特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

隧道是高速公路的重要組成部分,其供配電系統(tǒng)的安全可靠性直接影響到隧道區(qū)域的用電設(shè)備例如照明設(shè)備、信號(hào)設(shè)備等是否能夠正常運(yùn)作,車(chē)輛是否能夠平安順利地通過(guò)。尤其是在特長(zhǎng)隧道中,供配電系統(tǒng)方案的可靠性和安全性至關(guān)重要。隧道供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及其優(yōu)化也會(huì)對(duì)高速公路的工程投資和運(yùn)營(yíng)成本產(chǎn)生直接影響。

海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)高速公路網(wǎng)漳州至永安聯(lián)絡(luò)線起于國(guó)高廈成線海滄至天寶段,終點(diǎn)接國(guó)高泉南線永安段,并與海西網(wǎng)第四橫莆田至永定高速相交于漳平北。

漳永聯(lián)絡(luò)線經(jīng)過(guò)漳州華安縣、龍巖漳平市,是規(guī)劃的海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)"三縱八橫三環(huán)三十三聯(lián)"高速公路網(wǎng)中的一條區(qū)域聯(lián)絡(luò)線,對(duì)促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展將起到積極作用。

漳永聯(lián)絡(luò)線也是閩中和閩西北地區(qū)及江西、湖南等內(nèi)陸地區(qū)通往廈門(mén)、漳州沿海港口的便捷通道,是福建省沿海港口拓展內(nèi)陸腹地的一條快捷通道。作為海西區(qū)高速公路規(guī)劃網(wǎng)的組成部分,對(duì)完善海西高速公路網(wǎng),帶動(dòng)閩南、閩西北山區(qū)經(jīng)濟(jì)、旅游業(yè)的發(fā)展,增強(qiáng)國(guó)防交通保障能力等均具有重要意義。

本文的研究對(duì)象為海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)高速公路網(wǎng)漳州至永安聯(lián)絡(luò)線華安段,起點(diǎn)位于漳州市華安縣新圩鎮(zhèn)新圩互通終點(diǎn)K34＋300,沿線經(jīng)新圩、紅旗山、羅溪、華安縣城、草坂、石門(mén)、坪山村至項(xiàng)目終點(diǎn)西陂（漳州與龍巖交界處),順接漳永高速龍巖段起點(diǎn),路線全長(zhǎng)32.896km。結(jié)合西陂特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)的特點(diǎn),針對(duì)西陂特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)方案進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì),在不增加設(shè)備的基礎(chǔ)之上,通過(guò)對(duì)隧道供配電系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化,使得特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)的可靠性和安全性大大提升,以保障隧道運(yùn)營(yíng)的安全。

1特長(zhǎng)隧道中供配電系統(tǒng)的組成

根據(jù)對(duì)供電可靠性的要求以及中斷供電在政治、經(jīng)濟(jì)上所造成的影響,本工程設(shè)備負(fù)荷的分級(jí)如下:

(1）一級(jí)負(fù)荷:收費(fèi)島和收費(fèi)車(chē)道設(shè)備,各級(jí)通信系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、機(jī)房電源,場(chǎng)區(qū)泵房(消防用）和發(fā)電機(jī)房照明用電。

(2）二級(jí)負(fù)荷:收費(fèi)亭空調(diào)照明、服務(wù)區(qū)/停車(chē)區(qū)綜合樓照明、收費(fèi)站辦公樓照明等以及加油動(dòng)力。

(3)三級(jí)負(fù)荷:收費(fèi)廣場(chǎng)、場(chǎng)區(qū)路燈及廣告的照明,辦公樓、綜合樓空調(diào)用電,維修動(dòng)力、材料設(shè)備庫(kù)用電。

特長(zhǎng)隧道中部分重要電力負(fù)荷的分級(jí)如表1所示。

表1特長(zhǎng)隧道重要電力負(fù)荷分級(jí)表

1.1供配電照明系統(tǒng)

隧道供配電系統(tǒng)的重要組成部分之一就是供配電照明系統(tǒng),同時(shí)其也是整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的核心,必須要承擔(dān)起隧道24h供電照明的功能。在特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,首先要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行估算,基于安全性和可靠性原則設(shè)計(jì)供配電照明系統(tǒng),避免出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行的情況,一旦超負(fù)荷運(yùn)行,要及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù),以滿足整個(gè)系統(tǒng)的供電需求。特長(zhǎng)隧道供配電照明系統(tǒng)對(duì)于隧道供配電系統(tǒng)后期使用過(guò)程中的安全性影響非常大,若是設(shè)計(jì)不合理或照明出現(xiàn)故障很容易造成車(chē)禍的發(fā)生。

