隧道橫洞變電所環(huán)境的降溫設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要 高速公路隧道內(nèi)環(huán)境惡劣，由于各類粉塵、油污等污染物的附著，隧道橫洞變電所通風(fēng)系統(tǒng)故障頻發(fā)，從而導(dǎo)致環(huán)境溫度過高，進(jìn)一步加速了各類供配電設(shè)備及通信設(shè)備的損壞，對隧道運(yùn)營造成了極大的安全隱患。文章分析了高溫環(huán)境對設(shè)備的主要影響，研究設(shè)計了隧道橫洞變電所的通風(fēng)降溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過設(shè)置機(jī)械通風(fēng)過濾設(shè)備，實(shí)現(xiàn)隧道變電所內(nèi)環(huán)境凈化及降溫等功能，已在G5京昆高速秦嶺2號隧道變電所內(nèi)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 高速公路隧道;通風(fēng)過濾;變電所降溫

中圖分類號 U453 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0044-03

收稿日期：2022-04-15

作者簡介：石靜文（1989—），女，碩士研究生，工程師，從事交通工程機(jī)電設(shè)計工作。

0 引言

高速公路隧道通常在洞口以及洞內(nèi)橫洞處設(shè)有隧道變電所或者箱式變電站，保障隧道機(jī)電系統(tǒng)如監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及消防系統(tǒng)等的日常供電。隧道內(nèi)橫洞變電所由于其特殊地理位置，變電所內(nèi)粉塵污穢較多，環(huán)境污染嚴(yán)重。現(xiàn)有橫洞內(nèi)變電所多設(shè)置簡單的通風(fēng)設(shè)備，隧道內(nèi)多種污染物造成變電所的通風(fēng)設(shè)備損壞，未經(jīng)過濾的空氣直接進(jìn)入變電所，造成室內(nèi)設(shè)備快速損壞[1]。同時，通風(fēng)設(shè)備的損壞造成隧道橫洞變電所內(nèi)通風(fēng)不暢，夏天溫度較高，高溫環(huán)境對變電所設(shè)備的散熱很不利，加速設(shè)備的老化，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命。因此，該文結(jié)合工程實(shí)際，對隧道橫洞變電所的通風(fēng)降溫方法進(jìn)行介紹。

1 變電所現(xiàn)狀及分析

1.1 隧道洞內(nèi)橫洞變電所現(xiàn)狀

某隧道內(nèi)橫洞變電所距離隧道出口約150 m，面積約146.5 m2，變電所兩側(cè)入口大門上方對稱設(shè)置2套風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)采用微電腦時控開關(guān)直接控制，開啟間隔為1 h。變電所內(nèi)設(shè)干式變壓器、開關(guān)柜、組合型低壓開關(guān)柜、UPS柜、EPS柜、蓄電池柜、機(jī)電設(shè)備服務(wù)器以及柜式七氟丙烷氣體滅火裝置等，如圖1所示。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，隧道的行車環(huán)境較為惡劣，空氣中含有油污、灰塵、汽車尾氣等，污染物的長期附著造成隧道橫洞變電所的通風(fēng)設(shè)備全部故障，如圖2所示。冬季實(shí)測隧道橫洞變電所室內(nèi)溫度均在25℃左右，夏季變電所內(nèi)溫度可達(dá)40℃以上。

1.2 變電所的環(huán)境要求

根據(jù)《20 kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范》（GB 50053—2013）[2]，“6.3.1變壓器室宜采用自然通風(fēng)，夏季的排風(fēng)溫度不宜高于45 ℃，且排風(fēng)與進(jìn)風(fēng)的溫差不宜大于15 ℃。當(dāng)自然通風(fēng)不能滿足要求時，應(yīng)增設(shè)機(jī)械通風(fēng)?！薄ⅰ?.3.4 配電室宜采用自然通風(fēng)。設(shè)置在地下或地下室的變、配電所，宜裝設(shè)除濕、通風(fēng)換氣設(shè)備;控制室和值班室宜設(shè)置空氣調(diào)節(jié)設(shè)施”。

