城市隧道供配电设计探讨

陈湘闽

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

供配电系统是城市隧道电气设计的重要组成部分， 供配电系统设计应符合国家节能和环保要求以及现行国家有关规范、标准规定，并以当地供电部门编制的《电网规划设计技术实施细则》《电网城市配电网技术导则》《城市中低压配电网规划设计及用户供电技术导则》等企业（行业）标准和规定作为设计依据，结合当地供电部门的供电情况开展。基于笔者近些年从事城市隧道设计的经验，拟对城市隧道工程的供配电设计要点进行梳理。

1 用电负荷等级及负荷计算

在进行城市隧道供配电设计前， 应明确各用电负荷的重要性及负荷等级，以便选用合适的供电方案。

城市隧道用电负荷种类较多， 呈现负荷容量大且分布较广的特点。用电负荷主要为隧道照明、排烟风机、雨（废）水泵、消防水泵、火灾自动报警系统及监控设备等。 按照《建筑设计防火规范（2018 年版）》（GB 50016—2014）[1]及《城市地下道路工程设计规范》（CJJ 221—2015）[2]等规范规定：城市隧道的消防水泵、射流风机、雨（废）水泵、隧道应急照明、道路基本照明、火灾自动报警系统及监控设备等负荷为一级负荷，其中隧道监控设备、隧道应急照明等为特别重要负荷； 设备机房及隧道附属的管理用房照明及动力等负荷为二级负荷；其他负荷如检修电源、引道段照明等用电负荷为三级负荷。

根据各专业提供的用电需求， 对城市隧道的用电设备采用需要系数法进行电力负荷计算， 计算出负荷有功功率、无功功率和视在功率，便于选择供电变压器的容量。考虑到隧道用电负荷的特点，为方便电力负荷计算， 在充分考虑隧道用电负荷特点的基础上， 总结归纳隧道用电设备的需要系数等数据见表1。

表1 隧道用电设备的需要系数

2 供电电源保障

隧道变电所中压（10 kV 或20 kV）电源由当地电力部门供给。为保证隧道用电负荷，尤其是一级负荷的供电要求， 应要求供电部门为隧道变电所提供两路双重电源。 当取得两路双重的中压电源比较困难时，需在各变电所内，除一路中压电源外，同时在变电所内考虑设置1 台低压柴油发电机作为备用电源。当外部中压电源失电或配电变压器检修时，启动低压柴油发电机承担一级和二级负荷。 一级负荷中特别重要的负荷是不能中断供电的， 如隧道内应急照明、疏散照明、隧道监控及报警系统等负荷，应在变电所内设置UPS、EPS 作为应急电源。 其中，隧道交通监控、紧急呼叫设施系统、火灾及消防报警系统采用自带蓄电池组的在线式UPS 电源柜作为应急电源；隧道内应急照明、疏散照明系统采用自带蓄电池组的EPS 电源柜作为应急电源。

在深圳南坪快速路塘朗山隧道项目中， 三回路10 kV 电源均引自路灯专线， 各回路引自3 个不同的变电所，采用环网“手拉手”的供电方式。由于供电线路较长， 电源只能满足道路照明的二级负荷用电需求，而不能满足塘朗山隧道一级负荷的要求。 因此，塘朗山隧道南、北洞变电所设计时，除10 kV 电源外，同时设置了1 组低压柴油发电机作为备用电源，其中，南洞变电所（中控管理楼附属变电所）发电机组容量为509 kW，北洞变电所发电机组容量为250 kW。

3 供配电系统设计要点

为便于维护， 供配电系统的设计应尽量简单可靠。 设计时，不仅要以国家规范标准为主要依据，还要根据当地供电部门发布的标准和要求执行。例如，深圳供电部门就发布有当地企业标准 《深圳市城市中低压配电网规划设计及用户供电技术导则》，现将供配电系统设计要点进行总结与归纳。

3.1 变电所设置

变电所的设置在隧道电气设计中至关重要，变电所设置需考虑电能损耗，宜靠近用电负荷中心。城市隧道用电负荷主要分布在洞内， 所以还需根据隧道长度，在满足电压降要求的前提下，考虑运维及管理的便利性，经济合理地设置变电所。

变电所的低压供电半径一般在300 m 左右。 考虑到隧道的用电负荷较小， 在满足电压降前提下可适当延长供电距离， 但隧道变电所低压配线长度不宜大于 1 000 m。 例如： 深圳南坪快速路塘朗山隧道，隧道为双洞 6 车道，隧道长 1.7 km，在隧道南、北洞口两端各设置1 座10 kV 变电所。 宜春市昌黎北路工程马鞍山隧道， 隧道为双洞6 车道， 长度0.9 km，在隧道西洞口外设置1 座10 kV 变电所。 深圳公常路中山大学深圳校区段下穿道路， 地下道路长2.78 km，双向6 车道，在地下隧道内设置2 座20 kV隧道变电所，为隧道用电负荷提供电源。

变电所内设置2 台变压器， 即动力变压器和照明变压器。 2 台变压器在正常情况下独立运行，互为备用，每台变压器的负载率较低；当1 台变压器故障或检修时，由另1 台变压器带全部重要负荷运行。此时变压器的负载率可高达90%以上。

3.2 供配电方式

配电变压器总容量不同采用供配电方式也不一样：1）当变压器总容量较大（4 000～8 000 kVA）时，变电所中压配电系统可采用两进线单母线分段接线形式，其中一路主电源为专用线路；中压柜选用环网柜或真空断路器移开车式开关柜。 2）当变压器总容量较小（小于4 000 kVA）时，变电所中压配电系统采用具备双电源互投功能的环网柜单母线接线形式，两路供电电源分别来自不同变电所。根据城市隧道用电负荷特点， 变电所低压系统均采用单母线分段接线形式。

