高海拔公路特長隧道供電設(shè)計(jì)研究

厲紅星, 高 婷, 李曉明

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300308)

0 引 言

隨著我國公路網(wǎng)絡(luò)向高海拔山區(qū)延伸,高海拔特長隧道數(shù)量越來越多,并且出現(xiàn)了一些海拔高度超過2 000 m的超長隧道。高海拔環(huán)境條件對供電設(shè)備的外絕緣和溫升等方面均有較大影響。在高海拔山區(qū),10 kV和35 kV配電網(wǎng)資源比較匱乏,隧道引接雙電源的難度比較大。海拔高度越高,特長隧道供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度越大。隧道供電系統(tǒng)可靠性影響隧道運(yùn)營安全,很有必要進(jìn)行特長隧道供電設(shè)計(jì)研究。

1 高海拔特長隧道供電設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)

高海拔地區(qū)公路特長隧道供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需重點(diǎn)研究高海拔環(huán)境條件對高壓、低壓電氣設(shè)備選型影響和研究確定可靠性高、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的隧道供電方案。考慮到高海拔山區(qū)10 kV和35 kV配電網(wǎng)資源比較匱乏,并且供電半徑比較大,滿足一級負(fù)荷的雙重電源要求是特長隧道供電設(shè)計(jì)主要難點(diǎn)。

1.1 高海拔環(huán)境條件對供電設(shè)備影響分析

1.1.1 中壓開關(guān)柜

當(dāng)海拔超過1 000 m時(shí),由于空氣稀薄、氣壓低,使電氣設(shè)備外絕緣和空氣間隙的放電電壓降低。依據(jù)“巴申定律”,均勻電場氣體擊穿電壓Ub是氣壓和間隙乘積的函數(shù)[1]。

Ub=f(pd)

(1)

式中:p——?dú)鈮?

d——間隙。

擊穿電壓曲線如圖1所示。

由圖1可知:在高海拔低氣壓環(huán)境條件下,空氣間隙的擊穿電壓值降低。為提高外絕緣強(qiáng)度,可采取增大空氣間隙的措施。

對于以空氣為絕緣介質(zhì)的中壓開關(guān)柜,當(dāng)使用地點(diǎn)海拔與試驗(yàn)地點(diǎn)海拔不同時(shí),試驗(yàn)電壓(工頻耐受電壓和雷電沖擊耐受電壓)的海拔修正系數(shù)[2]為

(2)

式中:H2——產(chǎn)品使用地點(diǎn)海拔高度;

H1——產(chǎn)品試驗(yàn)地點(diǎn)海拔高度。

由式(2)可知:相對于基準(zhǔn)海拔,使用地點(diǎn)海拔越高,海拔修正系數(shù)越大,工頻耐受電壓和雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)值越高。

因此,使用在高海拔地區(qū)的空氣絕緣10 kV或35 kV開關(guān)柜外形尺寸一般比較大,確定變電所房間尺寸時(shí)需考慮此情況。

另外,需要考慮高原環(huán)境條件對中壓開關(guān)柜的溫升影響。海拔增高,空氣密度降低,使以空氣對流為主要散熱方式的產(chǎn)品散熱困難,溫升增加。海拔增高,環(huán)境溫度降低,可部分或全部補(bǔ)償因海拔升高所引起的產(chǎn)品溫升的增加值。補(bǔ)償程度需視產(chǎn)品的散熱特點(diǎn)和環(huán)境溫度而定。如果高海拔地區(qū)環(huán)境溫度降低值可以全部補(bǔ)償產(chǎn)品散熱不良而引起的溫升增加值,則使用在高海拔地區(qū)的產(chǎn)品額定容量或額定電流值可以保持不變;否則,應(yīng)降低容量使用或增加散熱措施。

1.1.2 干式配電變壓器

為滿足防火要求,公路隧道地下變電所內(nèi)的配電變電器一般選用干式變壓器。使用在高海拔地區(qū)時(shí),應(yīng)對配電變壓器的額定短時(shí)外施耐受電壓值和繞組溫升限值進(jìn)行修正。

(1) 額定短時(shí)外施耐受電壓值修正方法:當(dāng)變壓器在海拔1 000～4 500 m之間運(yùn)行,而試驗(yàn)在其他海拔地點(diǎn)進(jìn)行時(shí),試驗(yàn)電壓應(yīng)乘以修正系數(shù)[3]

