高速公路隧道供配电系统设计问题分析

湖北省城建设计院股份有限公司，湖北 武汉 430050

1 高速公路隧道供配电系统概述

1.1 系统组成

高速公路隧道供配电系统主要由照明系统、消防系统与通风系统组成，不同系统的设计要求具体如下：（1）照明系统。作为供配电系统的核心构成部分，可以提供全天候照明功能，将隧道内部环境的平均照度稳定控制在合理范围内。但是设计人员需要构建智能照明控制系统，重点控制系统运行负荷。如果负荷过重，将会浪费一定的电力能源，还有可能出现照明系统过载运行、运行瘫痪等问题。（2）消防系统。该系统主要由各类消防设备、专用供电回路组成。在隧道出现火灾或严重交通事故时，系统需要及时切换消防电路，对各类消防设备进行独立供电。（3）通风系统。系统同时具备环境监测、风控、区域控制等模块，并配置有若干数量的传感器。传感器持续将监测数据反馈至通风系统，根据隧道环境空气一氧化碳浓度来调节风机运行负荷。

1.2 系统设计原则

（1）标准性原则。为降低隧道供配电系统设计难度，消除人为因素对系统设计质量造成的影响，设计人员需要严格遵循相关设计规范，贯彻供配电设计标准。（2）安全性原则。在制订隧道供配电系统设计方案时，设计人员要以保障系统安全可靠、设计方案可行为首要目的。同时，尽可量简化系统结构。

2 高速公路隧道供配电系统常见设计问题

2.1 变压器容量选择不当

现阶段，高速公路工程通常选择在隧道供配电系统中同时配置两台变压器，根据系统运行负荷估算值来确定变压器容量。在系统运行过程中，变压器出现电气故障问题时，将由剩余变压器全部承担系统负荷。但是，高速公路速调交通量具有阶段性特征，不同时间节点的交通量存在不可预知性与明显差异。在交通量较大时，隧道供配电系统运行负荷随之加大，对变压器容量要求较高。而在交通量较小时，系统实际运行负荷较小、变压器容量要求较为宽泛。从系统实际运行角度来看，不同阶段的负荷差值往往会达到几十千瓦。但在传统设计模式下，为保障系统稳定运行，需要配置大容量变压器，导致设备性能被浪费。

此外，在变压器的实际运行负荷过高或过低时，将加快设备老化速度、缩减实际使用寿命，并提高电能消耗量。

2.2 低压配电电缆设计问题

从配电电缆设计角度来看，主要面临的设计难点是选择电缆截面积。同时，在低压配电电缆的截面积过大时，由于多数高速公路隧道供配电系统普遍具有供电距离长的特征，电能在输送过程中将会产生较大损耗，导致公路隧道供配电系统的运行成本过于高昂。此外，还会出现电缆材料选择不当的问题，导致在系统运行过程中时常出现各类电气故障。

2.3 变压器保护装置选型问题

现阶段，在多数高速公路隧道供配电系统中，普遍选择配置断路器对变压器提供保护。断路器主要被用于处理电流短路问题，装置结构较为复杂、采购成本高昂。从隧道供配电系统实际运行情况来看，电力短路故障问题的出现率较低。若选择配置断路器，不但难以充分发挥装置的作用，同时还存在断路器功能单一、断开时间过程等问题，客观层面上导致隧道供配电系统存在一定的运行隐患，偶尔会出现各类电气故障问题。归根结底，问题在于所配置变压器保护装置型号种类不合理。

2.4 失压脱扣装置选择使用问题

在部分高速公路隧道供配电系统设计方案中，选择配置低压断路器失压脱扣装置，确保在停电条件下，系统可以快速关闭各处重要性较低的电力负荷，以保证系统主线路处于稳定运行状态，持续得到电路供应，最终达到保证隧道交通安全的目的。但是，在安装失压脱扣装置时，存在以下设计问题：（1）在室内停电问题得到解决后，失压脱扣装置、供配电系统并不具备自行恢复电力负荷的使用功能，需要采取人工方式开展合闸操作，在恢复供电与合闸过程中，对电力输送质量及效率造成了影响。（2）为保障失压脱扣装置可以在室内停电后的第一时间便采取关闭电力负荷动作，脱扣器长期存在能耗损失，客观层面上提高了电能消耗量、系统运行成本。（3）部分高速公路隧道环境较为潮湿，且出于成本考虑，难以配置除湿机等设备。而在安装失压脱扣保护装置时，装置持续受到环境侵蚀影响，易出现各类故障问题，实际使用成本较为高昂。