變電所主要放置隧道機(jī)電設(shè)備的供電設(shè)備，各設(shè)備對運(yùn)行環(huán)境的溫濕度要求如表1。

1.3 變電所環(huán)境分析

隧道變電所內(nèi)由于風(fēng)壓差及粉塵污穢較多（金屬顆粒物、汽車尾氣、輪胎粉塵等），造成現(xiàn)有變電所的排風(fēng)機(jī)在這樣的工況狀況下快速損壞，導(dǎo)致隧道變電所內(nèi)通風(fēng)不暢，溫度過高。高溫的主要影響如下：

1.3.1 對設(shè)備的影響

設(shè)備在使用過程中內(nèi)部損耗使設(shè)備本身具有一定的溫度。周圍環(huán)境溫度過高，或空氣流動性差，設(shè)備的熱量不能及時散開，導(dǎo)致設(shè)備由于過熱跳閘，甚至燒壞設(shè)備。配電箱內(nèi)的電子產(chǎn)品如電流動作保護(hù)器、電子型計量表，在高溫下運(yùn)行會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用壽命，影響保護(hù)器性能的穩(wěn)定性和動作的可靠性以及計量的準(zhǔn)確性。在高溫下運(yùn)行的無功補(bǔ)償電容器、熔斷器也會縮短壽命。

1.3.2 對導(dǎo)體材料的影響

溫度升高，金屬材料軟化，機(jī)械強(qiáng)度將明顯下降。如銅金屬材料長期工作溫度超過200 ℃時，機(jī)械強(qiáng)度明顯下降。鋁金屬材料的機(jī)械強(qiáng)度也與溫度密切相關(guān)，通常鋁的長期工作溫度不宜超過90 ℃，短時工作溫度不宜超過120 ℃。

1.3.3 對電接觸的影響

電接觸不良是導(dǎo)致許多電氣設(shè)備故障的重要原因，而電接觸部分的溫度對電接觸的良好性影響極大。溫度過高，電接觸兩導(dǎo)體表面會劇烈氧化，接觸電阻明顯增加，造成導(dǎo)體及其附件（零部件）溫度升高，甚至可能使觸頭發(fā)生熔焊。由彈簧壓緊的觸頭，在溫度升高后，彈簧壓力降低，電接觸的穩(wěn)定性變差，容易造成電氣故障。

13.4 對絕緣材料的影響

溫度過高，有機(jī)絕緣材料將會變脆老化，絕緣性能下降，甚至擊穿，材料的使用壽命也將縮短。例如，A級絕緣材料在一定溫度范圍內(nèi)，每增加8～10 ℃，材料的使用壽命約縮短50%。因此對電機(jī)類設(shè)備存在較大影響。

1.3.5 對電子元器件的影響

高溫影響電子元器件工作，如高溫可使半導(dǎo)體元件熱擊穿，因為溫度升高，電子激活程度加劇，使本來不導(dǎo)電的半導(dǎo)體層導(dǎo)通。高溫使電子元器件的性能變差，如在偏高的溫度下，電子元件的反向?qū)驅(qū)щ婋娏髟黾?、放大倍?shù)減小等。

2 改造方案

2.1 總體方案

為了保證變電所內(nèi)機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行，首先需要對變電所內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行清潔。同時對變電所進(jìn)行防塵堵塞，確保防塵效果。同時，為了改善隧道橫洞變電所設(shè)備的使用環(huán)境，須對變電所內(nèi)通風(fēng)降溫設(shè)備進(jìn)行改造。

主要技術(shù)措施：

針對橫洞變電所的現(xiàn)狀，該次設(shè)計通過以下措施實(shí)現(xiàn)變電所環(huán)境的改善：

（1）采用機(jī)械通風(fēng)方式為橫洞變電所通風(fēng)降溫，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置灰塵過濾裝置。

