高速公路隧道節(jié)能型供配電系統(tǒng)探討

曾柳雄

（廣東省高速公路有限公司深汕西分公司擴(kuò)建管理處，廣東 惠州 516200）

在現(xiàn)代高速公路隧道項(xiàng)目中，通常配備大量監(jiān)控設(shè)施、照明設(shè)施和通信設(shè)施，這對(duì)營(yíng)造安全行車環(huán)境、預(yù)防交通事故有重要作用。隨著負(fù)載設(shè)備增多，供配電系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)加重，一些隧道供配電系統(tǒng)缺乏節(jié)能技術(shù)措施，在隧道運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生了高昂的用電成本，并造成巨大的能源浪費(fèi)。因此，要積極推進(jìn)隧道供配電系統(tǒng)的節(jié)能升級(jí)，增加高速公路隧道經(jīng)濟(jì)效益，這也是實(shí)現(xiàn)節(jié)約型社會(huì)的重要舉措。

1 高速公路隧道供配電系統(tǒng)概述

1.1 隧道供電需求

在高速公路隧道項(xiàng)目中，機(jī)電設(shè)施包括隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，供配電系統(tǒng)負(fù)責(zé)持續(xù)、穩(wěn)定向其他全部機(jī)電設(shè)施供電。根據(jù)各系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模，準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)隧道機(jī)電設(shè)施的總體負(fù)荷，并作為供配電系統(tǒng)的建設(shè)依據(jù)。根據(jù)長(zhǎng)度不同，高速公路隧道被劃分為若干級(jí)別，長(zhǎng)度不足500 m為短隧道，長(zhǎng)度500～1 000 m為中長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)度1 000～3 000 m為長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)度超過3 000 m為特長(zhǎng)隧道。各級(jí)別高速公路隧道的設(shè)備種類、設(shè)備臺(tái)數(shù)有所不同，隧道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，負(fù)荷需求越大，對(duì)電力供應(yīng)質(zhì)量與穩(wěn)定性的要求就更加嚴(yán)格[1]。

1.2 負(fù)荷分級(jí)

根據(jù)《公路隧道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D71—2004）等現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，把高速公路隧道電力負(fù)荷劃分為若干等級(jí)。正常情況下，消防水泵、排煙風(fēng)機(jī)、基本照明設(shè)備、風(fēng)機(jī)風(fēng)閥為一級(jí)用電負(fù)荷；應(yīng)急照明設(shè)備、通風(fēng)及照明控制設(shè)施、火災(zāi)檢測(cè)裝置、中央控制設(shè)施、交通監(jiān)控設(shè)施為一級(jí)負(fù)荷特別重要負(fù)荷；軸流送風(fēng)機(jī)、通風(fēng)射流風(fēng)機(jī)、加強(qiáng)照明設(shè)備、消防補(bǔ)水水泵為二級(jí)用電負(fù)荷；剩余的隧道檢修電源、特殊燈光帶照明、潛水泵、排污泵等均設(shè)定為三級(jí)用電負(fù)荷[2]。

1.3 現(xiàn)狀問題

根據(jù)投運(yùn)使用情況來看，在早期建成的高速公路隧道項(xiàng)目中，供配電系統(tǒng)主要存在取電方式單一、控制方式落后、傳統(tǒng)電源依賴性大的問題，導(dǎo)致實(shí)際用電成本、系統(tǒng)能耗水平處于失控狀態(tài)。

1）取電方式單一。供配電系統(tǒng)主要采取架設(shè)專用線路供電、T接當(dāng)?shù)剞r(nóng)網(wǎng)線路的取電方式，單項(xiàng)取電方式存在明顯局限性，對(duì)供電質(zhì)量、供電可靠性造成明顯影響。其中，架設(shè)專用線路供電方式的電能質(zhì)量得到保障，但隧道供電成本較為高昂，需要長(zhǎng)距離架設(shè)線路，還會(huì)加重隧道運(yùn)維管理負(fù)擔(dān)。T接當(dāng)?shù)剞r(nóng)網(wǎng)線路方式具有供電距離短、建設(shè)成本低的優(yōu)勢(shì)，但農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，電壓起伏對(duì)隧道供配電系統(tǒng)運(yùn)行工況造成明顯影響，頻繁出現(xiàn)斷電問題。

2）控制方式落后。早期供配電系統(tǒng)和其他機(jī)電設(shè)施采取手動(dòng)控制方式，運(yùn)維單位需要組建一支規(guī)模龐大的管理團(tuán)隊(duì)，這無疑會(huì)產(chǎn)生高昂運(yùn)維管理成本。同時(shí)，由于機(jī)電設(shè)施控制不及時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間超出合理時(shí)長(zhǎng)，長(zhǎng)期處于高負(fù)荷狀態(tài)，難免會(huì)產(chǎn)生不必要的電能浪費(fèi)。

