高海拔公路特长隧道供电设计研究

厉红星, 高 婷, 李晓明

(中铁第六勘察设计院集团有限公司, 天津 300308)

0 引 言

随着我国公路网络向高海拔山区延伸,高海拔特长隧道数量越来越多,并且出现了一些海拔高度超过2 000 m的超长隧道。高海拔环境条件对供电设备的外绝缘和温升等方面均有较大影响。在高海拔山区,10 kV和35 kV配电网资源比较匮乏,隧道引接双电源的难度比较大。海拔高度越高,特长隧道供电系统设计难度越大。隧道供电系统可靠性影响隧道运营安全,很有必要进行特长隧道供电设计研究。

1 高海拔特长隧道供电设计重点和难点

高海拔地区公路特长隧道供电系统设计时,需重点研究高海拔环境条件对高压、低压电气设备选型影响和研究确定可靠性高、技术经济合理的隧道供电方案。考虑到高海拔山区10 kV和35 kV配电网资源比较匮乏,并且供电半径比较大,满足一级负荷的双重电源要求是特长隧道供电设计主要难点。

1.1 高海拔环境条件对供电设备影响分析

1.1.1 中压开关柜

当海拔超过1 000 m时,由于空气稀薄、气压低,使电气设备外绝缘和空气间隙的放电电压降低。依据“巴申定律”,均匀电场气体击穿电压Ub是气压和间隙乘积的函数[1]。

Ub=f(pd)

(1)

式中:p——气压;

d——间隙。

击穿电压曲线如图1所示。

由图1可知:在高海拔低气压环境条件下,空气间隙的击穿电压值降低。为提高外绝缘强度,可采取增大空气间隙的措施。

对于以空气为绝缘介质的中压开关柜,当使用地点海拔与试验地点海拔不同时,试验电压(工频耐受电压和雷电冲击耐受电压)的海拔修正系数[2]为

(2)

式中:H2——产品使用地点海拔高度;

H1——产品试验地点海拔高度。

由式(2)可知:相对于基准海拔,使用地点海拔越高,海拔修正系数越大,工频耐受电压和雷电冲击耐受电压试验值越高。

因此,使用在高海拔地区的空气绝缘10 kV或35 kV开关柜外形尺寸一般比较大,确定变电所房间尺寸时需考虑此情况。

另外,需要考虑高原环境条件对中压开关柜的温升影响。海拔增高,空气密度降低,使以空气对流为主要散热方式的产品散热困难,温升增加。海拔增高,环境温度降低,可部分或全部补偿因海拔升高所引起的产品温升的增加值。补偿程度需视产品的散热特点和环境温度而定。如果高海拔地区环境温度降低值可以全部补偿产品散热不良而引起的温升增加值,则使用在高海拔地区的产品额定容量或额定电流值可以保持不变;否则,应降低容量使用或增加散热措施。

1.1.2 干式配电变压器

为满足防火要求,公路隧道地下变电所内的配电变电器一般选用干式变压器。使用在高海拔地区时,应对配电变压器的额定短时外施耐受电压值和绕组温升限值进行修正。

(1) 额定短时外施耐受电压值修正方法:当变压器在海拔1 000～4 500 m之间运行,而试验在其他海拔地点进行时,试验电压应乘以修正系数[3]

(3)

式中:Tcf1——安装地点海拔修正系数;

Tcf2——试验地点海拔修正系数。

海拔1 000～4 500 m之间的安装地点海拔修正系数和试验地点海拔修正系数[3]如表1所示。

表1 海拔1 000～4 500 m之间的安装地点海拔修正系数和试验地点海拔修正系数

(2) 绕组温升限值修正方法:当变压器在海拔超过1 000 m处运行,而试验在正常海拔处进行时,如果厂家与用户之间无另外协议,温升限值应根据运行地点海拔超过1 000 m的部分,每100 m为一级,按下列数值相应降低[3]:自冷式变压器为0.5%;风冷式变压器为1%。

