高速公路特长隧道供电照明通风系统的优化配置研究

张磊

（贵阳电气控制设备有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 引言

在高速公路特长隧道的供配电系统、隧道照明、通风系统配置设计中，首要考虑的是安全、高效、低成本等要素。设计工作较为复杂，既要保证符合国家规范要求，还要保证车辆行驶、施工的安全。为此，通过研究高速公路特长隧道供电照明通风系统的优化配置，从供电、照明、通风系统三个角度分析，为高速公路特长隧道的施工设计指明优化方向。

1 供电系统优化配置分析

供电是高速公路建设完毕后的重要研究内容，供电系统的建设需要遵循安全、经济等原则。为了保证高速公路的稳定安全，要加强对外接电源供电、内部供电的研究，编制科学有效的方案，才能符合配置优化的要求。

1.1 外接电源供电

结合实际情况来看，高速公路供配电较为复杂，且目前采用的供配电方式大部分为传统方案，通过建设十余座变电站来满足公路的电能需求。在电能供应方面，部分高速公路选择外部电源接引的方式，将农电电网作为基础接入电网，并以柴油发电机来充当应急电源。虽然能够降低经济成本，但是在运营和维护方面较为困难。再加上大部分变电所长期无人监管，导致电网电压不稳、安全隐患极大。采用这种过于传统的方案，无法满足当前高速公路特长隧道的电源需求，还为人力、资源带来很大的压力。所以需要加强设计优化，通过外接电源供电，采取集中式供电模式，可以有效替代传统模式，并在安全、经济、性能等方面高于传统模式。

在外部电源接引设计中，首先，可以结合当地的停车、服务、收费、隧道等不同功能区块的需求及供电点分布进行全面考察，制定综合性方案，确定最佳供电电源坐标；其次，将不同区块科学划分为数个集中供电区，通过专线接引调动地方电网电能，建立不同功率的变配电所，利用中压电能传输方法为不同功能区提供电能。采用这种方式，相较于传统模式，具有安全性高、成本低、运行维护简单、电压稳定安全、便于管理等优势。

1.2 内部供电

目前中压电能传输是我国大部分高速公路特长隧道所提倡的传输模式，相较于传统模式而言，中压电能传输有成本低、耗能少、便于运营维护等优势，不仅能够降低特长隧道供电的难度，还能解决电能传输技术水平低的问题。

1.2.1 中压电能传输系统

中压电能传输系统指的是10kV 的配电网电压，通过将电能传输至负荷点，利用埋地式的变压器，把电源和电压逐步转换为设备需要的电压，从而就近为设备供电。在电能配置工程中，大部分特长隧道出于经济等方面考虑，都会加大低压的传输距离。在实际工程中，可以缩短0.4kV 的低压传输距离，并将电压上升至10kV，采用相同的电缆线，减少电流损失，并延伸电路线，缩短配电距离。同时，隧道洞口等照明区域在500m 左右设置埋地式变压器、变电所，实现供电方案的优化。

1.2.2 中压电能传输系统的构成

传输系统是决定电压、电能稳定供应的关键，中压电能传输系统的构成装置主要包含了10kV 的配电装置、10kV 的电力输送线路以及10kV/0.4kV 的埋地式变压器。同时，在线路输送容量条件充分的情况下，可以配置10kV 地式分路器、0.4kV 配电箱等，有效优化中压电能传输系统。

1.2.3 中压电能传送系统的设备与技术

传输设备及技术需要按照高速公路隧道的电能负荷情况来划分。在传统配电中，需要考量未来的备用容量，所以增加了建设的成本。但是采用中压电能系统，无须过多考虑备用容量，因为系统在容量及线路方面有延伸性，通过加强布点，可以解决类似问题。

在划分供电区块方面，以往多是根据0.4kV、500m 左右传输距离划分。采用中压电能传输，可以采用10kV 电缆，为通风机和照明分别提供电能。例如，在为射流风机供电时，分别设置小容量的埋地式变压器，提供专用供电电源。并在隧道的不同阶段各配置1 台埋地式变压器，距离为500m 左右，为隧道的灯具提供电能。选择埋地式变压器是因为其具有防水、防火、防爆炸等多种特性，相较于传统的箱式、干式变压器，可以最大化满足超长隧道的要求。

