城市隧道電氣設(shè)計(jì)探討認(rèn)識(shí)實(shí)踐

陳平安

西城工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310000

近年來，我國(guó)的城市隧道工程建設(shè)在不斷地增加，給人們的出行帶來了極大的便利，并且有效地提升了城市的交通運(yùn)輸效率，降低了交通運(yùn)輸?shù)膲毫?，?duì)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著極其重要的作用。但是現(xiàn)下我國(guó)城市隧道的電氣設(shè)計(jì)上還存在著一定問題，需要不斷的進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，特別是現(xiàn)行的城市隧道建設(shè)缺乏專業(yè)電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，城市隧道建設(shè)條件多樣，特別是城市長(zhǎng)隧道對(duì)電氣要求更高。在設(shè)計(jì)和施工時(shí)要加強(qiáng)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的控制，確保城市隧道內(nèi)的供電系統(tǒng)正常運(yùn)行，為城市隧道的交通安全提供最基礎(chǔ)的保障。城市隧道電氣配電需求多為通風(fēng)、供電、照明、通信、給排水、監(jiān)控、消防等，在設(shè)計(jì)時(shí)須嚴(yán)格按照工程需求和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，確保隧道供電系統(tǒng)合理性和科學(xué)性，如圖1所示。

圖1 隧道供配電系統(tǒng)

1 供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)于城市隧道中的電氣供配電是整個(gè)隧道安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，一般城市隧道根據(jù)設(shè)施重要程度對(duì)電力負(fù)荷等級(jí)分級(jí)，涉及安全、穩(wěn)定、應(yīng)急、防災(zāi)要求的設(shè)備多為一級(jí)負(fù)荷，供電系統(tǒng)多引入城市雙獨(dú)立10kV電網(wǎng)并按要求設(shè)置變配電所，保障供電可靠性。但是隧道在運(yùn)行的過程中會(huì)受到一些因素的干擾，導(dǎo)致城市隧道中的用電設(shè)備因?yàn)楣╇娪绊懱幱诓环€(wěn)定的狀態(tài)，如供電電源故障、觸發(fā)器誤操作、線路開斷、高能耗運(yùn)行等，這些都會(huì)影響隧道正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，在保障供配電系統(tǒng)可靠性和安全性對(duì)電氣設(shè)計(jì)合理優(yōu)化和故障響應(yīng)，提升隧道整體電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量[1]。隧道供配電主要構(gòu)成為：電網(wǎng)接引的10kV電源線路、10/0.4kV變電所、高低壓電力線路、隧道照明設(shè)施、隧道用電設(shè)備、管理用房、電氣設(shè)備防雷接地等。

1.1 負(fù)荷等級(jí)可靠供電

隧道供配電系統(tǒng)應(yīng)滿足安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行靈活的要求。確保隧道能安全可靠維持正常運(yùn)行，并滿足國(guó)家供配電設(shè)計(jì)規(guī)范中各類負(fù)荷的供電要求。供電系統(tǒng)接線應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、統(tǒng)一，以利于工程實(shí)施及以后運(yùn)營(yíng)管理的方便。隧道動(dòng)力、照明的供電基本由供電系統(tǒng)中的獨(dú)立回路配出，大功率設(shè)備必要時(shí)采用降壓?jiǎn)?dòng)措施，以減小設(shè)備的起動(dòng)對(duì)其他回路的影響。對(duì)重要設(shè)施按電力負(fù)荷等級(jí)可靠供電，一級(jí)負(fù)荷電源引自變電所兩段母排各一回路，一用一備并末端自切，特別重要一級(jí)負(fù)荷采用雙電源切換+在線式不間斷電源（UPS）的方式供電。

表1 城市隧道設(shè)備負(fù)荷等級(jí)表

1.2 電氣火災(zāi)監(jiān)控保護(hù)裝置

電氣火災(zāi)是影響隧道安全和正常運(yùn)行的極大危險(xiǎn)因素，對(duì)電氣火災(zāi)監(jiān)控保護(hù)有效阻斷危害發(fā)生。積極避免因電弧、火花、接觸不良、漏電以及接地故障引發(fā)的絕緣破損等引起的火災(zāi)，城市隧道多采用電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，準(zhǔn)確監(jiān)控電氣線路的故障和異常狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)電氣火災(zāi)的火災(zāi)隱患，及時(shí)報(bào)警提醒相關(guān)人員消除這些隱患[2]，如圖2所示。

圖2 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

1.3 應(yīng)急電源

應(yīng)急電源也是城市隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問題，城市隧道在運(yùn)行的過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)停電等突發(fā)事故，為了提升隧道使用的安全性，需要對(duì)應(yīng)急電源科學(xué)合理地設(shè)計(jì)到供配電系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)停電等突發(fā)事故時(shí)可以利用應(yīng)急電源去為城市隧道的內(nèi)部進(jìn)行照明、監(jiān)測(cè)、控制等工作，以此保障這些用電設(shè)備的正常運(yùn)行。在進(jìn)行應(yīng)急電源的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)用電設(shè)備位置、用電需求等進(jìn)行合理分析，選擇適用的應(yīng)急方案，目前城市隧道常用的應(yīng)急電源主要有柴油機(jī)發(fā)電設(shè)備、EPS或UPS集中供電、蓄電池備用電源等。