1.1.3 柴油发电机组

由于特长隧道的机电负荷总容量较大,并且供电半径比较大,应用在特长隧道工程中的发电机组一般选用10 kV柴油发电机组。

柴油发电机组输出额定功率的标准基准条件[4]为:绝对大气压力100 kPa;环境温度298 K;空气相对湿度30%。在高海拔地区,应根据发电机组厂家提供的海拔修正系数进行计算实际输出功率(实际功率=额定功率×修正系数)。

1.1.4 低压开关柜

常规型低压成套开关柜使用在海拔2 000 m及以下地区。高海拔地区空气密度低,海拔超过2 000 m后,开关设备内部的绝缘和耐压水平、开关设备的散热能力都随着海拔的增加而降低。

采用空气绝缘的低压开关柜,其电气间隙应根据海拔高度进行修正,电气间隙的海拔修正系数如表2表示。

表2 电气间隙的海拔修正系数

因此,使用在海拔2 000 m以上地区的空气绝缘开关柜外形尺寸会增大,会影响变电所房间内的设备布置。

在高原环境条件下,低压成套开关设备的工频耐受电压和雷电冲击耐受电压海拔修正系数按式(2)计算。

另外,由于高海拔地区的空气对流散热能力降低,需要考虑高原环境条件对低压开关柜的温升影响,低压开关设备需要降低容量使用。

1.2 高海拔特长隧道外部电源方案分析

公路特长隧道机电设施负荷分级中,消防水泵、排烟风机等为一级负荷,应急照明、电光标志、交通监控设施、通风及照明控制设施、火灾检测与报警设施、中央控制设施等为一级负荷中的特别重要负荷[5]。

依据国家标准要求,一级负荷应由双重电源供电,当一个电源发生故障时,另一个电源不应同时受到损坏[6]。对于一级负荷中的特别重要负荷,除双重电源供电外,尚应增设应急电源供电。

考虑外部电源方案时,需优先考虑引接双市电的方案,当隧道周边中压电网供电条件有限时(很难满足隧道的双电源需求),可考虑采用“一路市电+10 kV柴油发电机组”的方式供电。

另外,考虑外部电源引入方案时,应统筹考虑施工临时用电与运营永久用电需求,做到10 kV或35 kV外部电源一次建设到位,减少不必要的重复建设,节省工程投资。

综合考虑上述因素,高海拔公路特长隧道供电的外部电源引入方案主要有5种类型。隧道供电电源方案如表3所示。

表3 隧道供电电源方案

需根据隧道工程所在地的周边配电网情况、隧道用电负荷总容量、外电线路敷设距离及外电线路费用等,确定可靠性高、技术经济合理的外电方案。

2 特长隧道供电系统方案研究

依据隧道长度、用电负荷总容量和外部电源方案,确定整个隧道供电系统方案,满足隧道机电设施的用电需求。隧道机电设施在隧道内纵向线形分散布置,由于变电所宜接近负荷中心[7],需在隧道内分布设置地下10/0.4 kV变电所。

2.1 双市电单端引入隧道供电方案

当隧道进口端或出口端的周边配电网仅其中一端可引接双电源时,采用双市电单端引入隧道供电方案。

(1) 10 kV双重电源单端引入隧道供电方案:隧道内10 kV电缆线路末端电压偏差不超过±7%时,可采用此隧道供电方案。隧道供电方案一如图2所示。

供电系统运行方式:10 kV双电源同时供电,互为备用,并设置备用电源自动投入装置。

(2) 35 kV双重电源单端外引隧道供电方案:35/10.5 kV变电站设置在隧道洞口外附近位置,隧道供电方案二如图3所示。

供电系统运行方式:35 kV双电源同时供电,互为备用;35 kV侧和10 kV侧均设置备用电源自动投入装置。

2.2 双市电两端引入隧道供电方案

当隧道进口端和出口端的周边配电网均可引接一路中压电源,并且两路电源满足双重电源要求时,采用双市电两端引入隧道供电方案。

(1) 10 kV双重电源两端引入隧道供电方案:隧道内10 kV电缆线路末端电压偏差不超过±7%时,可采用此隧道供电方案。隧道供电方案三如图4所示。

供电系统运行方式:10 kV双电源同时供电,互为备用,并设置备用电源自动投入装置。

(2) 35 kV双重电源两端外引隧道供电方案:35/10.5 kV变电站设置在隧道洞口外附近位置。隧道供电方案四如图5所示。隧道供电方案五如图6所示。

供电方案四的运行方式:35 kV双电源同时供电,互为备用;35 kV侧和10 kV侧均设置备用电源自动投入装置。供电方案五的运行方式:35 kV双电源同时供电;10 kV侧设置备用电源自动投入装置。