（2）加強(qiáng)設(shè)備柜及變電所門框防塵密封效果。

2.2 通風(fēng)過濾系統(tǒng)的改造

2.2.1 通風(fēng)過濾系統(tǒng)配置

該設(shè)計在各變電所安裝一套通風(fēng)過濾系統(tǒng)，通過將配電室外部（主洞環(huán)境較好的隧道端）冷空氣經(jīng)進(jìn)風(fēng)口[3]及除塵裝置過濾后通過送風(fēng)機(jī)直接送入配電橫洞，通過通風(fēng)管道直接到達(dá)配電室高溫區(qū)域（如變壓器柜所在區(qū)域），在變電所內(nèi)循環(huán)降溫，再經(jīng)排風(fēng)口排風(fēng)。

通風(fēng)過濾系統(tǒng)包括進(jìn)風(fēng)過濾裝置、除塵引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管道、出風(fēng)口、現(xiàn)場控制器以及溫度傳感器等。其中進(jìn)風(fēng)過濾裝置含兩級過濾裝置，一級氣動斡旋過濾裝置主要針對灰塵顆粒較大的空氣進(jìn)行處理，二級濾芯過濾裝置針對顆粒較小的微粒進(jìn)行吸附，濾芯定時更換，達(dá)到送風(fēng)凈化的效果。通風(fēng)過濾設(shè)備采用機(jī)械和靜電凈化雙重凈化裝置，使進(jìn)入室內(nèi)的空氣達(dá)到90%的凈化。溫度傳感器安裝在設(shè)備容易發(fā)熱的位置。

為避免通風(fēng)過濾裝置導(dǎo)致橫洞變電所內(nèi)風(fēng)壓過高的問題，在隧道橫洞墻壁上開孔后安裝排風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)過濾系統(tǒng)的排風(fēng)口，排風(fēng)口排風(fēng)機(jī)可根據(jù)變電所內(nèi)外風(fēng)壓差自動開啟或關(guān)閉（變電所內(nèi)風(fēng)壓>隧道主洞風(fēng)壓時，排風(fēng)機(jī)打開，否則關(guān)閉），也可通過手動控制的方式開啟或者關(guān)閉。

橫洞變電所在隧道環(huán)境較好的方向設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，對向方向設(shè)置排風(fēng)口。

2.2.2 通風(fēng)過濾系統(tǒng)控制

通風(fēng)過濾系統(tǒng)采用全自動溫控系統(tǒng)管理，支持遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場自動控制以及手動控制三種方式，實(shí)時對比變電所內(nèi)外環(huán)境溫度。隧道管理站可實(shí)現(xiàn)橫洞內(nèi)的通風(fēng)過濾系統(tǒng)的啟停;現(xiàn)場控制器根據(jù)現(xiàn)場溫度傳感器啟停，在隧道變電所外和變電所內(nèi)均設(shè)置溫度傳感器，室外溫度高于室內(nèi)溫度時，通風(fēng)過濾裝置停止工作;室內(nèi)任意1組溫度傳感器檢測溫度超過35 ℃（可調(diào)，回差±5 ℃）時，通風(fēng)過濾裝置開始工作，將隧道主洞空氣經(jīng)過濾后回注變電室內(nèi)，內(nèi)部風(fēng)機(jī)循環(huán)到整個變電所內(nèi)部，改善變電所內(nèi)部環(huán)境。

隧道管理站管理計算機(jī)上安裝對應(yīng)通風(fēng)過濾系統(tǒng)的控制軟件，實(shí)現(xiàn)隧道橫洞變電所通風(fēng)過濾系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制?？刂葡到y(tǒng)具備以下功能：

（1）多路采集：周期性讀取各路傳感器的采集數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：按照所測量的物理量要求支持?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（3）數(shù)據(jù)存儲：上位機(jī)對讀取的數(shù)據(jù)全部保存，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，并支持報表輸出。