(3)

式中:Tcf1——安裝地點(diǎn)海拔修正系數(shù);

Tcf2——試驗(yàn)地點(diǎn)海拔修正系數(shù)。

海拔1 000～4 500 m之間的安裝地點(diǎn)海拔修正系數(shù)和試驗(yàn)地點(diǎn)海拔修正系數(shù)[3]如表1所示。

表1 海拔1 000～4 500 m之間的安裝地點(diǎn)海拔修正系數(shù)和試驗(yàn)地點(diǎn)海拔修正系數(shù)

(2) 繞組溫升限值修正方法:當(dāng)變壓器在海拔超過1 000 m處運(yùn)行,而試驗(yàn)在正常海拔處進(jìn)行時(shí),如果廠家與用戶之間無另外協(xié)議,溫升限值應(yīng)根據(jù)運(yùn)行地點(diǎn)海拔超過1 000 m的部分,每100 m為一級,按下列數(shù)值相應(yīng)降低[3]:自冷式變壓器為0.5%;風(fēng)冷式變壓器為1%。

1.1.3 柴油發(fā)電機(jī)組

由于特長隧道的機(jī)電負(fù)荷總?cè)萘枯^大,并且供電半徑比較大,應(yīng)用在特長隧道工程中的發(fā)電機(jī)組一般選用10 kV柴油發(fā)電機(jī)組。

柴油發(fā)電機(jī)組輸出額定功率的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)條件[4]為:絕對大氣壓力100 kPa;環(huán)境溫度298 K;空氣相對濕度30%。在高海拔地區(qū),應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)組廠家提供的海拔修正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算實(shí)際輸出功率(實(shí)際功率=額定功率×修正系數(shù))。

1.1.4 低壓開關(guān)柜

常規(guī)型低壓成套開關(guān)柜使用在海拔2 000 m及以下地區(qū)。高海拔地區(qū)空氣密度低,海拔超過2 000 m后,開關(guān)設(shè)備內(nèi)部的絕緣和耐壓水平、開關(guān)設(shè)備的散熱能力都隨著海拔的增加而降低。

采用空氣絕緣的低壓開關(guān)柜,其電氣間隙應(yīng)根據(jù)海拔高度進(jìn)行修正,電氣間隙的海拔修正系數(shù)如表2表示。

表2 電氣間隙的海拔修正系數(shù)

因此,使用在海拔2 000 m以上地區(qū)的空氣絕緣開關(guān)柜外形尺寸會增大,會影響變電所房間內(nèi)的設(shè)備布置。

在高原環(huán)境條件下,低壓成套開關(guān)設(shè)備的工頻耐受電壓和雷電沖擊耐受電壓海拔修正系數(shù)按式(2)計(jì)算。

另外,由于高海拔地區(qū)的空氣對流散熱能力降低,需要考慮高原環(huán)境條件對低壓開關(guān)柜的溫升影響,低壓開關(guān)設(shè)備需要降低容量使用。

1.2 高海拔特長隧道外部電源方案分析

公路特長隧道機(jī)電設(shè)施負(fù)荷分級中,消防水泵、排煙風(fēng)機(jī)等為一級負(fù)荷,應(yīng)急照明、電光標(biāo)志、交通監(jiān)控設(shè)施、通風(fēng)及照明控制設(shè)施、火災(zāi)檢測與報(bào)警設(shè)施、中央控制設(shè)施等為一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷[5]。

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求,一級負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電,當(dāng)一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí),另一個(gè)電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞[6]。對于一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷,除雙重電源供電外,尚應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源供電。

考慮外部電源方案時(shí),需優(yōu)先考慮引接雙市電的方案,當(dāng)隧道周邊中壓電網(wǎng)供電條件有限時(shí)(很難滿足隧道的雙電源需求),可考慮采用“一路市電+10 kV柴油發(fā)電機(jī)組”的方式供電。

另外,考慮外部電源引入方案時(shí),應(yīng)統(tǒng)籌考慮施工臨時(shí)用電與運(yùn)營永久用電需求,做到10 kV或35 kV外部電源一次建設(shè)到位,減少不必要的重復(fù)建設(shè),節(jié)省工程投資。

