观音山隧道供配电系统设计研究

奚 望，李为民

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

截至2019年年末，全国公路通车总里程达到501.25万km，2019年高速公路里程由137 877 km增加到142 831 km，净增4 954 km，增长3.6%。随着我国公路基础设施的快速发展，特长隧道数量大幅增加。特长隧道作为公路控制性工程，大多位于山岭重丘地区，交通事故多发，危害较大，且救援时间长，社会影响大。

特长隧道供电对象包括隧道内的照明、通风、消防和监控设施，以及少量的其他设施。其主要用电负荷为隧道风机，风机数量多，常用风机功率为22/30/37 kW，总功率大。口径>1 000 mm的射流风机在纵向布置间距宜>150 m，每个断面安装2台，布设间距长，距离变电所较远[1]。消防排烟风机应在配电线路末端的风机配电箱处设置自动切换装置[2]，即一组风机引2根电缆(分主用、备用)，每根电缆均可带两台风机，而正常情况下风机端子处电压偏差为±5%额定电压[3]。电缆截面可粗达(3×240+1×120)mm，单价高、距离长、数量多、造价较高。故特长隧道应根据风机布设位置及地质条件在合适位置设置洞内变电所，减少风机供电电缆长度及截面，降低造价。

消防水泵、排烟风机属于一级负荷，而应急照明、电光标志、交通监控、通风照明控制、紧急呼叫、火灾报警、中央控制设施属于一级负荷中特别重要负荷，通风风机、消防补水水泵、加强和基本照明属于二级负荷，由两个回路供电[4]。隧道洞内变电所考虑运营管理安全不宜配置柴油发电机作为备用电源，应考虑采用双路10 kV电源及相应备用方案。在设计初期综合考虑经济性、可靠性、可维护性，合理选择供配电设计方案至关重要。

1 概述

观音山隧道为分离式隧道，左线长4 790 m，右线长4 820 m，设计时速为100 km/h，特征年交通量预测结果显示，近期为21 124 pcu/d，远期为33 798 pcu/d。

该隧道单向交通且长度L≤5 000m，采用纵向通风方式。经计算，射流风机配置如表1所示。

表1 射流风机配置表

隧道右线风机数量多，布设距离长。近期设置24台37kW风机，远期布设60台37kW风机，每组风机间距为150m。风机布置如图1所示。

图1 风机布设图(m)

2 供配电系统设计研究

特长隧道供配电系统设计方案应结合外接电电源调查情况。经调查，观音山隧道进口端附近有10kV922派阳线，从塔岜村T接，距离约1.5km；观音山隧道出口端附近有35kV长桥变电站10kV林贴984线，从可敬屯T接，距离约1km。

本隧道供电系统采用在进出口设置变电所，每侧引入10kV电源，隧道内设置洞内变电所的方案。为了避免风机启动时对隧道照明质量和灯具寿命的影响，照明和风机宜分设变压器[5]。

2.1 方案研究

洞内变电所不宜设置柴油发电机，宜采用双路10kV电源作为备用电源。常见供电方案分以下三种(如图2～4所示)。

图2 方案一示意图

方案一：进出口变电所各馈出一回10kV电源，隧道内通常敷设一路10kV电缆，进入洞内变电所的高压双电源切换柜中，为洞内变电所所带负荷供电。进出口变电所设柴油发电机及其出线柜，分别进入照明、动力双切柜，为重要负荷供电。洞内变电所额外配置2台大容量EPS作为左洞风机、右洞风机的应急电源。

方案二：进出口变电所各馈出一回10kV电源，隧道内通常敷设两路10kV电缆，进入洞内变电所及另一端的高压双电源切换柜中。10kV电缆途经洞内变电所时，采用分接箱T接进入10kV双电源切换柜。两路10kV电源一主一备，当主用电源停电时，进口、洞内、出口变电所均通过10kV双电源切换柜自动切换到备用电源供电。

