高速公路隧道群变电站设计应用

郭 凯

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

目前，大部分高速公路隧道远离城市及输电走廊，高电压等级隧道群变电站将越来越多地应用到山区高速公路建设项目中。

1 项目概况

某高速公路主线设置5座隧道（1号/2号隧道（特长隧道）、3号/4号/5号隧道（长隧道）），地理位置偏僻且布置较密集。隧道周边电源点有国家电网有限公司500 kV变电站（具备220 kV、110 kV出线间隔）及220 kV变电站（具备110 kV、35 kV出线间隔），但距离均较远。

为尽可能减小隧道外供电线路损耗，本工程拟建设1座110/10 kV隧道群变电站，以辐射形式向各隧道变电所供电。项目地点海拔887 m，最热月平均最高温度30℃，土壤电阻率为100 Ω·m，无冻土层。

2 方案设计

2.1 隧道群变电站主接线方案

长隧道及特长隧道应在隧道两端各设一座10 kV隧道变电所[1]。考虑到隧道用电负荷中应急照明设施、交通监控设施、火灾检测与报警设施等均为一级负荷中的特别重要负荷，排烟风机等为一级负荷。因此，隧道群变电站10 kV系统采用单母线双分段接线方式，I段及Ⅱ段10 kV母线分别向各隧道1号及2号变电所馈出1回供电回路。

同时，为保证隧道群变电站2回路进线相对独立，电源点由两处不同变电站引来或由同一变电站不同母线引来，且隧道群变电站进线母线采用单母线双分段接线方式，并设置2台主变压器。

隧道群变电站主接线方案示意图如图1。

图1 隧道群变电站主接线方案示意图

2.2 负荷统计

在实际工程中，常见的负荷统计方法有需要系数法、二项式法、单位面积功率法等。本文采用需要系数法进行负荷统计及无功补偿计算。例如，1号隧道1号变电所负荷计算结果如表1所示。

由表1中可知，1号隧道1号变电所负荷在考虑需要系数Kx、同时系数Kp、Kq、低压无功补偿及变压器损耗因素的情况下，视在功率为9 002 kVA。1号隧道1号变电所应选择10 kV电压等级线路供电。

对于隧道群变电站110 kV I段，同样可做负荷统计如表2所示。

表1 1号隧道1号变电所负荷统计表

表2 10 kV I段负荷统计表

由表2可知，10 kV I段总计算负荷为：P30=20 820.7 kW，Q30=7 853.7 kvar，S30=22 252.7 kVA，cosφ=0.95。结合当地电网条件，隧道群变电站进线电压等级选择110 kV[2]。

2.3 主变设置方案

按照本工程建设规模，隧道群变电站设置2台SFZ11-25000/110主变压器（25 000 kVA，110±8×1.25%/10 kV，Ud=10.5%，YN,d11）。

2.4 电气主接线

本工程中，110 kV及10 kV系统采用单母线双分段接线方式。其中，110 kV系统采用GIS（六氟化硫封闭式组合电器）形式布置。10 kV系统采用KYN28-12中压开关柜室内布置形式。

2.5 运行说明

正常情况下，110 kV及10 kV母联均断开，两段110 kV母线带各自对应10 kV母线段负荷；任何一台主变或线路故障情况下，110 kV母联闭合，正常运行主变带全部负荷；任何一110 kV母线检修情况下，10 kV母联闭合，正常运行主变带全部负荷。

2.6 短路电流计算

在最大运行方式下，系统侧为隧道群变电站110kV母线提供短路容量为1 100.3 MVA。短路等值计算电路图如图2、图3所示。

图2 系统等值正/负序网络图

图3 系统等值零序网络图

表3 短路电流计算结果表

2.7 导体及设备选择

2.7.1 断路器选择

断路器选型的主要参数包括额定电压、额定电流、额定开断电流、额定关合电流、短路电流热效应、极限通过电流峰值[3-4]。根据短路电流计算可知各断路器计算结果如表4所示。

表4 断路器计算结果表

根据表4参数可进行断路器选型，各断路器保证值结果如表5所示。

表5 断路器选择结果表

2.7.2 隔离开关选择

隔离开关选型的主要参数包括额定电压、额定电流、短路电流热效应、极限通过电流峰值[3-4]。根据短路电流计算可知各断路器计算结果如表6。

表6 隔离开关计算结果表

根据表6参数可进行断路器选型，各断路器保证值结果如表7。

2.7.3 110 kV架空线选择（软导体选择）

架空送电线路导线截面一般按经济电流密度来选择。除此之外还可采用回路持续工作电流进行选择并进行热稳定校验[5]。

表7 断路器保证值结果表

针对本工程110 kV架空线路导线截面选择如下：

a）根据经济电流密度计算，S=145.8 mm2，当按经济电流密度选择导体且无合适规格时，导体面积可按经济电流密度计算截面的相邻下一档选取[5]。故应选择LGJ-120/25导线。