1.2.4 中压电能系统的优势

中压电能系统主要在技术和经济方面具有优势。应用在高速公路特长隧道中，相较于传统0.4kV 设备，绝缘效果更佳，有效降低设备故障出现的频次。同时，中压电能系统通过减少输电电缆的截面，增加连接的便利性，减少对资源的消耗，并在电能质量、安全性、灵活性等方面更有优势。在经济性方面，相较于传统供配电系统，能够减少电缆截面、变电所数量，所以减少了很大一部分的成本、运营、维护等方面的费用。

同时，在运行管理过程中，中压电能传输系统属于新型、环保、低能耗的工程配置方案，解决了传统系统布线困难、能耗大等问题。

2 照明系统优化配置分析

照明系统是高速公路特长隧道必不可少的内容，相较于常规隧道照明，在设计、安全、亮度、适应性等方面有更高的要求。结合当前高速公路隧道的施工标准，考虑到眩光性、照明度、路面亮度的均匀性等要素，采用绿色照明设计最符合特长隧道照明系统的配置需求。

2.1 特长隧道照明的最佳配光

结合某高速公路特长隧道建设来看，在不同的隧道阶段采用了宽光带照明、逆光照明、普通照明三种照明方案。通过研究不同的照明方案在路面和墙面的平均亮度、失能眩光增量、平均照度得出结果，宽光带照明是特长隧道照明的最佳配光，在亮度、功率方面都有极大的优势，并且采用宽光带照明后，可以容许隧道内使用高反射性材料装饰，在安全、性能、经济、美观等方面具有优势。

2.2 特长隧道内的照明器

在高速公路特长隧道中，照明器的灯具选择、附件选择、光源等都是关系照明效果的关键。首先，所有光源的特性和性能都不同。在大部分情况下，光源是体现绿色照明高效节能的关键，要依据发光效率、显色性、调光性等多种参数使用光源。高速公路的超长隧道大部分会选择无极灯、荧光灯、低压钠灯等灯具，不同的灯具光源有不同的优势和劣势。例如，低压钠灯虽然光效较好，但是在寿命、显色性等方面稍差；荧光灯的寿命及光效较好，且显色性高，经常被应用在高速公路、标志灯等方面；无极灯是近年来研究出的较为新颖的灯具，有环保节能、显色安全、使用寿命长等优点，可以取代部分隧道用灯，提升隧道通行的安全性。

结合高速公路特长隧道的照明要求、标准等相关内容来看，大部分工程对灯具的安全性、使用寿命、性能、节能效果等都有较高的要求。采用无极灯可以有效满足以上要求。主要体现在：无极灯的灯管无丝，不会出现因发黑、断丝等报废的问题；灯管采用硬玻璃，气密性良好，光衰率低，有超长的使用寿命；闪烁是很多灯具都无法避免的问题，但是无极灯采用了有源功率因数校正电路，光通量波动深度较低，无闪烁，相较于荧光灯等灯具，是一种舒适、健康的光源；在节能、电压范围、显色性等方面，因为采用了APFC 电路，电压范围为85～277V，应用三基色荧光粉，相较于其他光源，具有更强的优势。

选择灯具电器附件需要充分考虑节能，其中整流器对节能效果的影响最大。随着绿色照明施工要求的提升，电力学进入光源领域后，使用电子整流器替代电感整流器已经成为趋势。一般情况下电源使用的额定功率在15%～20%之间。电子整流器相较于电感整流器，具有稳定、功率小、低温节能、噪声低、可调光等特点，是推进绿色照明优化的关键。

2.3 特长隧道照明的最佳计算行车速度

行车速度是高速公路隧道照明配置优化非常关键的参数，对整体照明系统的运营和投资成本影响很大。国外曾经对此做过研究，在其他参数相同的情况下，随着高速公路的车速标准、长度提升，设备费用也会相应提升，所需的电能量也会增加。

结合相关研究实践来看，在通过隧道的过程中，大部分车速会下降30%左右，而这一现象对隧道照明的配置影响也非常大。例如，在我国某高速公路超长隧道中，全路段车速为100km/h，相应的照明设计也会按照100km/h 进行配置，灯具一般为400W，距离1m。全部开启后，隧道内的灯具亮度将会超过隧道外的露天亮度。在常规情况下，运营单位仅开启应急、基本照明回路，就可以满足车辆安全运行的需求。因为灯具过多，所以理论负载、电缆截面都会加大，而大部分灯具处于长期闲置状态，造成了严重的资源和资金浪费。