綜合考慮上述因素,高海拔公路特長隧道供電的外部電源引入方案主要有5種類型。隧道供電電源方案如表3所示。

表3 隧道供電電源方案

需根據(jù)隧道工程所在地的周邊配電網(wǎng)情況、隧道用電負(fù)荷總?cè)萘?、外電線路敷設(shè)距離及外電線路費(fèi)用等,確定可靠性高、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的外電方案。

2 特長隧道供電系統(tǒng)方案研究

依據(jù)隧道長度、用電負(fù)荷總?cè)萘亢屯獠侩娫捶桨?確定整個(gè)隧道供電系統(tǒng)方案,滿足隧道機(jī)電設(shè)施的用電需求。隧道機(jī)電設(shè)施在隧道內(nèi)縱向線形分散布置,由于變電所宜接近負(fù)荷中心[7],需在隧道內(nèi)分布設(shè)置地下10/0.4 kV變電所。

2.1 雙市電單端引入隧道供電方案

當(dāng)隧道進(jìn)口端或出口端的周邊配電網(wǎng)僅其中一端可引接雙電源時(shí),采用雙市電單端引入隧道供電方案。

(1) 10 kV雙重電源單端引入隧道供電方案:隧道內(nèi)10 kV電纜線路末端電壓偏差不超過±7%時(shí),可采用此隧道供電方案。隧道供電方案一如圖2所示。

供電系統(tǒng)運(yùn)行方式:10 kV雙電源同時(shí)供電,互為備用,并設(shè)置備用電源自動投入裝置。

(2) 35 kV雙重電源單端外引隧道供電方案:35/10.5 kV變電站設(shè)置在隧道洞口外附近位置,隧道供電方案二如圖3所示。

供電系統(tǒng)運(yùn)行方式:35 kV雙電源同時(shí)供電,互為備用;35 kV側(cè)和10 kV側(cè)均設(shè)置備用電源自動投入裝置。

2.2 雙市電兩端引入隧道供電方案

當(dāng)隧道進(jìn)口端和出口端的周邊配電網(wǎng)均可引接一路中壓電源,并且兩路電源滿足雙重電源要求時(shí),采用雙市電兩端引入隧道供電方案。

(1) 10 kV雙重電源兩端引入隧道供電方案:隧道內(nèi)10 kV電纜線路末端電壓偏差不超過±7%時(shí),可采用此隧道供電方案。隧道供電方案三如圖4所示。

供電系統(tǒng)運(yùn)行方式:10 kV雙電源同時(shí)供電,互為備用,并設(shè)置備用電源自動投入裝置。

(2) 35 kV雙重電源兩端外引隧道供電方案:35/10.5 kV變電站設(shè)置在隧道洞口外附近位置。隧道供電方案四如圖5所示。隧道供電方案五如圖6所示。

供電方案四的運(yùn)行方式:35 kV雙電源同時(shí)供電,互為備用;35 kV側(cè)和10 kV側(cè)均設(shè)置備用電源自動投入裝置。供電方案五的運(yùn)行方式:35 kV雙電源同時(shí)供電;10 kV側(cè)設(shè)置備用電源自動投入裝置。

隧道供電方案四與方案五的主要區(qū)別為:供電方案四中,采用設(shè)置35 kV聯(lián)絡(luò)電纜方式滿足整條隧道的雙重電源供電要求;供電方案五中,采用兩端10 kV環(huán)網(wǎng)線路在隧道中間聯(lián)絡(luò)方式滿足整條隧道的雙重電源供電要求。

2.3 單市電單端引入隧道供電方案

當(dāng)隧道進(jìn)口端和出口端的周邊配電網(wǎng)僅可引接一路中壓電源時(shí),采用單市電單端引入隧道供電方案。

(1) 10 kV單電源單端引入隧道供電方案:在隧道洞口外附近設(shè)置10 kV柴油發(fā)電站,與10 kV市電組成雙重電源,滿足整條隧道的供電可靠性需求。隧道供電方案六如圖7所示。

供電系統(tǒng)運(yùn)行方式:正常情況下,10 kV市電供電;當(dāng)10 kV市電失電時(shí),自動啟動10 kV柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電。

(2) 35 kV單電源單端外引隧道供電方案:35/10.5 kV變電站設(shè)置在隧道洞口外附近位置,并在隧道洞口外附近設(shè)置10 kV柴油發(fā)電站。隧道供電方案七如圖8所示。

供電系統(tǒng)運(yùn)行方式:正常情況下,35 kV市電供電;當(dāng)市電失電時(shí),自動啟動10 kV柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電。