隧道供电方案四与方案五的主要区别为:供电方案四中,采用设置35 kV联络电缆方式满足整条隧道的双重电源供电要求;供电方案五中,采用两端10 kV环网线路在隧道中间联络方式满足整条隧道的双重电源供电要求。

2.3 单市电单端引入隧道供电方案

当隧道进口端和出口端的周边配电网仅可引接一路中压电源时,采用单市电单端引入隧道供电方案。

(1) 10 kV单电源单端引入隧道供电方案:在隧道洞口外附近设置10 kV柴油发电站,与10 kV市电组成双重电源,满足整条隧道的供电可靠性需求。隧道供电方案六如图7所示。

供电系统运行方式:正常情况下,10 kV市电供电;当10 kV市电失电时,自动启动10 kV柴油发电机组进行供电。

(2) 35 kV单电源单端外引隧道供电方案:35/10.5 kV变电站设置在隧道洞口外附近位置,并在隧道洞口外附近设置10 kV柴油发电站。隧道供电方案七如图8所示。

供电系统运行方式:正常情况下,35 kV市电供电;当市电失电时,自动启动10 kV柴油发电机组进行供电。

2.4 单市电两端引入隧道供电方案

当隧道长度L>5 km,并且隧道进口端和出口端的周边配电网仅可引接一路35 kV电源或两端可引接35 kV双回路(不满足双重电源要求)时,可采用单市电两端引入隧道供电方案,并在隧道两端洞口外附近分别设置10 kV柴油发电站。隧道供电方案八如图9所示。

供电系统运行方式:正常情况下,35 kV市电供电;当市电失电时,自动启动10 kV柴油发电机组进行供电。

2.5 高海拔特长隧道供电系统方案选择

确定隧道供电系统方案时,需依据外部电源情况、隧道长度、用电负荷位置和功率值等,进行综合考虑,采用可靠性高、技术经济合理的隧道供电方案。

(1) 外部电源:高海拔山区10 kV或35 kV配电网资源一般比较缺乏,并且供电半径比较大(部分地区10 kV线路需架设10 km以上,35 kV线路需架设30 km以上)。

(2) 用电负荷分布情况:隧道照明负荷和弱电系统负荷在隧道全长度范围内线形分布;隧道动力负荷以通风排烟风机为主,风机负荷分布情况与隧道通风方式直接相关。

我国高速公路隧道运营通风以纵向通风方式为主,特长隧道长度L≤5 km时,一般采用全射流纵向通风方式;隧道长度L>5 km时,一般采用“通风井送排式+射流风机”组合式纵向通风方式。隧道长度5 km16 km时,设置的通风井数量≥3座。

隧道射流风机额定功率一般为30 kW或37 kW/台,相对集中分布在洞口段和中间段区域(部分特长隧道仅在洞口段布置射流风机);在通风井地面或地下风机房内,一般设置多台大功率风机(额定功率≥200 kW/台)。特长隧道风机负荷容量在隧道用电负荷总容量中占有较大比例,对隧道供电系统方案影响比较大。

综合考虑上述条件,提出特长隧道供电系统基本方案的选择原则,特长隧道供电系统方案如表4所示。

表4 特长隧道供电系统方案

3 高海拔特长隧道案例研究

本文以G7611线昭通至西昌段高速公路工程中的贡觉高山隧道为例进行高海拔公路特长隧道供电设计分析研究。贡觉高山隧道长度约为12 km,进口端(小里程端)的海拔高度约为2 690 m,出口端(大里程端)的海拔高度约为2 610 m,1#通风斜井洞口地面风机房的海拔高度约为2 980 m,2#通风斜井洞口地面风机房的海拔高度约为2 800 m。隧道用电设备类型主要有射流风机、10 kV轴流风机、消防水泵、照明灯具和监控设备等。