1.2供配電通風(fēng)系統(tǒng)

高速公路修建過(guò)程中大多需要穿過(guò)一些高山峻嶺,因而就會(huì)需要隧道,但是目前有些高速公路由于經(jīng)過(guò)的山體本身?xiàng)l件比較惡劣,從而導(dǎo)致隧道的環(huán)境非常閉塞,尤其是在特長(zhǎng)隧道中,這種缺點(diǎn)更為明顯。因而在隧道的設(shè)計(jì)中必須設(shè)計(jì)專門(mén)的通風(fēng)系統(tǒng),通常通風(fēng)系統(tǒng)是以電為動(dòng)力的,良好的通風(fēng)系統(tǒng)可以為隧道提供一個(gè)良好的內(nèi)部環(huán)境。供配電通風(fēng)系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)測(cè)、區(qū)域控制以及風(fēng)控系統(tǒng)三部分組成,其原理主要就是分析隧道中的C0濃度,當(dāng)其超標(biāo)時(shí),通過(guò)控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行使C0濃度降低,從而使得隧道中的有害氣體含量減少,以提供一個(gè)相對(duì)健康的隧道環(huán)境。

1.3消防設(shè)施系統(tǒng)及應(yīng)急電源

消防系統(tǒng)同樣也是特長(zhǎng)隧道的重要組成部分之一,在特長(zhǎng)隧道中,必須要根據(jù)隧道長(zhǎng)度的不同合理設(shè)計(jì)隧道緊急出口的數(shù)量,使隧道處于一個(gè)相對(duì)比較安全的環(huán)境。供配電系統(tǒng)中消防設(shè)施系統(tǒng)的設(shè)計(jì),首先要設(shè)計(jì)相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)備,配備適當(dāng)數(shù)量的消防管道,從而更好地保障隧道的消防安全。另外,在高速公路特長(zhǎng)隧道的設(shè)計(jì)中,必須合理設(shè)計(jì)應(yīng)急電源系統(tǒng),一旦出現(xiàn)故障立即采取緊急措施應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。

2西陂隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

特長(zhǎng)隧道中應(yīng)用的供配電形式主要有以下三種形式:

（1）放射式供電,供電的可靠性比較高,且一旦發(fā)生故障之后影響的范圍也會(huì)比較小,操作切換十分方便,自動(dòng)化控制程度比較高,其缺點(diǎn)是系統(tǒng)中的配電線路以及高壓開(kāi)關(guān)柜的數(shù)量會(huì)比較多:

(2）樹(shù)干式供電,配電線路以及高壓開(kāi)關(guān)柜的數(shù)量比較少,從而使得電纜成本降低,其缺點(diǎn)是一旦發(fā)生故障,對(duì)于整個(gè)供配電系統(tǒng)的影響比較大,因而在實(shí)踐中這種供配電形式可靠性會(huì)比較差:

(3）環(huán)形供電,這種供電形式電源獲取來(lái)源為兩個(gè),從而將整個(gè)供電網(wǎng)連接為一個(gè)環(huán)形,供電可靠性比較高,但其對(duì)于供電的切換比較難,十分復(fù)雜,對(duì)于地域的要求比較高,難以協(xié)調(diào)。

2.1供電方式

根據(jù)各隧道橫洞變電所的位置和用電負(fù)荷分布,西陂隧道1#橫洞變電所高壓采用兩路獨(dú)立10kV電源供電,2#和3#橫洞變電所采用一路10kV電源供電,每個(gè)橫洞變電所設(shè)一臺(tái)變壓器給隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)、燈具、監(jiān)控和消防等設(shè)備供電:對(duì)一級(jí)負(fù)荷中的高壓操作電源和電力監(jiān)控等特別重要負(fù)荷采用UPS作為低壓備用電源:對(duì)所有應(yīng)急照明等特別重要負(fù)荷,采用EPS作為低壓備用電源。

2.2設(shè)備選型

應(yīng)采用先進(jìn)、可靠、維護(hù)需求小的設(shè)備,并且為今后系統(tǒng)的擴(kuò)容留有余地。

高壓開(kāi)關(guān)柜采用鎧裝中置式交流金屬封閉開(kāi)關(guān)柜,配裝可抽式真空斷路器手車(chē),各開(kāi)關(guān)設(shè)備主要電氣元件都有其獨(dú)立的隔室,安裝方便,維護(hù)簡(jiǎn)單。