1.4 電纜設(shè)計(jì)

城市隧道供配電系統(tǒng)中的電纜選擇、敷設(shè)方式和電纜連接器需合理設(shè)計(jì)，直接關(guān)系到隧道電力系統(tǒng)的運(yùn)行。電纜選型考慮交通隧道消防條件及安全運(yùn)行要求，多采用低煙無鹵型阻燃電纜，中藥設(shè)備電纜可采用耐火電纜或礦物絕緣電纜。電纜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按溫升條件或最不利條件選擇電纜截面，并進(jìn)行校驗(yàn)。電纜的敷設(shè)可以采用掛鉤、支架、橋架、托架敷設(shè)。各電纜沿墻或埋地敷設(shè)時(shí)穿鋼管保護(hù)，重要設(shè)備的不同電纜建議分開敷設(shè)，穿越伸縮縫、沉降縫時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。最后設(shè)置電纜連接器，避免連接性、密封性不足導(dǎo)致?lián)p壞，由于電纜連接器安裝較為困難，可以根據(jù)需要選擇高壓連接器，降低電纜連接器損壞影響[3]。

1.5 隧道電氣節(jié)能

近年來，隨著節(jié)能環(huán)保理念的不斷深入，城市隧道的供配電系統(tǒng)也在不斷地進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。首先在進(jìn)行城市隧道供配電系統(tǒng)時(shí)，在確保隧道安全性和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，響應(yīng)低碳減排目標(biāo)，在設(shè)計(jì)和選擇各種電器設(shè)備時(shí)，盡可能地使用節(jié)能的電氣設(shè)計(jì)和設(shè)備；其次，要對(duì)設(shè)計(jì)和施工的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行把控和優(yōu)化，確保節(jié)能降耗可以融入到城市隧道各個(gè)環(huán)節(jié)中，根據(jù)隧道建設(shè)的實(shí)際情況去優(yōu)化并選擇相應(yīng)的電氣設(shè)備，對(duì)設(shè)備的功率進(jìn)行控制，從而降低整個(gè)隧道供配電系統(tǒng)的能耗；最后，在節(jié)能的基礎(chǔ)上要保障供配電系統(tǒng)的安全性和質(zhì)量，并且提升城市隧道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益，為工程成本的降低提供有效的支撐。

2 照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隧道照明系統(tǒng)是電氣設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容，也是城市隧道運(yùn)行中的重要組成，并且照明系統(tǒng)在城市隧道交通中可以為車輛的運(yùn)行保駕護(hù)航，為出行的人員提供便捷。目前我國(guó)的城市隧道一般大于100米就需要設(shè)置照明系統(tǒng)，或通過模擬自然采光條件設(shè)置照明系統(tǒng)，降低司機(jī)駕駛車輛在經(jīng)過隧道時(shí)其視覺影響，隧道照明則可以有效地避免交通事故的出現(xiàn)。在進(jìn)行城市隧道的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到隧道環(huán)境條件、隧道自身?xiàng)l件和隧道交通條件，以此為隧道的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有效的支撐[4]。

2.1 照明分區(qū)

隧道的照明系統(tǒng)根據(jù)隧道的內(nèi)部的環(huán)境不同需要設(shè)置照明分區(qū)（如圖3隧道照明分區(qū)）：洞外引道照明、出口段照明、臨近段照明、中間段照明、過渡段照明、出口段照明。城市隧道的每一個(gè)照明分區(qū)的設(shè)計(jì)都有自身的要求，在開展設(shè)計(jì)的時(shí)候要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。部分城市隧道的接近段照明在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候可以適當(dāng)?shù)胤N植一些常青樹或加大周邊的綠化面積，主要的目的是為了實(shí)現(xiàn)人工減光。還有一種方式是在隧道的上方設(shè)置一些天然的減光柵格，以此實(shí)現(xiàn)過渡，緩解隧道的“黑洞”和“白洞”效應(yīng)。這兩種方式可以降低照明燈具的安裝，減少在隧道在運(yùn)行過程中的能源消耗。

圖3 隧道照明分區(qū)

