高速公路隧道供配电系统设计方案与存在的问题分析

2020-06-29

中国科技纵横 2020年5期

(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司,甘肃兰州 730030)

0 引言

我国当前高速公路隧道建设工作成为了道路交通体系发展的重心所在，在提升车辆运输能力以及缩减行驶路程、减少交通事故等方面有着极其关键的重要性作用。公路隧道附属设施主要包括防排水设施、交通信号设施、通风照明设施以及应急设施等，研究公路隧道供配电系统设计方案并分析其中所存在的问题，成为了本文所研究的重点内容。

1 高速公路隧道供配电系统设计方案

1.1 负荷等级划分与设计原则

1.1.1 负荷等级划分方案

在高速公路隧道中，其用电负荷设备主要分为照明设备、通风设备、监控设备以及消防设备。同时我们以中断供电所所带来的损失大小或者影响程度来将这些用电设备合理划分为三个负荷等级，即分别为一级负荷、二级负荷以及三级负荷等。在一级负荷等级中除却消防水泵以及排烟风机等负荷，其余均属于特别重要负荷[1]。

1.1.2 供配电系统设计原则

（1）要能够在供电可靠性前提下保障人身安全，同时其中所应用的技术有着基本的先进性、经济性以及合理性；（2）在供配电系统设计当中，所有设计必须要遵循国家现行供配电系统设计标准以及规范要求，同时需要满足维护便利性要求；（3）在设计之前需要合理统筹设计方案，即根据不同负荷的不同性质、用电容量大小、地方供电条件、隧道规模以及工程特点等因素进行综合考虑，并合理设计供配电系统的设计方案；（4）电气设备产品需要优先考虑满足国家标准与行业规范的高效率、低能耗、优性能的诸多要求。

1.2 供配电系统设计

1.2.1 传统供配电模式分析

现阶段的高速公路隧道供配电系统设计当中，多以应用10kV中压供电，且在供配电模式中以集中式和分布式居多。拿集中式供配电模式来讲，需要在隧道洞口设置一所高容量以及供电半径较大的变电所，根据隧道的距离大小来设计设置变电所数量。利用树干式供电形式来对多个功能回路进行供电，同时不会很容易引起大规模停电事故的发生，在变电所中可以做到统一控制、集中化管理，与分布式供配电模式相比，传统分布式供配电系统由于设备节点数量过多且维护工作相对比较困难，导致故障现象时常发生，完全不利于高速公路隧道供配电系统的设计要求。因此，集中式供配电模式成为了主流应用模式。

1.2.2 变电所的选择方案

变电所设置中以三相电力变压器电压比为10/0.4kV为主，在选择变电所位置中既要满足运营维护的方便性，又要综合考虑整个隧道的长度以及低压供电半径等参数。具体选择要求可如表1所示。

表1 变电所位置选择要求

1.2.3 变电所设备配置

在变电所10kV高压开关柜选择中，可以优先应用环网开关柜，其防护功能多样，且断路器性能优异、质量较佳。将真空断路器应用于高压开关柜以及进线柜、变压器保护柜之中。而在低压开关柜中，可以优先应用GCS组合抽屉式开关柜，具备功能可靠、操作便捷等诸多优点；低压配电系统中可以利用380/220V三相五线制接线方式；利用电气综合自动化保护装置作为继电保护装置，由控制中心统一进行监控与遥控操作，利用10kV进线保护的方式设置好速断保护、过电流保护以及温度保护等功能；另外需要设置好监控保护装置并分别安装于高低压开关柜之中，对所有设备进行遥控与监控。

