式的应急电源模式，确保一方应急电源出现故障时也可正常供电，而且组合式应急电源有利于加大电容量[4-6]。

3 山区公路特长隧道供配电优化设计

G341胶南至海晏公路加定至海晏段是国家公路网规划的重要部分，是西宁至兰州的第二通道，项目建设对完善兰州、西宁地区国家路网具有重要意义。项目位于海东市互助县、海北藏族自治州海晏县。JX-2标位于互助县境内，连接规划宁互高速公路，设置台子乡互通，沿南门峡水库西北侧设隧道穿越尖顶山至朔北乡。全线设置柏木峡特大桥、南门峡2号大桥两座大桥，马鞍山隧道、安定隧道、贾家沟隧道三大隧道，以及四处互通式立交。

3.1 配电系统设计

依据设计文件与业主设计意见等规范，项目采用双向四车道一级公路标准。隧道供配电系统是公路机电系统的重要部分，应结合隧道电源实际情况，设计经济合理的供配电系统。隧道照明设计应用新节能光源，采用先进的控制技术，以电光照明实现隧道内外光过渡，提高隧道经济效益。配电系统设置在变电所低压配电柜内，电力监控通信管理机以太网交换机连接。隧道供配电系统为隧道机电系统低压配电柜预留供电容量，隧道机电系统从隧道变电所低压开关柜出线端子开始至电线电缆敷设。绝缘穿刺连接器结构如图1所示。

图1 绝缘穿刺连接器结构图

3.2 供电系统设计

设计供配电系统供电对象包括隧道内通风、监控设施。根据可靠性及终端供电造成影响，隧道用电负荷分为一、二、三级负荷。项目沿隧道一级负荷由2个电源供电，采用两路10 kV市电互为备用供电方式。一级负荷中重要负荷应增设应急电源，设置1台UPS电源为隧道监控设备应急电源。二级负荷供电由2个电源供电，隧道未发生火灾情况下，备用电源额定电容带部分二级负荷。同时，在隧道洞口设置变电站，为隧道内用电设施提供电源。隧道双电源变压所高压柜采用中置柜，内设微机综合保护器为变压器过载保护，其余隧道变电所采用小型化柜体绝缘短路柜为变压器过载保护[7-9]。

3.3 监控系统设计

电力监控系统是供配电系统配套部分，可以对系统实施遥测，将分散供配电系统实施远距离集中控制管理。设计建议项目沿线隧道变电所设置电力监控系统，沿线设监控分中心，沿线隧道变电所电力监控数据传输至台子乡监控分中心。项目沿线隧道变电所为无人值守，监控分中心设置远程电力监控系统监控沿线隧道变电站。电力监控系统包括遥测、遥控功能，监控分中心设置电力监控管理机，用于供电系统监控。

4 结束语

高速公路隧道供配电系统设计对隧道供配电系统运作有重要作用。当前，我国山区公路特长隧道供配电系统设计中存在变压器选择不合理、应急电源配单设计不当等问题。山区特长隧道供电方案是设计评审专家关注的焦点，安全的供电方案是隧道顺利设计、良好运营的关键因素。每个特长隧道有不同特点，应做到充分调研后提出不同方案的可靠性，为设计工作提供可参考的经验。