2.2 燈具布置

隧道內(nèi)部的燈具布置要保障駕駛員在對(duì)車輛進(jìn)行駕駛時(shí)其視覺的舒適性，以此去消除因?yàn)橐曈X變化和刺激產(chǎn)生的交通安全事故。燈具的布置要根據(jù)照明的分區(qū)進(jìn)行設(shè)置，中間段照明燈具可以采用帶狀分布的方式，將其安裝在城市隧道的頂部，也可以采用兩側(cè)對(duì)稱等布置方式，特別注意燈具的布置應(yīng)該是貫穿隧道全程的，另外還要在這一區(qū)域設(shè)置一些應(yīng)急照明的燈具，避免因?yàn)闊艟邠p壞影響到駕駛員的視線。而隧道內(nèi)部燈具的間距在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮到其閃爍的頻率，要確保低于2.5赫茲或高于15赫茲。而出入口段照明和過渡段照明主要是由基本照明和加強(qiáng)照明組成，其中加強(qiáng)照明在進(jìn)行燈具的選擇和布置時(shí)需要選用大功率的燈具，并根據(jù)燈具的功率不同去設(shè)置安裝的間距，從隧道口向中間照明區(qū)的燈具安裝間距逐漸加寬，亮度逐漸降低，以此去保障行車的安全性。

2.3 燈具控制

照明燈具主要的控制方式是手動(dòng)、定時(shí)、遙控等，而我國(guó)的隧道照明主要是通過光控的方式，也就是利用照明探測(cè)儀對(duì)洞外的亮度進(jìn)行模擬，然后將其輸送到pc監(jiān)控機(jī)上，再由其對(duì)隧道內(nèi)部的亮度進(jìn)行調(diào)整。其中不同照明區(qū)域的調(diào)光要求也各不相同，例如，城市隧道與外界的過渡段照明需要根據(jù)隧道外的亮度進(jìn)行分級(jí)調(diào)控，像夜間時(shí)過渡段照明的加強(qiáng)照明燈具可以不開，有效節(jié)省運(yùn)行的能耗。主流的LED隧道照明智能控制系統(tǒng)有回路調(diào)光控制系統(tǒng)、RS485控制系統(tǒng)、電力載波控制系統(tǒng)。城市隧道對(duì)照明穩(wěn)定性要求較高，多為長(zhǎng)距離線性分布，采用回路調(diào)光控制系統(tǒng)較為常見（圖4智能照明調(diào)光控制系統(tǒng)）。通過對(duì)外界光環(huán)境監(jiān)測(cè)，車流量判斷，按需求對(duì)燈具進(jìn)行控制。

圖4 智能照明調(diào)光控制系統(tǒng)

2.4 照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

城市隧道中照明系統(tǒng)處于長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)照明系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的措施方法。在進(jìn)行城市隧道的照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格遵守照明相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，合理布置燈具、選擇燈具功率，同時(shí)對(duì)燈具選擇是，還需要從隧道特定環(huán)境下的光效、光通量、光衰減、壽命、光色和顯色性、成本要求進(jìn)行綜合確定。在保障隧道照明可靠性的同時(shí)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。目前多會(huì)應(yīng)用節(jié)能LED燈，通過對(duì)節(jié)能燈具和燈源量的控制降低照明系統(tǒng)中的電能消耗。

3 隧道監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

城市隧道監(jiān)控系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)以確保隧道安全暢通的運(yùn)營(yíng)、人身安全，提高隧道防災(zāi)、消災(zāi)以及車輛通行能力和優(yōu)化管理等為根本目的，并確立“以人為本”的隧道科學(xué)化使用、維護(hù)和管理原則，系統(tǒng)按照具有可靠性、先進(jìn)性、開放性、擴(kuò)展性、合理性的模式搭建，為將來的整座城市的智能交通系統(tǒng)實(shí)施做好技術(shù)準(zhǔn)備。同時(shí)必須具有高速、實(shí)時(shí)、可靠地檢測(cè)隧道內(nèi)如交通、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及各種事故、災(zāi)害的能力，還能掌握各類管理信息，及時(shí)作出有效的措施。根據(jù)隧道等級(jí)條件及城市隧道運(yùn)維、管理?xiàng)l件，對(duì)隧道監(jiān)控系統(tǒng)（含交通監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)）、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、電源及防雷系統(tǒng)等，并考慮信息上傳及與其它系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)接口的預(yù)留[5]。

4 結(jié)束語

城市隧道已經(jīng)成為許多城市重要的交通建設(shè)組成，隧道電氣設(shè)計(jì)在隧道的建設(shè)和運(yùn)行中有著極為重要的作用，對(duì)供配電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能設(shè)計(jì)，不僅可以提升隧道交通的安全性，保證隧道安全暢通還能降低城市運(yùn)行及管理的成本。合理的隧道監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)城市隧道安全管控，并能防災(zāi)及快速處理，防止災(zāi)情蔓延，保障生命及財(cái)產(chǎn)不受損害。城市隧道供配電及照明通過管理措施和技術(shù)措施節(jié)能，利用新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)的設(shè)計(jì)技術(shù)措施，通過加強(qiáng)用電管理和考核工作，挖掘節(jié)電潛力，減少電能浪費(fèi)等管理措施節(jié)能方法，提升城市隧道經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，保障城市交通安全。