2 供配电系统设计方案所存在问题分析

2.1 变压器容量问题

变压器容量是供配电系统设计方案所存在的主要问题之一，变压器容量选择不当很容易引起资源浪费的现象发生。因此，为了能够合理选择变压器容量，通常会需要先将高速公路供配电系统的变电所计算负荷分为两种情况进行选择，各部分变电器负荷需要合理根据设备运行情况进行计算并选择变压器。这也是现阶段常用的变压器容量选择方式，但是其中仍旧存在两大缺陷需要特别关注：其一，对于高速公路隧道的日常用电来讲，多以通风和照明用电为主，尤其是通风设备，在用电频率中存在一定的阶段性特点，因此在采集实际数据时需要以阶段性的分析方式进行合理设计。比如说某一隧道的交通流量比较低，而此时这部分通风设备的电力负荷也比较低，但是交流流量在增加过程中通风设备电力负荷也随之增加，导致其中的运行负荷可能会存在上千瓦的差异，因此在某一交通流量过于低的隧道区域内应用大容量变压器往往会造成不必要的资源浪费现象，这样完全不利于节省资源以及控制隧道运营成本；其二，在优化高速公路隧道供配电设计当中，合理根据不同电容器的应用状况来选择合适的变压器尤为关键，而在特殊时段中往往会因为流量急剧增长而出现高负荷增长现象，此时变压器的损耗会明显增加。从理论上来讲，不同负荷率下的变压器工作效率会不尽相同，所以在合理选择变压器容量之际需要充分考虑变压器的最高负荷率，通常可以取80%最为适宜。

2.2 应急电源配置问题

在应急电源应用中可以帮助高速公路隧道能够在任何情况下都可以正常应用内部的一级负荷电力设备，尤其是照明设备与通风设备，因此应急电源的稳定性尤为关键。现阶段高速公路隧道供配电系统设计当中需要合理选择应急电源配置，就必须要从电源应用特点、使用时间以及负荷状况等方面进行详细的考虑。另外，由于应急电源的种类非常多，在设计应急电源配置当中应当优先选择由多种独立电源电路设施所组合而成的组合式应急电源，这种配置方式的好处在于对高速公路隧道供配电系统的安全性与稳定性十分优异。这样一来假如某一方出现意外状况而中断应急电源供给，而另外一方仍然能够得以实现正常供电作用。此外，这种组合式应急电源配置还有一个好处在于，可以显著提升应急能力，极大地提升了应急电源的供电时间。

2.3 失压脱扣装置问题

合理选择失压脱扣装置可以进一步保障电路供应的稳定性。但是实际上由于部分地区的供配电系统设计人员通常会应用低压断路器失压脱扣装置，主要是为了能够在突发意外状况下及时切断不必要的电力负荷电路供应，但是其缺点将会十分明显，一旦电力供给恢复正常之后，这些电力负荷需要重启开启，导致实际的电力输送工作变得十分困难。此外，该装置在长期通电状况下往往还会带来一定的资源浪费现象，尤其是部分地区气候条件较为湿润，更是加剧了这些失压脱扣装置的失效损坏现象。针对此等状况，最好在其中利用分模线来将电力线路分为主次电力线路，这样一来可以在意外状况下直接切断次电力线路断路器便可以依然能够对主电力线路正常通电[2]。

2.4 变压器保护装置问题

变压器保护装置主要是应用断路器来起到对变压器的保护作用，仅有少部分地区会应用负荷开关加熔断器来作为变压器保护装置。由于很多时候都是利用开关来切换电路负荷，因此实际上电力短路现象的发生概率十分低。而断路器的应用便是针对这种电力短路现象所设计，同时断路器内部结构通常十分复杂，购置成本也十分高昂，并不利于变压器保护装置的选择经济性。但是负荷开关加熔断器并不一样，其功能不仅起到保护功能，更能够实现分离控制的功能。拿负荷开关来讲，可以满足切换负荷的要求，而熔断器则可以起到电力短路保护作用。另外，传统断路器会安装继电保护装置，导致实际的开启、断开实际往往比较长，但是熔断器的断开时间在相比之下便十分短，其对变压器的保护作用往往具有十分显著的高效性特点。因此，在整理断路器以及熔断器特点如表2所示。最后需要注意的是，变压器保护装置模式需要根据不同情况来进行合理选择，比如可以根据变压器容量来科学合理地选择熔断器，才能够充分提升变电器保护装置的稳定性。