基于此，应当加强隧道照明计算行车速度的优化，采用最佳车速计算。在公路的主线设计中，设计车速为100km/h，照明设计的车速计算就应当降低一个档次，如采用80km/h，不能超过此档次设计。如果主线的行车速度设计为80km/h 或60km/h，需要考虑隧道车流量、小型车速度等多种因素，所以行车速度应当保持当前档次，不应当降低速度档次，并采取主线路段设计作为隧道照明的最佳车速设计。

2.4 照明控制方式

高速公路超长隧道的照明控制方式主要包含了亮度、照明要求、节能等要素。应当符合相关标准要求及运营维护费用要求，优化照明的控制方式。

结合我国当前隧道照明的实际情况，主要分为两种方式：第一种是根据基本亮度需求，全程布置隧道，将回路分为基本、应急回路两种：第二种是根据加强照明需求，将附加灯具划分为多个独立的回路小组，并结合具体情况排列布置，从而满足不同区段的亮度需求。在很多高速公路隧道设计中，为保证照明控制方式的优化，采取第一种与第二种方式穿插的形式。根据隧道外亮度的变化来划分照明的控制等级，分别接通及关闭不同回路控制隧道内的亮度效果。并且在隧道内的车流量减少时，大部分隧道采用交错间隔的方式开启单侧灯具，有效保证行车安全。

所以，应当结合具体特点，根据隧道内的灯具亮度来控制，减少部分灯具的亮度，从而降低能耗，同时确保隧道内亮度的均匀性，加强智能化系统控制。结合我国当前高速公路特长隧道的照明控制方式来看，目前先进的技术主要采用感光电池、电子整流器以及电位器等来配置智能化灯具系统。高速公路超长隧道通过应用分布式的智能照明控制系统，实现以计算机网络计算为基础的全智能化、数字化系统，通过光纤技术控制信号，实现远程控制。

3 通风系统优化配置分析

3.1 特长隧道的火灾特征

高速公路特长隧道通风系统的作用在于将隧道内的污染物、有害气体浓度降低到安全浓度以下，确保车辆行驶的安全性与舒适度，保持隧道的空气质量。在设计通风系统的过程中，需要考虑通风效果、土建费用、设备投入等多种因素，并以防火防灾思想为原则。制约设计优化的关键因素在于经济成本，相较于普通隧道，特长隧道的通风设计可占据施工成本的30%，且后期的运行维护成本更高。为此，需要设计一个科学经济的方案，既满足功能需求，还要尽量减少经济成本的投入。

结合实际情况来看，隧道机械投入成本和隧道长度有直接关系，所以特长隧道的通风设计应当根据隧道的具体情况，结合国家施工标准，采取实用、经济的方案。目前我国大部分高速公路特长隧道采取的是半横向、全横向、分段纵向等通风模式。不同的模式有不一样的优缺点。例如，分段纵向通风模式，后期运营维护费用少、土建施工少，可选方案多，但是防火防灾性能低。随着高速公路隧道通风系统的不断完善，当前我国大部分公路隧道都采用纵向通风模式，主要包括射流风机、竖井送风，加强防火救灾设计，可以有效优化通风配置。

3.2 火灾事故的通风

特长隧道的火灾事故通风较为复杂，因为隧道距离长、空间有限，很容易发生交通事故和车辆起火。所以，火灾事故通风要目的明确：一方面，要求人员能够及时逃生，避免事故现场气体的扩散；另一方面，要避免火灾烟气进入相邻隧道与人行横道。在设计通风系统的过程中，要充分考虑不同阶段的风速、风向。例如，在人员撤离阶段，风速要从正常通风改为事故通风；在消防灭火阶段，要求人员撤离完毕后，及时进行灭火，风机吹向要与自然风相同。合理的设计可以为扑救火灾事故创造最大的便利条件，从而保障人员和财产的安全。

4 结语

综上所述，在加快城镇建设的背景下，随着高速公路隧道建设水平逐步提升，隧道建设要求也在不断提高。特长隧道相较于普通隧道在配置方面更加复杂，所以需要加强对施工方案的设计优化。从供电系统、照明系统以及通风系统三个角度出发，分别探讨供电系统的内外部电源、供电，照明系统的最佳配光、照明器、照明控制方式、最佳计算行车速度，通风系统的火灾特征、事故通风等。结合实际情况，研究高速公路特长隧道供电照明通风系统的优化配置，希望为高速公路特长隧道的配置指明优化方向，促进施工建设安全、科学、经济发展。