2.5 应急电源设计问题

在高速公路隧道供配电系统运行过程中，受到各类因素影响，或出现各类交通安全事故时都有可能引发供配电系统出现电气故障，系统难以保持稳定运行状态。因此，需要在供配电系统中配置应急电源，在主电源供电中断后，应急电源需要在指定时间内平稳切换，恢复系统正常运行状态，这也是安装应急电源的意义所在。但一些隧道供配电系统中却存在应急电源配置不当的问题，常见设计问题包括应急电源持续时间较短、单一应急电源供电不稳定、应急电源模式与系统匹配度不足等。这些问题的存在导致系统应急电源的作用无法得到充分发挥，使供配电系统存在一定的运行隐患。

3 高速公路隧道供配电系统设计优化策略

3.1 明确变压器容量

在变压器设计环节，存在着变压器配置结构不合理、容量选择不当的问题。因此，设计人员应采取以下处理策略：（1）在供配电系统中配置1台基础变压器用于对应区段隧道照明及监控等辅助设施供电，以及多台不同规格型号的变压器。在系统运行负荷较低时，只需让基础变压器保持运行状态即可。随着系统运行负荷的不断增加，如启动射流风机时，将陆续启动所配置其他变压器。这样既可以避免造成变压器性能浪费、减少电能损耗量，同时还可以切实满足不同时间阶段的系统供电需求。（2）虽然变压器的最佳常用负荷是容量为50%～60%，但是在供配电系统实际运行过程中，电动机负荷率将保持动态变化状态。当多路风机同时启动时，将无法保持供配电系统的稳定运行状态。因此，设计人员需要综合分析电动机负荷率变化情况、变压器基本电价，选择适当的变压器额负载率。目前来看，在多数高速公路工程中，普遍选择变压器额负载率控制在60%～ 90%。

3.2 合理选择变压器保护装置

在隧道供配电变压器保护装置设计环节，可选择配置负荷开关、高压熔断器、限流熔断器等保护装置。与断路器相比，这类保护装置的使用功能较为丰富，同时具备分离控制、负荷功能切换、短路保护等保护功能，可以有效应对各类电气故障，及时控制故障问题、快速恢复隧道供配电系统的正常运行状态。例如，在供配电系统运行过程中出现电气短路问题时，熔断器将提供短路保护，快速切断短路线路与其他线路、设备的连接。同时，设计人员需要结合工程实际情况，合理选择保护装置的具体规格。

在供配电系统中安装失压脱扣保护装置时，面临多项设计问题，难以做到对装置保护功能的充分发挥。因此，设计人员可选择在电力线路中配置分目线。如此，在室内停电条件下，系统不仅可以在短时间内切断分支电力线路断路器，保证主电力线路的稳定运行、集中供电，还可以彻底解决失压脱口装置潮湿易损、无法自行恢复电力负荷等设计问题。

3.3 电缆截面积取值

在低压配电电缆设计时，工作人员要根据设计方案开展施工模拟试验，检查电缆在运行过程中所产生的无功损耗和有功损耗，并基于发热条件开展截流量多元化分析工作，对灵敏度进行校验，以此划定电缆截面积的大体范围。同时，还要遵循经济适用原则，采取经济电流最小设计方式，构建配套经济性分析模型，评估不同电流值条件下的配电电缆运行情况，如电能损耗量、运行经济成本等，综合分析各项因素，明确电缆截面积最优值。设计人员还应考虑电压压降问题，由于隧道供配电系统的供电距离较长，需要合理设置平衡点、全面掌握配电回路压降情况，将导体损耗费用控制在较低程度内。此外，还要做好电缆选材工作，在施工条件允许前提下，配置具有良好阻燃性能、使用寿命长、安全可靠的线缆。在材料入场环节，对低压配电电缆的外观质量、规格参数进行目视检查，核查质检报告等相关文件，并从中随机抽取少量电缆作为样品进行检测，重点检查绝缘部位厚度、老化程度。

3.4 配置应急备用电源

在应急备用电源设计环节，需要综合分析电源特点、系统电力负荷波动情况、应急供电时间等因素，在其基础上明确应急备用电源的参数指标要求。为保障应急备用电源的供电稳定性，可选择配置组合式应急备用电源模式，同时采取两种及以上独立电源电路。一路应急备用电源电路出现故障问题后，仍可用另一路应急备用电源电路持续对供配电系统稳定供电。此外，将加大应急备用电源的实际电容量，延长供电时间。

4 结束语

在新时代背景下，为保障高速公路隧道交通安全，提高供配电系统运行质量，企业需要加强对隧道供配电系统设计工作的重视力度，深入分析各类常见设计问题及出现成因，针对性采取优化设计策略，攻克各项设计难题，为隧道供配电系统的稳定运行提供设计支持与前提基础。