为了提高供电可靠性，风机、水泵等低压设备采用放射式配电方式， 隧道内加强照明与基本照明采用放射式与树干式的混合配电方式。其中一级、二级负荷由变配电所的2 台变压器低压母线侧分别供电，并在用电设备末端设置双电源自动切换配电箱。动力用电设备线路末端压降不大于5%，照明用电设备线路末端压降不大于10%。

3.3 主要电气设备选型

中压柜采用中压环网开关柜或金属铠装移开车式开关柜。当采用金属铠装移开车式开关柜时，选用直流220 V 弹簧储能操作机构。 变压器选用干式变压器。变压器能效应满足《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB 20052—2020）[3]的要求。 低压配电柜一般采用抽屉式开关柜。

3.4 短路及过载保护设置

当中压柜采用环网柜时， 变压器高压侧可采用负荷开关—熔断器组合电器进行短路保护。 中压柜选用金属铠装移开车式开关柜时， 装配微机智能型综合保护装置：进线柜装设定时限过流、速断、零序、失压跳闸保护； 变压器出线柜采用定时限过流、速断、零序、变压器超温跳闸保护，高温报警；变压器低压侧采用低压断路器进行瞬时、短延时、长延时三段保护；低压出线回路设短路及过载保护。

3.5 电能计量及无功补偿

变电所采用中压、低压分别计量方式，其中以中压计量为主，低压计量为辅。在中压电源进线后装设一面供电部门专用计量柜， 其计量表计由供电部门校准并铅封。 无功补偿采用变电所集中补偿与就地补偿相结合的方式， 以利于降低电网损耗及有效控制电压质量。在变压器低压侧进行集中补偿，补偿后功率因数不低于0.9；各灯具的功率因数大于0.95。

3.6 线缆选择与敷设

为确保隧道供电的可靠性，采用电缆供电。

隧道内中压电力电缆选用阻燃型铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆。 隧道内低压照明电缆采用无卤低烟B 级阻燃（耐火）铜芯交联聚乙烯绝缘电力电缆WDZB（N）-YJY，消防负荷配电回路采用BTLY 型矿物绝缘电缆， 隧道内照明电线采用无卤低烟B 级阻燃（耐火）铜芯交联聚乙烯绝缘布电线WDZB（N）-BYJ。

中压电缆采用沿市政电力管沟敷设或埋管敷设， 在隧道内则沿隧道侧壁检修通道下的电缆沟敷设。各风机主电缆在电缆沟内敷设，至相应风机吊挂处时， 风机电缆穿隧道二次衬砌内预埋管引至风机电机。排水泵经双电源自动切换装置供电，其供电电源电缆由变配电房低压配电柜直接穿管敷设到泵房。照明主电缆在电缆沟或桥架内敷设，照明分支电缆敷设在隧道两侧壁的电缆桥架上。

消防供配电采用变电房低压配电柜放射式直接供电，其中消防泵经双电源自动切换装置供电。消防配电线路须满足火灾时连续供电的要求， 因此消防用电设备配电线路应采用防火桥架及穿钢管相结合的敷设方式。当明敷时，金属保护管外需涂防火涂料保护； 暗敷时， 应穿管并敷设在保护层厚度不小于30 mm 的不燃性结构内。 所有电缆、保护管、桥架穿墙、楼板或穿井的位置必须进行防火封堵。

3.7 电力监控系统

为提高供配电系统安全可靠， 变电所内设置电力监控系统。电力监控系统采用电力智能仪表。通过智能仪表、通信网络和软件，管理人员可随时监控变电所高低压开关柜、变压器等供配电设备运行参数，及时掌握系统安全状态。 电力监控系统还具有电气火灾监控和报警等功能。 当设备发生故障或参数异常时，监控中心发出声光报警信号，提醒电气检修人员及时发现问题并能对事故进行处理。

3.8 防雷及接地

在中压开关进出线柜、计量柜内装设避雷器，以防止雷电波入侵及操作过电压。 低压配电系统主进线侧装设电涌保护器。低压配电系统接地采用TN-S系统。

洞外变电所按 《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）[4]要求，对变电所建筑物所设置防雷保护措施。 设置在隧道内的变电所不考虑防雷接闪装置。变电所建筑物保护接地和电气设备工作、保护接地、弱电系统共用1 套接地装置，接地电阻不大于1 Ω；当接地电阻不能满足要求时，应适当增加人工接地极。 变电所内所有电气装置可导电部分和装置外可导电部分均应可靠接地，实施总等电位联结。从变电所分别引出2 根40 mm×5 mm 接地扁钢， 并各自与隧道内电缆沟底的接地干线可靠连接。

隧道内的电缆桥架和电缆沟支架应与隧道内电缆沟底的接地干线可靠焊接，焊接处应做防腐处理。隧道内所有正常不带电的金属外壳、 金属构件均应可靠接地，接地点也应做防腐处理。隧道内利用机电工程设置的各种接地扁钢与土建工程结构内已有钢筋网、锚杆、型钢及钢管组成自然接地装置。

4 结语

随着我国城市的快速发展， 隧道的建设里程数也逐年大幅上升。 隧道供电系统直接关系到隧道的通风、消防、照明系统等用电设施运行状况与安全，因此其重要性愈加凸显。 在进行城市隧道供配电设计时，应以国家规范标准为设计的主要依据，根据当地供电部门标准和要求， 结合各专业提供的用电需求，设计出可靠、合理的隧道供配电系统。 从设计并已投运多年的隧道工程情况看， 其供配电系统均运行良好，总体设计合理。本文根据笔者以往设计经验对城市隧道供配电设计的主要内容和思路进行了概括和总结， 以期能为今后城市隧道供配电设计提供借鉴和参考。