交通隧道遠程變頻通風(fēng)技術(shù)研究*

邢榮軍，徐 湃, 蔣樹屏，陳 豪

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

交通隧道遠程變頻通風(fēng)技術(shù)研究*

邢榮軍1，徐 湃1, 蔣樹屏2，陳 豪2

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

交通隧道通風(fēng)的主要作用是以最小的能耗達到隧道運營的安全衛(wèi)生標準，并且保持風(fēng)機壽命的最大化。通過分析變頻調(diào)速技術(shù)的電能消耗理論與節(jié)能原理，從該技術(shù)存在問題入手，詳細研究了存在問題的本質(zhì)，提出了遠程變頻通風(fēng)節(jié)能的新技術(shù)。試驗分別驗證了國產(chǎn)某兩種品牌變頻器加裝濾波裝置驅(qū)動射流風(fēng)機，結(jié)果表明：濾波裝置抑制過電壓和波形整形效果明顯。在變頻器輸出端加裝濾波裝置可使變頻器長距離在任意頻率下驅(qū)動射流風(fēng)機，從而達到隧道風(fēng)機節(jié)能、可靠、平穩(wěn)地運行，不但降低了噪聲和振動，還延長了風(fēng)機的使用壽命。最后，通過1∶1實體隧道試驗，驗證了該技術(shù)的可行性。

隧道工程；遠程變頻；通風(fēng)節(jié)能；濾波；實體試驗

我國的公路隧道事業(yè)在進入21世紀的10年來，逐漸穿越崇山峻嶺，向離岸深水區(qū)延伸[1]。經(jīng)過十多年大規(guī)模的建設(shè)，隧道運營管理的任務(wù)變得十分艱巨，其節(jié)能問題也越發(fā)突出[2-5]。研究既能夠保障行車安全，又可以降低隧道運營費用，特別是降低高速公路隧道通風(fēng)運營費用的運營策略，成為眾多專家、科研人員和高速公路建設(shè)與管理人員亟待解決的技術(shù)難題。

變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，為解決這一問題提供了有效的方法。變頻調(diào)速技術(shù)能夠保證隧道通風(fēng)系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性、可靠性和節(jié)能性。在降低運行噪聲和振動，減少通風(fēng)設(shè)備機械沖擊的同時，又延長了通風(fēng)設(shè)備的使用壽命。

近年來相關(guān)學(xué)者開始嘗試將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在公路隧道領(lǐng)域。趙忠杰等[6]在隧道通風(fēng)控制中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，實現(xiàn)了通風(fēng)設(shè)備的變頻無級調(diào)速和軟啟動；結(jié)果表明：變頻調(diào)速技術(shù)在公路隧道通風(fēng)設(shè)備中具有較高的適用性[7-8]。劉春成等[9]結(jié)合公路隧道通風(fēng)風(fēng)阻特性曲線和風(fēng)機特性，分析了變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能的基本原理，并討論了其應(yīng)用的可行性。相關(guān)學(xué)者雖然嘗試將變頻器應(yīng)用于隧道通風(fēng)中，但在實際隧道中卻少有應(yīng)用。究其原因，變頻器很難長期在隧道內(nèi)惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定運行?？紤]將變頻器置于隧道外的配電室中，由于驅(qū)動電纜過長，將對風(fēng)機電機和電纜造成損壞，嚴重時可能擊穿風(fēng)機內(nèi)部絕緣層和電纜爆裂。

因此，筆者針對隧道中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)存在的問題及解決方法進行了研究，以達到通風(fēng)控制的無級調(diào)速，高效、節(jié)能的目的。

1 隧道變頻通風(fēng)原理及存在的問題

1.1 基本原理

變頻調(diào)速技術(shù)相比傳統(tǒng)的臺數(shù)控制方式，具有如下優(yōu)點：① 可使得電機進行連續(xù)調(diào)速，并且操作者可選擇最佳運行速度；② 電機啟動電流小，不會對電機的絕緣層造成損傷，因而可增加設(shè)備的使用壽命，低速運轉(zhuǎn)時還可定轉(zhuǎn)矩輸出；③ 運行的最高速度不受電源因素的影響，即最大工作輸出能力不會受到電源頻率及諧波等因素的影響。

