高速公路特長(zhǎng)隧道供電照明通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置研究

張磊

（貴陽(yáng)電氣控制設(shè)備有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 引言

在高速公路特長(zhǎng)隧道的供配電系統(tǒng)、隧道照明、通風(fēng)系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)中，首要考慮的是安全、高效、低成本等要素。設(shè)計(jì)工作較為復(fù)雜，既要保證符合國(guó)家規(guī)范要求，還要保證車輛行駛、施工的安全。為此，通過(guò)研究高速公路特長(zhǎng)隧道供電照明通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置，從供電、照明、通風(fēng)系統(tǒng)三個(gè)角度分析，為高速公路特長(zhǎng)隧道的施工設(shè)計(jì)指明優(yōu)化方向。

1 供電系統(tǒng)優(yōu)化配置分析

供電是高速公路建設(shè)完畢后的重要研究?jī)?nèi)容，供電系統(tǒng)的建設(shè)需要遵循安全、經(jīng)濟(jì)等原則。為了保證高速公路的穩(wěn)定安全，要加強(qiáng)對(duì)外接電源供電、內(nèi)部供電的研究，編制科學(xué)有效的方案，才能符合配置優(yōu)化的要求。

1.1 外接電源供電

結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，高速公路供配電較為復(fù)雜，且目前采用的供配電方式大部分為傳統(tǒng)方案，通過(guò)建設(shè)十余座變電站來(lái)滿足公路的電能需求。在電能供應(yīng)方面，部分高速公路選擇外部電源接引的方式，將農(nóng)電電網(wǎng)作為基礎(chǔ)接入電網(wǎng)，并以柴油發(fā)電機(jī)來(lái)充當(dāng)應(yīng)急電源。雖然能夠降低經(jīng)濟(jì)成本，但是在運(yùn)營(yíng)和維護(hù)方面較為困難。再加上大部分變電所長(zhǎng)期無(wú)人監(jiān)管，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)、安全隱患極大。采用這種過(guò)于傳統(tǒng)的方案，無(wú)法滿足當(dāng)前高速公路特長(zhǎng)隧道的電源需求，還為人力、資源帶來(lái)很大的壓力。所以需要加強(qiáng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過(guò)外接電源供電，采取集中式供電模式，可以有效替代傳統(tǒng)模式，并在安全、經(jīng)濟(jì)、性能等方面高于傳統(tǒng)模式。

在外部電源接引設(shè)計(jì)中，首先，可以結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐＼?、服?wù)、收費(fèi)、隧道等不同功能區(qū)塊的需求及供電點(diǎn)分布進(jìn)行全面考察，制定綜合性方案，確定最佳供電電源坐標(biāo)；其次，將不同區(qū)塊科學(xué)劃分為數(shù)個(gè)集中供電區(qū)，通過(guò)專線接引調(diào)動(dòng)地方電網(wǎng)電能，建立不同功率的變配電所，利用中壓電能傳輸方法為不同功能區(qū)提供電能。采用這種方式，相較于傳統(tǒng)模式，具有安全性高、成本低、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、電壓穩(wěn)定安全、便于管理等優(yōu)勢(shì)。

1.2 內(nèi)部供電

目前中壓電能傳輸是我國(guó)大部分高速公路特長(zhǎng)隧道所提倡的傳輸模式，相較于傳統(tǒng)模式而言，中壓電能傳輸有成本低、耗能少、便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，不僅能夠降低特長(zhǎng)隧道供電的難度，還能解決電能傳輸技術(shù)水平低的問(wèn)題。

1.2.1 中壓電能傳輸系統(tǒng)

中壓電能傳輸系統(tǒng)指的是10kV 的配電網(wǎng)電壓，通過(guò)將電能傳輸至負(fù)荷點(diǎn)，利用埋地式的變壓器，把電源和電壓逐步轉(zhuǎn)換為設(shè)備需要的電壓，從而就近為設(shè)備供電。在電能配置工程中，大部分特長(zhǎng)隧道出于經(jīng)濟(jì)等方面考慮，都會(huì)加大低壓的傳輸距離。在實(shí)際工程中，可以縮短0.4kV 的低壓傳輸距離，并將電壓上升至10kV，采用相同的電纜線，減少電流損失，并延伸電路線，縮短配電距離。同時(shí)，隧道洞口等照明區(qū)域在500m 左右設(shè)置埋地式變壓器、變電所，實(shí)現(xiàn)供電方案的優(yōu)化。

1.2.2 中壓電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成

傳輸系統(tǒng)是決定電壓、電能穩(wěn)定供應(yīng)的關(guān)鍵，中壓電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成裝置主要包含了10kV 的配電裝置、10kV 的電力輸送線路以及10kV/0.4kV 的埋地式變壓器。同時(shí)，在線路輸送容量條件充分的情況下，可以配置10kV 地式分路器、0.4kV 配電箱等，有效優(yōu)化中壓電能傳輸系統(tǒng)。