图3 方案二示意图

图4 方案三示意图

方案三：进出口变电所各馈出一回10kV电源，隧道内通常敷设两路10kV电缆，进入洞内变电所及另一端的高压进线柜中。各变电所2台变压器互为主备，容量一致，低压联络，均可为所有负荷供电。正常情况下10kV电源、变压器带一半负荷，一路10kV电源停电时，低压联络开关闭合，由另一路10kV电源的变压器带全部负荷。

三种供电方案对比如表2所示。综合考虑可靠性、维修方便、造价、运营费用等方面，并结合资金情况，本隧道供电方案采用方案三。

表2 常见双路10 kV电源供电方案对比表

2.2 变电所设置

本隧道长度为4 805m(取双洞平均值)，根据变电所800m的供电半径，结合风机布置情况，拟设置进口、出口变电所及1#、2#两座洞内变电所。

隧道强电电缆沟在行车方向左侧，为减少过路预埋横穿管数量，进出口变电所有条件情况下宜设置在中央分隔带内。经查，隧道进口为挖方路段，出口为填方路段，进出洞口附近50m内无桥梁、涵洞等构造物，左右线间距为18m。洞口变电所设计尺寸为(19×10)m，低位水池设计尺寸为(9.6×6.3)m，泵房设计尺寸为(6.6×4.8)m。洞口地形满足变电所、低位水池、泵房需求，由隧道土建对洞口场地进行平整，保持与路面高程一致。

隧道洞内变电所根据变电所方向可分为与隧道纵向垂直的横洞变电所和与隧道纵向平行的洞内变电所。本隧道左右洞间距为18m，间距较小，不满足洞内变电所结构安全要求，宜采用横洞变电所的方式。横洞变电所内轮廓通常与车行横通道内轮廓一致，单车道车行横通道净宽为4.7m，双车道车行横通道净宽为6.75m。考虑横洞变电所门及高低压柜、变压器、EPS、UPS、电池柜、电力监控柜、PLC柜等设备布置，横洞变电所尺寸宜≥(23×4.7)m或≥(14×6.75)m，故本隧道采用净宽为6.75m的横洞变电所。根据隧道地质调查报告，本项目在K30+900、K32+440围岩等级较低，且处于负荷中心，适宜设置洞内横洞变电所。隧道变电所配置如表3所示。

表3 各变电所配置一览表

2.3 横洞变电所通风消防

横洞变电所内因常封闭、气候潮湿、通风状况差，卫生条件不良，易加速设备老化，容易引起触电、短路等安全事故，而且发生火灾时由于环境密闭，造成人员财产伤亡损失大，后果严重。因此，除设置必需的检修插座、照明灯具之外，还应设置相应的通风消防设施。在各横洞变电所内设置4具150L柜式七氟丙烷灭火装置，灭火柜布置于洞内变电所一侧，灭火装置之间最大间隔≤12m，距离变电所两端墙体最近的装置离墙不超过4m，以应对可能发生的电气火灾。横洞变电所两端墙上布设消防排烟风机及防火阀，用于洞内变电所消除余热及通风换气。两端墙处外挂气体消防控制器，以便控制气体灭火装置、灭火警示灯及警铃的启动和终止，并可控制洞内变电所的通风气阀及风机。

为应对气体灭火装置无法启动，或火灾情形不需要启动自动灭火装置的状况，在配置气体消防控制器的一端墙外侧配备立式消防柜，内藏2具MFZ/ABC8手提干粉灭火器，同时配备消防防毒面具等个人消防装备2套，以供紧急情况下现场人员进入变电站进行灭火。

3 结语

在高速公路特长隧道供配电系统设计中，应事先做好隧道附近的10kV外接电调查。基于外接电调查情况，在保证安全、可靠的前提下，适当降低造价及运营管理成本，合理选择系统方案。根据隧道地质情况，在靠近负荷中心位置设置洞口及洞内变电所，并根据隧道左右线间距选择洞内变电所型式、尺寸，分单排或双排布置高低压柜。横洞变电所内应根据尺寸设置排烟风机、灭火器及相应控制设施。本文基于观音山隧道供配电进行详细设计研究，以期为类似项目提供参考。