在各種變頻調(diào)速技術(shù)中，變壓變頻調(diào)速技術(shù)由于其具有性能好、效率高等特點，因而應(yīng)用十分廣泛。同時調(diào)節(jié)電機定子通過電流的頻率和電壓，是變壓變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)形式。其在轉(zhuǎn)差功率不變的情況下，機械性能又能得到平行的移動，因而成為當前交流調(diào)速技術(shù)主要的發(fā)展方向。輸入電源頻率和電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系可用式(1)表示：

(1)

式中：f為輸入電源頻率，Hz；s為轉(zhuǎn)差率；p為電極對數(shù)；n為電機的轉(zhuǎn)速，r/min；n0為電機同步轉(zhuǎn)速；Δn為電機的實際轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速之差。

由上述原理可知：只要平滑的改變輸入電機定子繞組電流的頻率f，就可使得電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n得到平滑的調(diào)節(jié)。

由電機學(xué)和流體力學(xué)原理出發(fā)，可得出風(fēng)機運行工況參數(shù)與輸入電流頻率之間的關(guān)系如式(2)：

(2)

式中：Q為風(fēng)機風(fēng)量，H為風(fēng)機風(fēng)壓，P為風(fēng)機功率，f為輸入電源頻率。

風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)量與輸入電流的頻率成正比，風(fēng)壓與輸入電源頻率的平方成正比，風(fēng)機消耗的功率與輸入電源頻率的立方成正比。通過變頻技術(shù)改變風(fēng)量，當風(fēng)量為80%時，功率為72%；當風(fēng)量為40%，功率為25%。顯然，節(jié)能效果顯著。

圖1為上述兩種運轉(zhuǎn)模式下的電力消耗對比結(jié)果；其中曲線1所閉合的空間即使傳統(tǒng)臺數(shù)控制模式下的通風(fēng)系統(tǒng)運營能耗，而曲線2閉合的空間則是變頻控制模式下的運營能耗，其差值即陰影部分就是兩種控制方法之間的能耗差，即節(jié)能的效益。由此可見，目前國內(nèi)通常使用的有級調(diào)節(jié)風(fēng)量控制模式有著較大的節(jié)能潛力可以挖掘。

圖1 電力消耗對比Fig. 1 Comparison diagram of power consumption

1.2 隧道通風(fēng)變頻調(diào)速存在的問題

1.2.1 變頻器無法適應(yīng)隧道內(nèi)運行環(huán)境

作為一種特殊交通形式的公路隧道，由于隧道內(nèi)的灰塵大、空氣潮濕、流通不暢且夾雜各種汽車尾氣的惡劣環(huán)境，無法使機電設(shè)備(變頻器)長時間穩(wěn)定運行[10]。如甬臺溫高速公路大溪嶺隧道于1998年建成通車，運行時間不到10年，由于監(jiān)控設(shè)備的大面積損壞不得不在2005年進行升級改造。上三高速盤龍嶺1號隧道、盤龍嶺2號隧道、任胡嶺隧道于2011年對通風(fēng)控制系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)及交通監(jiān)控系統(tǒng)進行了設(shè)備改造，距離建成通車的2000年也僅僅為10年時間。從以上工程實施的情況來看，如果將變頻器直接置于隧道中，受隧道內(nèi)惡劣的環(huán)境影響，變頻通風(fēng)設(shè)備無法滿足長期穩(wěn)定運行的需求。

1.2.2 變頻器遠距離驅(qū)動風(fēng)機存在負面效應(yīng)

若將變頻器置于隧道外的配電室內(nèi)，能夠很好地解決由于運行環(huán)境問題導(dǎo)致的變頻器功率開關(guān)器件損壞問題。此時，變頻器和通風(fēng)機之間必須安裝足夠長的電纜來為風(fēng)機提供電能，這將使得電機端存在過電壓從而損壞風(fēng)機，變頻器輸出端存在過高dv/dt，零序電壓、共模漏電流嚴重，高次諧波污染電網(wǎng)等問題。

2 隧道遠程變頻通風(fēng)問題的本質(zhì)

2.1 變頻器輸出過高的dv/dt

在電壓源型兩電平交流變頻系統(tǒng)中，變頻器輸出的PWM電壓信號，為一系列近似方波的脈沖信號，其寬度呈周期性變化。對于隧道變頻通風(fēng)系統(tǒng)來講，由于變頻器和風(fēng)機距離過長，由此產(chǎn)生的dv/dt=20 000 V/μs；過高的dv/dt不僅會對風(fēng)機的內(nèi)部絕緣系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，而且還會使得傳輸電纜產(chǎn)生爆裂。