1.2.3 中壓電能傳送系統(tǒng)的設(shè)備與技術(shù)

傳輸設(shè)備及技術(shù)需要按照高速公路隧道的電能負(fù)荷情況來(lái)劃分。在傳統(tǒng)配電中，需要考量未來(lái)的備用容量，所以增加了建設(shè)的成本。但是采用中壓電能系統(tǒng)，無(wú)須過(guò)多考慮備用容量，因?yàn)橄到y(tǒng)在容量及線路方面有延伸性，通過(guò)加強(qiáng)布點(diǎn)，可以解決類似問(wèn)題。

在劃分供電區(qū)塊方面，以往多是根據(jù)0.4kV、500m 左右傳輸距離劃分。采用中壓電能傳輸，可以采用10kV 電纜，為通風(fēng)機(jī)和照明分別提供電能。例如，在為射流風(fēng)機(jī)供電時(shí)，分別設(shè)置小容量的埋地式變壓器，提供專用供電電源。并在隧道的不同階段各配置1 臺(tái)埋地式變壓器，距離為500m 左右，為隧道的燈具提供電能。選擇埋地式變壓器是因?yàn)槠渚哂蟹浪⒎阑?、防爆炸等多種特性，相較于傳統(tǒng)的箱式、干式變壓器，可以最大化滿足超長(zhǎng)隧道的要求。

1.2.4 中壓電能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

中壓電能系統(tǒng)主要在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面具有優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用在高速公路特長(zhǎng)隧道中，相較于傳統(tǒng)0.4kV 設(shè)備，絕緣效果更佳，有效降低設(shè)備故障出現(xiàn)的頻次。同時(shí)，中壓電能系統(tǒng)通過(guò)減少輸電電纜的截面，增加連接的便利性，減少對(duì)資源的消耗，并在電能質(zhì)量、安全性、靈活性等方面更有優(yōu)勢(shì)。在經(jīng)濟(jì)性方面，相較于傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)，能夠減少電纜截面、變電所數(shù)量，所以減少了很大一部分的成本、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等方面的費(fèi)用。

同時(shí)，在運(yùn)行管理過(guò)程中，中壓電能傳輸系統(tǒng)屬于新型、環(huán)保、低能耗的工程配置方案，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)布線困難、能耗大等問(wèn)題。

2 照明系統(tǒng)優(yōu)化配置分析

照明系統(tǒng)是高速公路特長(zhǎng)隧道必不可少的內(nèi)容，相較于常規(guī)隧道照明，在設(shè)計(jì)、安全、亮度、適應(yīng)性等方面有更高的要求。結(jié)合當(dāng)前高速公路隧道的施工標(biāo)準(zhǔn)，考慮到眩光性、照明度、路面亮度的均勻性等要素，采用綠色照明設(shè)計(jì)最符合特長(zhǎng)隧道照明系統(tǒng)的配置需求。

2.1 特長(zhǎng)隧道照明的最佳配光

結(jié)合某高速公路特長(zhǎng)隧道建設(shè)來(lái)看，在不同的隧道階段采用了寬光帶照明、逆光照明、普通照明三種照明方案。通過(guò)研究不同的照明方案在路面和墻面的平均亮度、失能眩光增量、平均照度得出結(jié)果，寬光帶照明是特長(zhǎng)隧道照明的最佳配光，在亮度、功率方面都有極大的優(yōu)勢(shì)，并且采用寬光帶照明后，可以容許隧道內(nèi)使用高反射性材料裝飾，在安全、性能、經(jīng)濟(jì)、美觀等方面具有優(yōu)勢(shì)。

2.2 特長(zhǎng)隧道內(nèi)的照明器

在高速公路特長(zhǎng)隧道中，照明器的燈具選擇、附件選擇、光源等都是關(guān)系照明效果的關(guān)鍵。首先，所有光源的特性和性能都不同。在大部分情況下，光源是體現(xiàn)綠色照明高效節(jié)能的關(guān)鍵，要依據(jù)發(fā)光效率、顯色性、調(diào)光性等多種參數(shù)使用光源。高速公路的超長(zhǎng)隧道大部分會(huì)選擇無(wú)極燈、熒光燈、低壓鈉燈等燈具，不同的燈具光源有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。例如，低壓鈉燈雖然光效較好，但是在壽命、顯色性等方面稍差；熒光燈的壽命及光效較好，且顯色性高，經(jīng)常被應(yīng)用在高速公路、標(biāo)志燈等方面；無(wú)極燈是近年來(lái)研究出的較為新穎的燈具，有環(huán)保節(jié)能、顯色安全、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可以取代部分隧道用燈，提升隧道通行的安全性。

