特长隧道供配电系统方案优化设计

引言

隧道是高速公路的重要组成部分,其供配电系统的安全可靠性直接影响到隧道区域的用电设备例如照明设备、信号设备等是否能够正常运作,车辆是否能够平安顺利地通过。尤其是在特长隧道中,供配电系统方案的可靠性和安全性至关重要。隧道供配电系统的设计方案及其优化也会对高速公路的工程投资和运营成本产生直接影响。

海峡西岸经济区高速公路网漳州至永安联络线起于国高厦成线海沧至天宝段,终点接国高泉南线永安段,并与海西网第四横莆田至永定高速相交于漳平北。

漳永联络线经过漳州华安县、龙岩漳平市,是规划的海峡西岸经济区"三纵八横三环三十三联"高速公路网中的一条区域联络线,对促进区域经济发展将起到积极作用。

漳永联络线也是闽中和闽西北地区及江西、湖南等内陆地区通往厦门、漳州沿海港口的便捷通道,是福建省沿海港口拓展内陆腹地的一条快捷通道。作为海西区高速公路规划网的组成部分,对完善海西高速公路网,带动闽南、闽西北山区经济、旅游业的发展,增强国防交通保障能力等均具有重要意义。

本文的研究对象为海峡西岸经济区高速公路网漳州至永安联络线华安段,起点位于漳州市华安县新圩镇新圩互通终点K34＋300,沿线经新圩、红旗山、罗溪、华安县城、草坂、石门、坪山村至项目终点西陂（漳州与龙岩交界处),顺接漳永高速龙岩段起点,路线全长32.896km。结合西陂特长隧道供配电系统的特点,针对西陂特长隧道供配电系统方案进行了进一步的优化设计,在不增加设备的基础之上,通过对隧道供配电系统的进一步优化,使得特长隧道供配电系统的可靠性和安全性大大提升,以保障隧道运营的安全。

1特长隧道中供配电系统的组成

根据对供电可靠性的要求以及中断供电在政治、经济上所造成的影响,本工程设备负荷的分级如下:

(1）一级负荷:收费岛和收费车道设备,各级通信系统、收费系统、监控系统设备、机房电源,场区泵房(消防用）和发电机房照明用电。

(2）二级负荷:收费亭空调照明、服务区/停车区综合楼照明、收费站办公楼照明等以及加油动力。

(3)三级负荷:收费广场、场区路灯及广告的照明,办公楼、综合楼空调用电,维修动力、材料设备库用电。

特长隧道中部分重要电力负荷的分级如表1所示。

表1特长隧道重要电力负荷分级表

1.1供配电照明系统

隧道供配电系统的重要组成部分之一就是供配电照明系统,同时其也是整个机电系统的核心,必须要承担起隧道24h供电照明的功能。在特长隧道供配电系统的设计中,首先要对系统运行过程中的实际负荷进行估算,基于安全性和可靠性原则设计供配电照明系统,避免出现超负荷运行的情况,一旦超负荷运行,要及时调整系统的参数,以满足整个系统的供电需求。特长隧道供配电照明系统对于隧道供配电系统后期使用过程中的安全性影响非常大,若是设计不合理或照明出现故障很容易造成车祸的发生。

1.2供配电通风系统

高速公路修建过程中大多需要穿过一些高山峻岭,因而就会需要隧道,但是目前有些高速公路由于经过的山体本身条件比较恶劣,从而导致隧道的环境非常闭塞,尤其是在特长隧道中,这种缺点更为明显。因而在隧道的设计中必须设计专门的通风系统,通常通风系统是以电为动力的,良好的通风系统可以为隧道提供一个良好的内部环境。供配电通风系统主要由环境监测、区域控制以及风控系统三部分组成,其原理主要就是分析隧道中的C0浓度,当其超标时,通过控制风机的运行使C0浓度降低,从而使得隧道中的有害气体含量减少,以提供一个相对健康的隧道环境。

1.3消防设施系统及应急电源

消防系统同样也是特长隧道的重要组成部分之一,在特长隧道中,必须要根据隧道长度的不同合理设计隧道紧急出口的数量,使隧道处于一个相对比较安全的环境。供配电系统中消防设施系统的设计,首先要设计相应的通风设备,配备适当数量的消防管道,从而更好地保障隧道的消防安全。另外,在高速公路特长隧道的设计中,必须合理设计应急电源系统,一旦出现故障立即采取紧急措施应对突发状况。