過高的dv/dt對電動機造成的危害主要體現(xiàn)在：① 在電機鐵芯疊片中產(chǎn)生渦流，增加熱損耗；② 高頻電磁振蕩頻率與零部件固有頻率相近時，產(chǎn)生機械共振和噪聲。

2.2 三相電壓U，V，W之和不為0

在PWM的控制模式下，盡管變頻器的三相輸出ABC之間相位相差120°，其和并不為0，從而導(dǎo)致產(chǎn)生很高的共模電壓，也稱為零序電壓。其幅值為±UDC/6和±UDC/2，且隨著開關(guān)器件導(dǎo)通狀態(tài)的不同而不斷跳變。這種跳變導(dǎo)致零序電壓為一種高頻信號，其頻率為變頻器開關(guān)頻率的6倍。

由于這種高頻的共模電壓存在，給變頻調(diào)速系統(tǒng)帶來如下兩種危害。

1)由于高頻寄生電容在電機內(nèi)部廣泛存在，這種零序電壓和寄生電容的相互耦合作用，使得電機內(nèi)部產(chǎn)生軸電壓。當電機接地不良時，會導(dǎo)致電擊事故的發(fā)生。此外，當軸承潤滑劑的絕緣電壓閾值小于軸電壓時，會感應(yīng)出軸電流從而使得電機內(nèi)部潤滑劑發(fā)生不利的化學(xué)變化。這種化學(xué)變化會導(dǎo)致軸承座圈的壽命降低。

2)由于雜散電容和寄生耦合電容的存在，將產(chǎn)生共模漏電流。這種共模漏電流通過相互之間的耦合作用流入大地，稱之為漏電流。這種漏電流不僅造成電能的浪費，而且一旦通過接地導(dǎo)體進入電網(wǎng)中，會對電網(wǎng)造成共模電磁污染。

2.3 長線電纜帶來的負面效應(yīng)

當變頻器遠程驅(qū)動隧道風(fēng)機時，由于傳輸電纜長達3 km。因此，可將變頻器端輸出的脈沖PWM信號看作在長線電纜上傳輸?shù)男胁?。這種行波在風(fēng)機端產(chǎn)生反射并返回至變頻器端，入射波和反射波的反復(fù)疊加，使得在風(fēng)機端的電壓加倍，從而使得風(fēng)機端產(chǎn)生過電壓。產(chǎn)生過程如圖2。

圖2 射流風(fēng)機端產(chǎn)生的波動電壓Fig. 2 Fluctuation voltage diagram of jet fan side

這個過電壓包括共模過電壓和差模過電壓，共模過電壓使上述負面效應(yīng)加重，差模過電壓使電機絕緣提前老化，電纜爆裂，長電纜負面效應(yīng)如圖3。

3 隧道遠程變頻通風(fēng)問題解決方案

變頻器遠程驅(qū)動隧道風(fēng)機將產(chǎn)生一系列的危害。一種解決方法是采用適用于PWM的特殊電動機，顯然這在實際應(yīng)用中是不現(xiàn)實的；另一種方案是在風(fēng)機端加裝濾波器，即在風(fēng)機端并聯(lián)一組一階電阻電容濾波器。電容對于快速變化的脈沖信號呈現(xiàn)短路狀態(tài)，可以過濾掉高頻的雜散信號。按照電纜理論，在電纜被它的特征阻抗中斷的情況下，電纜的末端電壓將和電源電壓相等。但由于這種濾波裝置接在電動機端，變頻器輸出的雜波仍然存在，屬于治標不治本的辦法。

針對上述問題，筆者采用了一種新型的濾波裝置。該濾波裝置為低通濾波器，由阻尼電阻、旁路電容和輸出電感組成。該濾波裝置使得低頻的基波電流傳送至電動機端，而將高頻的諧波電流旁路，從而達到濾波的目的。在風(fēng)機端的電流和電壓波形接近于正弦波，不但瞬時過電壓沒有在電動機的繞組上發(fā)生，不會產(chǎn)生額外的損耗，而且降低了電動機的噪聲。