結(jié)合高速公路特長(zhǎng)隧道的照明要求、標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)內(nèi)容來(lái)看，大部分工程對(duì)燈具的安全性、使用壽命、性能、節(jié)能效果等都有較高的要求。采用無(wú)極燈可以有效滿足以上要求。主要體現(xiàn)在：無(wú)極燈的燈管無(wú)絲，不會(huì)出現(xiàn)因發(fā)黑、斷絲等報(bào)廢的問(wèn)題；燈管采用硬玻璃，氣密性良好，光衰率低，有超長(zhǎng)的使用壽命；閃爍是很多燈具都無(wú)法避免的問(wèn)題，但是無(wú)極燈采用了有源功率因數(shù)校正電路，光通量波動(dòng)深度較低，無(wú)閃爍，相較于熒光燈等燈具，是一種舒適、健康的光源；在節(jié)能、電壓范圍、顯色性等方面，因?yàn)椴捎昧薃PFC 電路，電壓范圍為85～277V，應(yīng)用三基色熒光粉，相較于其他光源，具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

選擇燈具電器附件需要充分考慮節(jié)能，其中整流器對(duì)節(jié)能效果的影響最大。隨著綠色照明施工要求的提升，電力學(xué)進(jìn)入光源領(lǐng)域后，使用電子整流器替代電感整流器已經(jīng)成為趨勢(shì)。一般情況下電源使用的額定功率在15%～20%之間。電子整流器相較于電感整流器，具有穩(wěn)定、功率小、低溫節(jié)能、噪聲低、可調(diào)光等特點(diǎn)，是推進(jìn)綠色照明優(yōu)化的關(guān)鍵。

2.3 特長(zhǎng)隧道照明的最佳計(jì)算行車速度

行車速度是高速公路隧道照明配置優(yōu)化非常關(guān)鍵的參數(shù)，對(duì)整體照明系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)和投資成本影響很大。國(guó)外曾經(jīng)對(duì)此做過(guò)研究，在其他參數(shù)相同的情況下，隨著高速公路的車速標(biāo)準(zhǔn)、長(zhǎng)度提升，設(shè)備費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)提升，所需的電能量也會(huì)增加。

結(jié)合相關(guān)研究實(shí)踐來(lái)看，在通過(guò)隧道的過(guò)程中，大部分車速會(huì)下降30%左右，而這一現(xiàn)象對(duì)隧道照明的配置影響也非常大。例如，在我國(guó)某高速公路超長(zhǎng)隧道中，全路段車速為100km/h，相應(yīng)的照明設(shè)計(jì)也會(huì)按照100km/h 進(jìn)行配置，燈具一般為400W，距離1m。全部開(kāi)啟后，隧道內(nèi)的燈具亮度將會(huì)超過(guò)隧道外的露天亮度。在常規(guī)情況下，運(yùn)營(yíng)單位僅開(kāi)啟應(yīng)急、基本照明回路，就可以滿足車輛安全運(yùn)行的需求。因?yàn)闊艟哌^(guò)多，所以理論負(fù)載、電纜截面都會(huì)加大，而大部分燈具處于長(zhǎng)期閑置狀態(tài)，造成了嚴(yán)重的資源和資金浪費(fèi)。

基于此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)隧道照明計(jì)算行車速度的優(yōu)化，采用最佳車速計(jì)算。在公路的主線設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)車速為100km/h，照明設(shè)計(jì)的車速計(jì)算就應(yīng)當(dāng)降低一個(gè)檔次，如采用80km/h，不能超過(guò)此檔次設(shè)計(jì)。如果主線的行車速度設(shè)計(jì)為80km/h 或60km/h，需要考慮隧道車流量、小型車速度等多種因素，所以行車速度應(yīng)當(dāng)保持當(dāng)前檔次，不應(yīng)當(dāng)降低速度檔次，并采取主線路段設(shè)計(jì)作為隧道照明的最佳車速設(shè)計(jì)。

2.4 照明控制方式

高速公路超長(zhǎng)隧道的照明控制方式主要包含了亮度、照明要求、節(jié)能等要素。應(yīng)當(dāng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求及運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用要求，優(yōu)化照明的控制方式。

結(jié)合我國(guó)當(dāng)前隧道照明的實(shí)際情況，主要分為兩種方式：第一種是根據(jù)基本亮度需求，全程布置隧道，將回路分為基本、應(yīng)急回路兩種：第二種是根據(jù)加強(qiáng)照明需求，將附加燈具劃分為多個(gè)獨(dú)立的回路小組，并結(jié)合具體情況排列布置，從而滿足不同區(qū)段的亮度需求。在很多高速公路隧道設(shè)計(jì)中，為保證照明控制方式的優(yōu)化，采取第一種與第二種方式穿插的形式。根據(jù)隧道外亮度的變化來(lái)劃分照明的控制等級(jí)，分別接通及關(guān)閉不同回路控制隧道內(nèi)的亮度效果。并且在隧道內(nèi)的車流量減少時(shí)，大部分隧道采用交錯(cuò)間隔的方式開(kāi)啟單側(cè)燈具，有效保證行車安全。