隧道變壓器選用樹(shù)脂絕緣SCB10型干式變壓器,帶IP20防護(hù)等級(jí)的鋁合金外殼、強(qiáng)迫風(fēng)冷(AF）及溫控、濕顯裝置(當(dāng)繞組溫度高于110℃時(shí),溫控箱啟動(dòng)風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷,若強(qiáng)迫風(fēng)冷下繞組溫度下降,低于90℃,風(fēng)機(jī)停止:若繞組溫度進(jìn)一步升高,溫控箱將發(fā)出超溫報(bào)警(155℃）或超溫跳閘信號(hào)(170℃））,低噪聲、低損耗、電氣強(qiáng)度高、難燃、不污染環(huán)境、防潮濕,可在100℃下安全運(yùn)行。

低壓柜采用GCK抽出式開(kāi)關(guān)柜。低壓開(kāi)關(guān)柜元器件配置除應(yīng)滿足本身監(jiān)控和控制要求外,還要滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)遙信、遙測(cè)和遙控的需求,以及隧道通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)集中控制功能的需要,并且預(yù)留電力監(jiān)控終端測(cè)控單元的安裝位置。

3西陂隧道供配電系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1）結(jié)合本隧道供電條件及電力部門(mén)有關(guān)用電管理的規(guī)定,對(duì)沿線的各個(gè)收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)區(qū)均設(shè)置一處10/0.4kV變電站。

(2）為保證重要負(fù)荷用電,按規(guī)范要求應(yīng)采用雙電源供電。但一般公路收費(fèi)站等設(shè)施大多遠(yuǎn)離城市,即使有不同來(lái)源的兩路電源,其可靠性也不一定很高,因此結(jié)合本路段的特點(diǎn),采用單路電源和高壓兩路電源進(jìn)線相結(jié)合的方式,箱變/變電所高壓側(cè)接單回路供電。

(3）為滿足部分設(shè)備對(duì)雙電源的要求,在單路電源供電的站區(qū)設(shè)置能在外電源斷電后自動(dòng)投入的高可靠性高壓兩路電源進(jìn)線。

(4）單路電源的變電站低壓側(cè)為單母線分段方式,將一般用電負(fù)荷集中在一段母線中饋出,這部分負(fù)荷沒(méi)有備用電源支持,將收費(fèi)站機(jī)房、通信站機(jī)房、監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備、收費(fèi)設(shè)備等重要負(fù)荷以及部分二級(jí)負(fù)荷集中在另一段母線饋出,該段母線的供電負(fù)荷能得到備用柴油發(fā)電機(jī)組的支持。

(5）為提供測(cè)量用電壓,提供測(cè)量表計(jì)用的電壓、保護(hù)用電壓,提供相關(guān)設(shè)備的操作和控制電源,在進(jìn)線點(diǎn)設(shè)置PT柜。PT柜是電壓互感器柜,一般在高壓系統(tǒng)中必須有一組PT柜,大多是直接裝設(shè)到母線上,以檢測(cè)母線電壓和實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能,主要就是起計(jì)量保護(hù)作用。高壓柜屏頂電壓小母線的電源就是由PT柜提供的。PT柜內(nèi)既有測(cè)量PT又有計(jì)量PT(原先都是要求測(cè)量PT和計(jì)量PT分開(kāi),因?yàn)橐?guī)范規(guī)定計(jì)量用互感器的等級(jí)要高于保護(hù)用互感器的等級(jí),但現(xiàn)在如沒(méi)有特殊要求也有不分開(kāi)的,可以共用）,都上屏頂?shù)碾妷盒∧妇€,為其他出線高壓柜提供測(cè)量、計(jì)量、保護(hù)用電源等。

4結(jié)語(yǔ)

特長(zhǎng)隧道供配電系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化一直以來(lái)都是相關(guān)學(xué)者和技術(shù)人員的研究熱點(diǎn),其安全性和可靠性是隧道能夠?qū)崿F(xiàn)良好運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。根據(jù)西陂特長(zhǎng)隧道實(shí)際運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)和供電需求,提出將雙電源供電設(shè)計(jì)優(yōu)化為備份方案,解決隧道供電的難題,使得特長(zhǎng)隧道可以安全、可靠地運(yùn)營(yíng),為之后的工作提供了更多可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。