4 試驗結(jié)果及分析研究

試驗條件：試驗采用某兩種型號變頻器；公路隧道用射流風(fēng)機，功率：15 kW，出風(fēng)方向：雙向。試驗原理如圖4。利用上述兩種型號變頻器，電纜長度分別為100，200，500，1 000 m，變頻器輸出頻率分別為20，30，40，50 Hz時，加裝新型濾波裝置驅(qū)動射流風(fēng)機。

圖4 試驗原理Fig. 4 Experiment principle diagram

4.1 距離對系統(tǒng)電參數(shù)的影響

試驗對兩種變頻器不同距離和頻率的電壓、泄漏電流、波形等參數(shù)進行了測量。實測電壓參數(shù)如表1，不同距離的電壓參數(shù)如圖5。

表1 不同距離的電壓特性參數(shù)

圖5 不同距離的電壓參數(shù)Fig. 5 Voltage parameters of different distances

由表1及圖5可見，對于試驗中選定的兩種變頻器，當距離風(fēng)機分別為100，300，1 000 m時，不同頻率(20，30，40，50 Hz)對應(yīng)電壓參數(shù)在±5 V間波動，在系統(tǒng)容許的誤差范圍之內(nèi)，能夠滿足系統(tǒng)的需求。

4.2 距離對泄漏電流的影響

實測電壓參數(shù)如表2。

表2 不同距離的泄漏電流特性參數(shù)

由表2可知：隨著距離的增加，兩種變頻器的泄漏電流呈現(xiàn)增大的趨勢，在距離為1 000 m時兩者均達到最大值。兩者的最大值均小于2.3A，在系統(tǒng)的容許范圍之內(nèi)，因此能夠滿足系統(tǒng)的需求。

4.3 電壓波形分析

濾波器輸入端和風(fēng)機端波形如圖6。

圖6 變頻器30 Hz電壓波形Fig. 6 30 Hz voltage waveform diagram of the inverter

由圖6(a)可見：曲線1為電動機端電壓波形圖；曲線2為變頻器輸出端電壓波形圖。變頻器輸出端電壓毛刺嚴重，尖峰電壓最大值超過工頻電壓的3倍。而電動機端電壓則為波形較好的正弦波。

由圖6(b)可見：曲線2為電動機端電壓波形圖；曲線1為變頻器輸出端電壓波形圖。變頻器輸出端電壓毛刺嚴重，尖峰電壓最大值超過工頻電壓的3倍。而電動機端電壓則為波形較好的正弦波。

由以上分析可知，筆者所采用的系統(tǒng)能夠很好地將變頻器輸出的電壓毛刺和尖峰電壓濾除，達到波形平滑的目的。

5 結(jié) 論

以最小的運營成本，保持隧道內(nèi)良好的衛(wèi)生條件，并且使得風(fēng)機壽命的最大化，一直以來是隧道管養(yǎng)部門最為關(guān)注的問題。筆者針對此問題展開了系統(tǒng)研究，主要結(jié)論如下：

1)通過對變頻調(diào)速技術(shù)電能消耗理論的分析，從理論上研究了隧道變頻通風(fēng)節(jié)能的可行性。

2)針對隧道遠程變頻技術(shù)存在的問題，研究了存在問題的本質(zhì)，給出了解決此問題的詳細思路。

3)通過1∶1實體隧道試驗，分別驗證了國產(chǎn)某兩種品牌變頻器加裝濾波裝置驅(qū)動射流風(fēng)機的運行效果。結(jié)果表明：濾波裝置抑制過電壓和波形整形效果明顯。

4)在變頻器輸出端加裝文中所述濾波裝置可使變頻器長距離在任意頻率下驅(qū)動射流風(fēng)機，從而達到隧道風(fēng)機節(jié)能、可靠、平穩(wěn)運行的目的。不但降低了噪聲和振動，且能夠在取得顯著節(jié)能效果的同時，實現(xiàn)風(fēng)機軟啟動和無級調(diào)速，延長風(fēng)機的使用壽命。因而，該技術(shù)具有很好的理論研究意義和工程應(yīng)用價值。

[1] 蔣樹屏，劉元雪，黃倫海，等.環(huán)保型傍山隧道結(jié)構(gòu)研究[J].中國公路學(xué)報，2006，19(1)：80-83.

JIANG Shuping, LIU Yuanxue, HUANG Lunhai, et al. Research on environmental friendly structure of tunnel adjacent to mountain[J].ChinaJournalofHighwayandTransport, 2006, 19(1)：80-83.

[2] 韓直，方建勤，洪偉鵬.公路隧道節(jié)能技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010.