2西陂隧道供配电系统设计方案

特长隧道中应用的供配电形式主要有以下三种形式:

（1）放射式供电,供电的可靠性比较高,且一旦发生故障之后影响的范围也会比较小,操作切换十分方便,自动化控制程度比较高,其缺点是系统中的配电线路以及高压开关柜的数量会比较多:

(2）树干式供电,配电线路以及高压开关柜的数量比较少,从而使得电缆成本降低,其缺点是一旦发生故障,对于整个供配电系统的影响比较大,因而在实践中这种供配电形式可靠性会比较差:

(3）环形供电,这种供电形式电源获取来源为两个,从而将整个供电网连接为一个环形,供电可靠性比较高,但其对于供电的切换比较难,十分复杂,对于地域的要求比较高,难以协调。

2.1供电方式

根据各隧道横洞变电所的位置和用电负荷分布,西陂隧道1#横洞变电所高压采用两路独立10kV电源供电,2#和3#横洞变电所采用一路10kV电源供电,每个横洞变电所设一台变压器给隧道内风机、灯具、监控和消防等设备供电:对一级负荷中的高压操作电源和电力监控等特别重要负荷采用UPS作为低压备用电源:对所有应急照明等特别重要负荷,采用EPS作为低压备用电源。

2.2设备选型

应采用先进、可靠、维护需求小的设备,并且为今后系统的扩容留有余地。

高压开关柜采用铠装中置式交流金属封闭开关柜,配装可抽式真空断路器手车,各开关设备主要电气元件都有其独立的隔室,安装方便,维护简单。

隧道变压器选用树脂绝缘SCB10型干式变压器,带IP20防护等级的铝合金外壳、强迫风冷(AF）及温控、湿显装置(当绕组温度高于110℃时,温控箱启动风机强迫风冷,若强迫风冷下绕组温度下降,低于90℃,风机停止:若绕组温度进一步升高,温控箱将发出超温报警(155℃）或超温跳闸信号(170℃））,低噪声、低损耗、电气强度高、难燃、不污染环境、防潮湿,可在100℃下安全运行。

低压柜采用GCK抽出式开关柜。低压开关柜元器件配置除应满足本身监控和控制要求外,还要满足电力监控系统遥信、遥测和遥控的需求,以及隧道通风监控系统集中控制功能的需要,并且预留电力监控终端测控单元的安装位置。

3西陂隧道供配电系统方案优化设计

(1）结合本隧道供电条件及电力部门有关用电管理的规定,对沿线的各个收费站和服务区区均设置一处10/0.4kV变电站。

(2）为保证重要负荷用电,按规范要求应采用双电源供电。但一般公路收费站等设施大多远离城市,即使有不同来源的两路电源,其可靠性也不一定很高,因此结合本路段的特点,采用单路电源和高压两路电源进线相结合的方式,箱变/变电所高压侧接单回路供电。

(3）为满足部分设备对双电源的要求,在单路电源供电的站区设置能在外电源断电后自动投入的高可靠性高压两路电源进线。

(4）单路电源的变电站低压侧为单母线分段方式,将一般用电负荷集中在一段母线中馈出,这部分负荷没有备用电源支持,将收费站机房、通信站机房、监控外场设备、收费设备等重要负荷以及部分二级负荷集中在另一段母线馈出,该段母线的供电负荷能得到备用柴油发电机组的支持。

(5）为提供测量用电压,提供测量表计用的电压、保护用电压,提供相关设备的操作和控制电源,在进线点设置PT柜。PT柜是电压互感器柜,一般在高压系统中必须有一组PT柜,大多是直接装设到母线上,以检测母线电压和实现保护功能,主要就是起计量保护作用。高压柜屏顶电压小母线的电源就是由PT柜提供的。PT柜内既有测量PT又有计量PT(原先都是要求测量PT和计量PT分开,因为规范规定计量用互感器的等级要高于保护用互感器的等级,但现在如没有特殊要求也有不分开的,可以共用）,都上屏顶的电压小母线,为其他出线高压柜提供测量、计量、保护用电源等。

4结语

特长隧道供配电系统方案的设计和优化一直以来都是相关学者和技术人员的研究热点,其安全性和可靠性是隧道能够实现良好运营的关键。根据西陂特长隧道实际运营特点和供电需求,提出将双电源供电设计优化为备份方案,解决隧道供电的难题,使得特长隧道可以安全、可靠地运营,为之后的工作提供了更多可供借鉴的经验。