3）傳統(tǒng)電源依賴性大。多數(shù)隧道供配電系統(tǒng)均以當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)作為電能來源，這不但會(huì)加重電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，偶爾還會(huì)在外部電網(wǎng)影響下出現(xiàn)隧道供配電系統(tǒng)斷電問題。同時(shí)，電網(wǎng)與供配電系統(tǒng)間的輸電距離較長(zhǎng)，電能輸送期間會(huì)產(chǎn)生一定比例的線損量，輸電距離越長(zhǎng)，線損量越大。

2 高速公路隧道節(jié)能型供配電系統(tǒng)分析

2.1 供電電源選型

在供電電源選型環(huán)節(jié)，為提高供電可靠性，需要在供配電系統(tǒng)內(nèi)采取多路電源供電方式，各路電源處于獨(dú)立狀態(tài)，各自承擔(dān)一部分供電負(fù)荷，系統(tǒng)運(yùn)行期間如果出現(xiàn)單路電源斷電情況，剩余一路電源足以滿足隧道供電需求，基本不會(huì)出現(xiàn)隧道機(jī)電設(shè)施停電癱瘓情況。對(duì)于大型高速公路隧道項(xiàng)目，從高速公路隧道周邊電力網(wǎng)內(nèi)分別引接兩回路電源進(jìn)線，加裝自投切裝置，雙路進(jìn)線互為備用，或把兩路電源分別作為主電源和備用電源。而對(duì)于用電負(fù)荷較低的小型高速公路隧道項(xiàng)目，設(shè)計(jì)人員從周邊電力網(wǎng)上引接一路電源作為主電源，在隧道內(nèi)部安裝柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源即可，主電源供電中斷后，柴油發(fā)電機(jī)組立即投入運(yùn)行。此外，對(duì)于應(yīng)急照明設(shè)備等特別重要的一級(jí)負(fù)荷，應(yīng)采取EPS應(yīng)急電源或UPS不間斷電源形式，以提高供電可靠性為首要目的，避免此類設(shè)備因停電中斷運(yùn)行而形成交通安全隱患。

2.2 變配電所選址

供電半徑和線損量有密切聯(lián)系，一般做法是在負(fù)荷中心區(qū)域布置變配電所，通過縮減供電半徑來減少電能傳輸期間產(chǎn)生的線損量，取得節(jié)能效果。正常情況下，可采取單側(cè)布置、兩側(cè)對(duì)稱布置、分散布置等方式，具體根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)分布位置來確定，首要滿足負(fù)載設(shè)備穩(wěn)定供電需求，再考慮變配電所選址方案對(duì)工程造價(jià)、高速公路隧道結(jié)構(gòu)、線損量等其他方面造成的影響。其中，單側(cè)布置是在隧道一端設(shè)置單座變配電所或是箱式變電站，對(duì)稱布置是隧道兩端各布置一座變配電所，分散布置則是沿高速公路隧道布置若干座變配電所，按照風(fēng)機(jī)位置來調(diào)節(jié)相鄰變配電所的間隔距離[3]。同時(shí)，考慮到高速公路隧道建設(shè)區(qū)域周邊環(huán)境較為復(fù)雜，若在隧道外部布置變配電所，征地時(shí)往往涉及基本農(nóng)田或經(jīng)濟(jì)林區(qū)，導(dǎo)致征地?zé)o法實(shí)施，且系統(tǒng)運(yùn)行工況易受到環(huán)境因素影響。為減輕外部環(huán)境對(duì)變配電所建設(shè)及運(yùn)行工況造成的影響，具備兩路 10 kV進(jìn)線條件的隧道應(yīng)優(yōu)先考慮布置洞內(nèi)變配電所，隧道內(nèi)部采取專用配電橫洞形式，橫洞內(nèi)部布置變配電所，保持變配電所和隧道行車主洞垂直狀態(tài)，如果直接設(shè)置變配電所，則會(huì)對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)使用性能、隧道交通行車安全造成一定影響。