所以，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體特點(diǎn)，根據(jù)隧道內(nèi)的燈具亮度來(lái)控制，減少部分燈具的亮度，從而降低能耗，同時(shí)確保隧道內(nèi)亮度的均勻性，加強(qiáng)智能化系統(tǒng)控制。結(jié)合我國(guó)當(dāng)前高速公路特長(zhǎng)隧道的照明控制方式來(lái)看，目前先進(jìn)的技術(shù)主要采用感光電池、電子整流器以及電位器等來(lái)配置智能化燈具系統(tǒng)。高速公路超長(zhǎng)隧道通過(guò)應(yīng)用分布式的智能照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算為基礎(chǔ)的全智能化、數(shù)字化系統(tǒng)，通過(guò)光纖技術(shù)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化配置分析

3.1 特長(zhǎng)隧道的火災(zāi)特征

高速公路特長(zhǎng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的作用在于將隧道內(nèi)的污染物、有害氣體濃度降低到安全濃度以下，確保車輛行駛的安全性與舒適度，保持隧道的空氣質(zhì)量。在設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)程中，需要考慮通風(fēng)效果、土建費(fèi)用、設(shè)備投入等多種因素，并以防火防災(zāi)思想為原則。制約設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵因素在于經(jīng)濟(jì)成本，相較于普通隧道，特長(zhǎng)隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)可占據(jù)施工成本的30%，且后期的運(yùn)行維護(hù)成本更高。為此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)科學(xué)經(jīng)濟(jì)的方案，既滿足功能需求，還要盡量減少經(jīng)濟(jì)成本的投入。

結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，隧道機(jī)械投入成本和隧道長(zhǎng)度有直接關(guān)系，所以特長(zhǎng)隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)根據(jù)隧道的具體情況，結(jié)合國(guó)家施工標(biāo)準(zhǔn)，采取實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的方案。目前我國(guó)大部分高速公路特長(zhǎng)隧道采取的是半橫向、全橫向、分段縱向等通風(fēng)模式。不同的模式有不一樣的優(yōu)缺點(diǎn)。例如，分段縱向通風(fēng)模式，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用少、土建施工少，可選方案多，但是防火防災(zāi)性能低。隨著高速公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的不斷完善，當(dāng)前我國(guó)大部分公路隧道都采用縱向通風(fēng)模式，主要包括射流風(fēng)機(jī)、豎井送風(fēng)，加強(qiáng)防火救災(zāi)設(shè)計(jì)，可以有效優(yōu)化通風(fēng)配置。

3.2 火災(zāi)事故的通風(fēng)

特長(zhǎng)隧道的火災(zāi)事故通風(fēng)較為復(fù)雜，因?yàn)樗淼谰嚯x長(zhǎng)、空間有限，很容易發(fā)生交通事故和車輛起火。所以，火災(zāi)事故通風(fēng)要目的明確：一方面，要求人員能夠及時(shí)逃生，避免事故現(xiàn)場(chǎng)氣體的擴(kuò)散；另一方面，要避免火災(zāi)煙氣進(jìn)入相鄰隧道與人行橫道。在設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)的過(guò)程中，要充分考慮不同階段的風(fēng)速、風(fēng)向。例如，在人員撤離階段，風(fēng)速要從正常通風(fēng)改為事故通風(fēng)；在消防滅火階段，要求人員撤離完畢后，及時(shí)進(jìn)行滅火，風(fēng)機(jī)吹向要與自然風(fēng)相同。合理的設(shè)計(jì)可以為撲救火災(zāi)事故創(chuàng)造最大的便利條件，從而保障人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在加快城鎮(zhèn)建設(shè)的背景下，隨著高速公路隧道建設(shè)水平逐步提升，隧道建設(shè)要求也在不斷提高。特長(zhǎng)隧道相較于普通隧道在配置方面更加復(fù)雜，所以需要加強(qiáng)對(duì)施工方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化。從供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)三個(gè)角度出發(fā)，分別探討供電系統(tǒng)的內(nèi)外部電源、供電，照明系統(tǒng)的最佳配光、照明器、照明控制方式、最佳計(jì)算行車速度，通風(fēng)系統(tǒng)的火災(zāi)特征、事故通風(fēng)等。結(jié)合實(shí)際情況，研究高速公路特長(zhǎng)隧道供電照明通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置，希望為高速公路特長(zhǎng)隧道的配置指明優(yōu)化方向，促進(jìn)施工建設(shè)安全、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。