2.4 單市電兩端引入隧道供電方案

當(dāng)隧道長度L>5 km,并且隧道進(jìn)口端和出口端的周邊配電網(wǎng)僅可引接一路35 kV電源或兩端可引接35 kV雙回路(不滿足雙重電源要求)時(shí),可采用單市電兩端引入隧道供電方案,并在隧道兩端洞口外附近分別設(shè)置10 kV柴油發(fā)電站。隧道供電方案八如圖9所示。

供電系統(tǒng)運(yùn)行方式:正常情況下,35 kV市電供電;當(dāng)市電失電時(shí),自動啟動10 kV柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電。

2.5 高海拔特長隧道供電系統(tǒng)方案選擇

確定隧道供電系統(tǒng)方案時(shí),需依據(jù)外部電源情況、隧道長度、用電負(fù)荷位置和功率值等,進(jìn)行綜合考慮,采用可靠性高、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的隧道供電方案。

(1) 外部電源:高海拔山區(qū)10 kV或35 kV配電網(wǎng)資源一般比較缺乏,并且供電半徑比較大(部分地區(qū)10 kV線路需架設(shè)10 km以上,35 kV線路需架設(shè)30 km以上)。

(2) 用電負(fù)荷分布情況:隧道照明負(fù)荷和弱電系統(tǒng)負(fù)荷在隧道全長度范圍內(nèi)線形分布;隧道動力負(fù)荷以通風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)為主,風(fēng)機(jī)負(fù)荷分布情況與隧道通風(fēng)方式直接相關(guān)。

我國高速公路隧道運(yùn)營通風(fēng)以縱向通風(fēng)方式為主,特長隧道長度L≤5 km時(shí),一般采用全射流縱向通風(fēng)方式;隧道長度L>5 km時(shí),一般采用“通風(fēng)井送排式+射流風(fēng)機(jī)”組合式縱向通風(fēng)方式。隧道長度5 km16 km時(shí),設(shè)置的通風(fēng)井?dāng)?shù)量≥3座。

隧道射流風(fēng)機(jī)額定功率一般為30 kW或37 kW/臺,相對集中分布在洞口段和中間段區(qū)域(部分特長隧道僅在洞口段布置射流風(fēng)機(jī));在通風(fēng)井地面或地下風(fēng)機(jī)房內(nèi),一般設(shè)置多臺大功率風(fēng)機(jī)(額定功率≥200 kW/臺)。特長隧道風(fēng)機(jī)負(fù)荷容量在隧道用電負(fù)荷總?cè)萘恐姓加休^大比例,對隧道供電系統(tǒng)方案影響比較大。

綜合考慮上述條件,提出特長隧道供電系統(tǒng)基本方案的選擇原則,特長隧道供電系統(tǒng)方案如表4所示。

表4 特長隧道供電系統(tǒng)方案

3 高海拔特長隧道案例研究

本文以G7611線昭通至西昌段高速公路工程中的貢覺高山隧道為例進(jìn)行高海拔公路特長隧道供電設(shè)計(jì)分析研究。貢覺高山隧道長度約為12 km,進(jìn)口端(小里程端)的海拔高度約為2 690 m,出口端(大里程端)的海拔高度約為2 610 m,1#通風(fēng)斜井洞口地面風(fēng)機(jī)房的海拔高度約為2 980 m,2#通風(fēng)斜井洞口地面風(fēng)機(jī)房的海拔高度約為2 800 m。隧道用電設(shè)備類型主要有射流風(fēng)機(jī)、10 kV軸流風(fēng)機(jī)、消防水泵、照明燈具和監(jiān)控設(shè)備等。

隧道運(yùn)營外部電源考慮與隧道施工用電“永臨結(jié)合”。結(jié)合沿途電網(wǎng)實(shí)際情況,輸電線路在隧道施工開工前按永久性線路一次架設(shè)完成,隧道施工完成后,作為隧道運(yùn)營永久性用電線路。綜合考慮施工用電量和運(yùn)營用電量情況,隧道外部電源電壓等級為35 kV,分別在隧道進(jìn)口端、出口端、1#斜井地面、2#斜井地面設(shè)置35/10.5 kV變電站。隧道變電所布置圖如圖10所示。