b）利用回路持续工作电流校验，IXU=131.2 A，考虑海拔1 000 m以下及最热月平均最高温度30℃条件下的综合校正系数，钢芯铝绞线LGJ-120/25长期允许载流量为399.5 A，符合要求。

c）热稳定校验，Smin=31.61 mm2，钢芯铝绞线LGJ-120/25总截面为146.73 mm2，其中铝导体截面为122.48 mm2，符合要求。

2.7.4 10 kV铜母排选择（硬导体选择）

硬导体通常采用回路持续工作电流及经济电流密度作为截面选择标准。而对于全年负荷利用小时数大，且长度超过20 m的硬导体按经济电流密度选择。

对于本工程应采用回路持续工作电流作为导线选择条件，并利用热稳定进行导线截面校验。

a）根据回路持续工作电流计算，IXU=1 612.28 A，可选择TMY-100X6.3铜母排，载流量为1 810 A。

b）热稳定校验，Smin=31.47 mm2，TMY-100X6.3铜母排截面为630 mm2，符合热稳定要求。

2.7.5 10 kV电缆选择（一次电缆选择）

一次电缆通常采用回路持续工作电流、经济电流密度及热稳定进行选择[6]。此处以一车间10 kV段进线电缆选择、校验为例。

a）根据回路持续工作电流计算，IXU=88.82 A，可选择ZRC-YJV-6/10 3X35，载流量为123 A。

b）热稳定选择，Smin=39.27 mm2，可选择ZRC-YJV-6/10 3X50，导线截面为50 mm2。

c）根据经济电流密度计算，S=80.75 mm2，按照经济电流密度选择导线截面原则，应选择ZRCYJV-6/10 3X70导线。

综合以上，一车间10 kV段进线电缆可选择型号为ZRC-YJV-6/10 3X70。

通过以上的计算及软件校验，可以确定主要导体及设备参数。同时，可以看出实际工程设计的过程就是电气主接线、高压电气设备、电力线路、电力系统、负荷计算及无功补偿、短路电流计算等知识的综合应用过程。

2.8 过电压保护及接地

2.8.1 防直击雷保护

图4 变电站避雷针保护范围示意图

110 kV线路全线架设接闪线。室外布置的GIS配电装置及主变采用避雷针进行防直击雷保护，并按照滚球法核算保护范围，滚球半径为45 m[7]。避雷针保护范围如图4。配电间及主控室按第二类防雷建筑物设防，屋顶四周设接闪带，接闪带通过专用接地线与变电站接地网相连。

2.8.2 防雷电波侵入

在110 kV架空线路进入GIS处、GIS与变压器连接处和每段10 kV母线上均配置氧化锌避雷器以减少雷电侵入波过电压的危害。并对电力电子设备采取过电压保护措施。

2.8.3 接地

2.8.3.1 接地电阻的计算[8]

本工程土壤电阻率ρ=100 Ω·m，土壤电阻率低，施工时应保证回填土与接地极的可靠接触。回填土要用细土回填，并分层夯实，不得用碎石和建筑垃圾回填。

接地网以水平接地带为主，埋深0.8 m，接地网的外缘应闭合且各角作成圆弧形，圆弧的半径不宜小于均压带间距的一半。

经计算：接地装置的接地电阻应满足：R≤2000/I=2000/5847=0.3421Ω，根据本工程的实际计算：实际接 地 电 阻,可知，Rjs＞R，不能满足规程要求，需采取铺设砾石地面或沥青地面的措施，使ρt≥5000 Ω·m；并使接触电位差能满足要求。此时采取措施后接地电阻Rjs≈1.71 Ω。

所以本工程接地网接地电阻要求值应小于1.71 Ω。若实测值大于1.71 Ω，可采取接地体外延、增加深井接地极等其他措施降低接地电阻。

2.8.3.2 接地导体的选择

按照30年腐蚀及热稳定校验选择60X8热镀锌扁钢作为水平接地极。主控室活动地板桥架内及主变及GIS区域电缆沟内均设置30X4接地铜排，主控室内接地铜网经2根电缆引出并于室外同一点接地，主变及GIS区域接地铜排应就近与接地网相连。变电站接地网如图5所示。

图5 变电站地下接地网示意图

2.9 照明[9]

2.9.1 照明种类及照明方式

变电站设正常照明和事故照明。

2.9.2 照度标准及照度选择

表8 各房间照度标准值表

3 结语

隧道群变电站在未来山区高速公路项目建设中将会越来越多地出现，作为各个隧道变电所的上级变电站更有利于统一控制及调度。同时，在隧道群外供电条件稀缺的情况下、高电压等级线路与10 kV或35 kV线路相比具有线路损耗低的明显优势。本文针对隧道群变电站主接线、电压等级、电器及导体选择进行了设计研究，可供相关工程参考。