（4）操作權(quán)限：通過設(shè)置口令實(shí)現(xiàn)軟件操作的分級權(quán)限。

（5）數(shù)據(jù)回查：支持歷史數(shù)據(jù)以曲線圖形式顯示，便于查詢高、低溫的時間周期。

（6）數(shù)據(jù)監(jiān)測：監(jiān)測進(jìn)風(fēng)口溫度及室內(nèi)環(huán)境溫度差，支持實(shí)時溫度變化曲線。

（7）報警功能：提供溫度超限等越限預(yù)警;提供系統(tǒng)界面彈出、蜂鳴等多種告警方式。

（8）控制方式：遠(yuǎn)程設(shè)置和現(xiàn)場手動控制溫控裝置預(yù)警閾值、工作閥值和告警方式。

同時，通風(fēng)過濾系統(tǒng)與隧道火災(zāi)探測報警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動，隧道主洞發(fā)生火災(zāi)時，該系統(tǒng)關(guān)閉通風(fēng)過濾系統(tǒng)，避免隧道主洞內(nèi)火災(zāi)煙霧侵入變電所。

2.3 變電所內(nèi)及設(shè)備清潔和門縫隙封堵

變電所原有風(fēng)機(jī)工作時，并未進(jìn)行有效空氣過濾，兩側(cè)隧道的灰塵、汽車尾氣進(jìn)入變電所內(nèi)，造成室內(nèi)設(shè)備嚴(yán)重污染，灰塵較大，需進(jìn)行如下工作：

（1）對變電所內(nèi)部空間以及室內(nèi)電力設(shè)備、應(yīng)急電源設(shè)備及通信設(shè)備等設(shè)備灰塵清潔。

（2）根據(jù)變電所實(shí)際情況采用防火密封條（或材料）對變電所門框周邊以及電纜溝進(jìn)行密封處理，防止灰塵進(jìn)入。

3 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用與效果

該方案在京昆高速西漢段秦嶺2號隧道3號變電所已試點(diǎn)使用，設(shè)備實(shí)際安裝圖如圖3所示。設(shè)備在夏季溫度較高的時間中啟停規(guī)則采用時間控制，上午開啟時間9：00—11：30，下午開啟時間14：00—17：30。后期使用中主要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境采集的溫度數(shù)據(jù)調(diào)整設(shè)備的啟停邏輯，根據(jù)室內(nèi)外溫度進(jìn)行啟停。經(jīng)實(shí)際調(diào)研，夏季變電所溫度可達(dá)到40 ℃，開啟該通風(fēng)過濾系統(tǒng)之后，變電所平均溫度可保持在26 ℃左右，且后期持續(xù)降溫效果顯著。

4 結(jié)語

隧道橫洞變電所作為隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備供配電的基礎(chǔ)設(shè)施，為隧道的安全運(yùn)營提供了保障。橫洞變電所內(nèi)環(huán)境溫度過高會導(dǎo)致變電所內(nèi)多類設(shè)備的加速損壞，存在一定的安全隱患。

該文基于隧道橫洞變電所內(nèi)夏季高溫的現(xiàn)狀和變電所現(xiàn)有的房建條件及室內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行情況，充分利用隧道橫洞變電所現(xiàn)有物理條件，在橫洞變電所內(nèi)增設(shè)通風(fēng)過濾系統(tǒng)，利用隧道主洞風(fēng)壓，將過濾后的冷空氣送入變電所，在隧道變電所內(nèi)實(shí)現(xiàn)循環(huán)降溫效果，為隧道橫洞變電所內(nèi)的設(shè)備正常運(yùn)行提供了環(huán)境保障。同時，在運(yùn)營管理過程中，該系統(tǒng)對橫洞內(nèi)變電所環(huán)境的監(jiān)測提供了科學(xué)的管理手段。

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