3.1 外部電源引接方案

經(jīng)與當(dāng)?shù)仉娏Σ块T對接外電引入事項(xiàng),僅可以從“解放溝變電站”和“普詩變電站”引接電源。從110 kV“解放溝變電站”架設(shè)一路35 kV專線至貢覺高山隧道進(jìn)口端35/10.5 kV變電站,并架設(shè)至1#斜井地面35/10.5 kV變電站;從35 kV“普詩變電站”架設(shè)一路 35 kV專線至貢覺高山隧道出口端35/10.5 kV變電站,并架設(shè)至2#斜井地面35/10.5 kV變電站,如圖10所示。由于35 kV“普詩變電站”的35 kV進(jìn)線引自110 kV“解放溝變電站”,并且110 kV“解放溝變電站”僅有1路110 kV電源進(jìn)線,引至貢覺高山隧道的兩路35 kV外電線路無法滿足貢覺高山隧道的雙重電源需求。

為保證隧道運(yùn)營用電可靠性,需在隧道進(jìn)口端、出口端、1#斜井地面、2#斜井地面分別設(shè)置10 kV柴油發(fā)電機(jī)組。

3.2 隧道供電系統(tǒng)方案

(1) 隧道變電所布置:在隧道內(nèi)部,分布設(shè)置7座10/0.4 kV變電所;在隧道進(jìn)口端、出口端、1#斜井地面、2#斜井地面分別設(shè)置有10 kV變配電所。

(2) 隧道供電系統(tǒng)主接線:隧道供電系統(tǒng)主接線方案為“單市電兩端引入隧道供電方案”,即采用圖9中所示的“隧道供電方案八”。

供電系統(tǒng)運(yùn)行方式:正常情況下,有35 kV外電線路經(jīng)變電站降壓為10 kV給隧道供電;當(dāng)35 kV外電線路失電時(shí),由10 kV柴油發(fā)電機(jī)組給隧道供電,滿足隧道供電的雙電源要求。

經(jīng)計(jì)算,4#地下變電所的10 kV線路末端在最不利工況時(shí)(隧道左線或右線10 kV電纜斷電)的電壓偏差值為-2.52%,滿足規(guī)范要求;5#地下變電所的10 kV線路末端在最不利工況時(shí)的電壓偏差值為-1.87%,滿足規(guī)范要求。1#斜井地面和2#斜井地面的35/10.5 kV變電站均靠近地面軸流風(fēng)機(jī)房,10 kV線路末端電壓偏差值很容易滿足規(guī)范要求。

3.3 主要供電設(shè)備選型

由于本隧道海拔高度為2 600～3 000 m,需按海拔分級3 000 m(G3)選用高原型供電設(shè)備。10 kV開關(guān)柜選用KYN28A-12空氣絕緣開關(guān)柜,外形尺寸為1 m(寬)×1.5 m(深)×2.4 m(高);10/0.4 kV變壓器采用SCBH15型非晶合金干式變壓器,正常運(yùn)行負(fù)載率為50%左右;0.4 kV開關(guān)柜采用抽屜式開關(guān)柜,斷路器等開關(guān)電器設(shè)備降低容量使用,柜體外形尺寸為0.8 m(寬)×1 m(深)×2.2 m(高);柴油發(fā)電機(jī)組選用配套渦輪增壓發(fā)動機(jī)的10 kV柴油發(fā)電機(jī)組,功率海拔修正系數(shù)取值為0.8。

4 結(jié) 語

通過分析了高海拔環(huán)境條件對供電設(shè)備的影響,研究了特長隧道供電方案的基本類型,并分析了高海拔特長隧道供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例,得出以下結(jié)論:

(1) 在高海拔地區(qū),尤其海拔高度超過2 000 m時(shí),需對高壓電器和低壓電器設(shè)備技術(shù)參數(shù)進(jìn)行修正;采用空氣絕緣的中壓和低壓開關(guān)柜外形尺寸一般比較大。

(2) 用于高海拔特長公路隧道供電時(shí),柴油發(fā)電機(jī)組宜選用渦輪增壓型10 kV柴油發(fā)電機(jī)組,并對實(shí)際輸出功率進(jìn)行海拔修正。

(3) 長度3～5 km特長隧道,推薦采用10 kV市電單端或兩端引入隧道供電方案;長度5～8 km特長隧道,推薦采用10 kV或35 kV市電兩端引入隧道供電方案;長度大于8 km特長隧道,推薦采用35 kV市電兩端引入隧道供電方案。