隧道运营外部电源考虑与隧道施工用电“永临结合”。结合沿途电网实际情况,输电线路在隧道施工开工前按永久性线路一次架设完成,隧道施工完成后,作为隧道运营永久性用电线路。综合考虑施工用电量和运营用电量情况,隧道外部电源电压等级为35 kV,分别在隧道进口端、出口端、1#斜井地面、2#斜井地面设置35/10.5 kV变电站。隧道变电所布置图如图10所示。

3.1 外部电源引接方案

经与当地电力部门对接外电引入事项,仅可以从“解放沟变电站”和“普诗变电站”引接电源。从110 kV“解放沟变电站”架设一路35 kV专线至贡觉高山隧道进口端35/10.5 kV变电站,并架设至1#斜井地面35/10.5 kV变电站;从35 kV“普诗变电站”架设一路 35 kV专线至贡觉高山隧道出口端35/10.5 kV变电站,并架设至2#斜井地面35/10.5 kV变电站,如图10所示。由于35 kV“普诗变电站”的35 kV进线引自110 kV“解放沟变电站”,并且110 kV“解放沟变电站”仅有1路110 kV电源进线,引至贡觉高山隧道的两路35 kV外电线路无法满足贡觉高山隧道的双重电源需求。

为保证隧道运营用电可靠性,需在隧道进口端、出口端、1#斜井地面、2#斜井地面分别设置10 kV柴油发电机组。

3.2 隧道供电系统方案

(1) 隧道变电所布置:在隧道内部,分布设置7座10/0.4 kV变电所;在隧道进口端、出口端、1#斜井地面、2#斜井地面分别设置有10 kV变配电所。

(2) 隧道供电系统主接线:隧道供电系统主接线方案为“单市电两端引入隧道供电方案”,即采用图9中所示的“隧道供电方案八”。

供电系统运行方式:正常情况下,有35 kV外电线路经变电站降压为10 kV给隧道供电;当35 kV外电线路失电时,由10 kV柴油发电机组给隧道供电,满足隧道供电的双电源要求。

经计算,4#地下变电所的10 kV线路末端在最不利工况时(隧道左线或右线10 kV电缆断电)的电压偏差值为-2.52%,满足规范要求;5#地下变电所的10 kV线路末端在最不利工况时的电压偏差值为-1.87%,满足规范要求。1#斜井地面和2#斜井地面的35/10.5 kV变电站均靠近地面轴流风机房,10 kV线路末端电压偏差值很容易满足规范要求。

3.3 主要供电设备选型

由于本隧道海拔高度为2 600～3 000 m,需按海拔分级3 000 m(G3)选用高原型供电设备。10 kV开关柜选用KYN28A-12空气绝缘开关柜,外形尺寸为1 m(宽)×1.5 m(深)×2.4 m(高);10/0.4 kV变压器采用SCBH15型非晶合金干式变压器,正常运行负载率为50%左右;0.4 kV开关柜采用抽屉式开关柜,断路器等开关电器设备降低容量使用,柜体外形尺寸为0.8 m(宽)×1 m(深)×2.2 m(高);柴油发电机组选用配套涡轮增压发动机的10 kV柴油发电机组,功率海拔修正系数取值为0.8。

4 结 语

通过分析了高海拔环境条件对供电设备的影响,研究了特长隧道供电方案的基本类型,并分析了高海拔特长隧道供电系统设计实例,得出以下结论:

(1) 在高海拔地区,尤其海拔高度超过2 000 m时,需对高压电器和低压电器设备技术参数进行修正;采用空气绝缘的中压和低压开关柜外形尺寸一般比较大。

(2) 用于高海拔特长公路隧道供电时,柴油发电机组宜选用涡轮增压型10 kV柴油发电机组,并对实际输出功率进行海拔修正。

(3) 长度3～5 km特长隧道,推荐采用10 kV市电单端或两端引入隧道供电方案;长度5～8 km特长隧道,推荐采用10 kV或35 kV市电两端引入隧道供电方案;长度大于8 km特长隧道,推荐采用35 kV市电两端引入隧道供电方案。