HAN Zhi, FANG Jianqin, HONG Weipeng.EnergySavingTechnologyofHighwayTunnel[M]. Beijing：China Communications Press, 2010.

[3] 張曉松，金濤，林東.高速公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的多參量模糊控制研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，35(4)：20-24.

ZHANG Xiaosong, JIN Tao, LIN Dong. Research on multi-parameter fuzzy control algorithm of highway tunnel ventilation system[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2016, 35(4)：20-24.

[4] 劉宏，王曉雯，陳建忠.中梁山公路隧道通風(fēng)效果測試分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，29(4)：529-532.

LIU Hong, WANG Xiaowen, CHEN Jianzhong. Test and analysis of ventilation of Zhongliangshan road tunnel[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2010, 29(4)：529-532.

[5] 胡百萬，魏清華，劉麗.羊角特長隧道營運通風(fēng)系統(tǒng)研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，27(3)：392-395.

HU Baiwan, WEI Qinghua, LIU Li. Research on the ventilation system of extra-long Yangjiao tunnel[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2008, 27(3)：392-395.

[6] 趙忠杰，朱斌.變頻調(diào)速在公路隧道通風(fēng)控制中的應(yīng)用[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，26(4)：71-74.

ZHAO Zhongjie, ZHU Bin. Application of variable-frequency variable-voltage in highway tunnel ventilation control[J].JournalofChang’anUniversity(NaturalScienceEdition), 2006, 26(4)：71-74.

[7] FERKL L, MEINSMA G. Finding optimal ventilation control for highway tunnels[J].Tunneling&UndergroundSpaceTechnology, 2007, 22(2)：222-229.

[8] RIESS I, ALTENBURGER P, SAHLIN P. On the design and control of complex tunnel ventilation systems applying the HIL tunnel simulator[C]∥ 12thInternationalSymposiumonAerodynamicsandVentilationofVehicleTunnels, July 11-13, 2006, Portoroz. 2006：713-722.

[9] 劉春成，劉江平，黃惠斌，等.變頻調(diào)速技術(shù)在隧道通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].公路工程，2008，33(6)：122-125.

LIU Chuncheng, LIU Jiangping, HUANG Huibin, et al. Application of variable-frequency speed regulation in tunnel ventilation system[J].HighwayEngineering, 2008, 33(6)：122-125.

[10] KARAKAS E. The control of highway tunnel ventilation using fuzzy logic[J].EngineeringApplicationsofArtificialIntelligence, 2003, 16(7/8)：717-721.

(責(zé)任編輯：劉 韜)

Ventilation Technology of Long-Distance Inverter in Traffic Tunnel

XING Rongjun1, XU Pai1, JIANG Shuping2, CHEN Hao2

(1.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 2. China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co., Ltd., Chongqing 400067, P. R. China)

The main function of traffic tunnel ventilation is to minimize the energy consumption to achieve the safety and health standards of tunnel operation, and to maintain the lifetime of the fan as long as possible. Firstly, the energy-consuming theory and the energy-saving principle of variable-frequency and speed-regulation technology were analyzed. And then, based on the problem occurred in the above technology, the essence of the problem was studied in detail. Therefore, a new technology of long-distance variable-frequency ventilation was proposed. Two kinds of inverters with domestic brands were equipped with the filter devices to drive the jet fan in the test. The results show that the filtering device can restrain the over-voltage and the waveform modification effect is obvious. Installing the filtering device at the inverter output can drive the long distance driving jet fan at any frequency, so as to make the tunnel fan operation energy-saving, reliable and stable. The new technology not only reduces the vibration and noise, but also prolongs the service lifetime of the fan. Finally, the feasibility of the proposed technology was verified by 1∶1 tunnel prototype test.

tunnel engineering; long-distance inverter; ventilation energy-saving; filter; prototype test

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.04

2015-12-21；

2016-02-28

重慶市前沿與應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃(cstc2015jcyjA40056)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ1500536)；重慶市社會事業(yè)與民生保障科技創(chuàng)新專項重點項目(cstc2015shmszx30013;cstc2015shms-ztzx30001)

邢榮軍(1981—)，男，陜西渭南人，博士研究生，主要從事隧道遠程監(jiān)控、運營節(jié)能等方面的研究。E-mail：xingrong-12@163.com。

U453.5

A

1674-0696(2017)04-018-05