2.3 變壓器容量選擇

在高速公路隧道項(xiàng)目中，供配電系統(tǒng)內(nèi)主要配備牽引變壓器、配電變壓器兩種變壓器，變壓器容量合理與否，直接影響到項(xiàng)目造價(jià)成本和系統(tǒng)節(jié)能系數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況來確定變壓器最佳容量。對(duì)于牽引變壓器，要求整流機(jī)組單邊供電能力不低于單邊運(yùn)行需求，各座牽引變電所的高峰最大功率不超過3倍機(jī)組額定容量，高峰平均功率不超過1.5倍機(jī)組額定容量。對(duì)于配電變壓器，按照0.9功率因數(shù)的常規(guī)情況來計(jì)算所配備變壓器的空載損耗率、負(fù)載損耗率，把變壓器負(fù)荷率控制在40%～100%、變壓器平均效率維持在90%以上，維持負(fù)荷率與效率的前提下，根據(jù)隧道配電系統(tǒng)在不同假定工況時(shí)的用電量來計(jì)算最佳容量值。同時(shí)，對(duì)于大型高速公路隧道項(xiàng)目，考慮到變壓器容量較大，可選擇配備多臺(tái)變壓器，確保全部變壓器的容量總和滿足實(shí)際供配電需求[4]。

2.4 確定電纜截面

電纜截面與電壓損失、供電可靠性有著密切聯(lián)系，電纜截面過大會(huì)在輸電期間產(chǎn)生明顯電壓損失，電纜截面過小則會(huì)在輸電期間出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，導(dǎo)致一系列電氣故障，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)電氣火災(zāi)事故。對(duì)此，應(yīng)結(jié)合高速公路隧道項(xiàng)目情況，采取綜合經(jīng)濟(jì)最小法，確定電纜截面值，在滿足隧道供電需求的前提下，把項(xiàng)目造價(jià)成本和總體用電量控制在最低程度。綜合經(jīng)濟(jì)最小法也被稱為經(jīng)濟(jì)選型法，根據(jù)已掌握信息來計(jì)算高速公路隧道項(xiàng)目在全壽命周期內(nèi)投資成本、導(dǎo)線損耗成本最小的電纜截面積與對(duì)應(yīng)工作電流值。應(yīng)提前選定若干電纜截面積，把首年最大負(fù)載電流、實(shí)際交流電阻值、隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)間、綜合系數(shù)導(dǎo)入公式求解損耗費(fèi)用，以損耗費(fèi)用、電纜采購與施工費(fèi)用的總和作為總體費(fèi)用，以總體費(fèi)用相對(duì)最低時(shí)的截面積作為最終電纜截面規(guī)格。

2.5 無功補(bǔ)償

在高速公路隧道供配電系統(tǒng)中，各臺(tái)用電設(shè)備和變壓設(shè)備以感性負(fù)載為主，運(yùn)行期間存在交流電壓電流相位偏差情況，電壓相位、電流相位沒有保持平衡狀態(tài)，最終造成設(shè)備無功功率提升、功率因素降低、損耗程度加劇的后果，實(shí)際能耗水平超出正常水準(zhǔn)。同時(shí)，在照明燈具等用電設(shè)備頻繁啟停期間，也會(huì)對(duì)隧道供電網(wǎng)絡(luò)造成沖擊，打破電壓穩(wěn)定狀態(tài)。為妥善解決此項(xiàng)問題，應(yīng)在供配電系統(tǒng)內(nèi)采取無功補(bǔ)償措施，系統(tǒng)運(yùn)行期間持續(xù)提供無功補(bǔ)償，起到校正電壓電流相位偏差、維持功率因數(shù)、減少線損量的作用，具體補(bǔ)償方式包括就地補(bǔ)償、分散補(bǔ)償、隨機(jī)補(bǔ)償、集中補(bǔ)償?shù)?。一般辦法是在隧道箱式變電站或是兩端變電所內(nèi)部安裝電容自動(dòng)補(bǔ)償柜，把變壓器低壓側(cè)母線位置作為集中補(bǔ)償點(diǎn)位，要求經(jīng)過無功補(bǔ)償后的供配電系統(tǒng)功率因數(shù)不低于0.95。此外，為改善無功補(bǔ)償效果，也可采取新推出的智能無功補(bǔ)償技術(shù)，在補(bǔ)償柜內(nèi)設(shè)置補(bǔ)償控制器，以功率因數(shù)、無功功率或是無功電流作為狀態(tài)量，持續(xù)采集、分析狀態(tài)量變化情況，根據(jù)分析結(jié)果來自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償方案，始終保持無功補(bǔ)償方案、供配電系統(tǒng)工況的匹配狀態(tài)[5]。

2.6 照明節(jié)能

照明系統(tǒng)是隧道供配電系統(tǒng)的重要組成部分，長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，照明設(shè)備實(shí)際用電量遠(yuǎn)超通風(fēng)機(jī)組、消防設(shè)備等其他負(fù)載設(shè)備。因此，為提高隧道供配電節(jié)能系數(shù)，必須把照明節(jié)能作為重點(diǎn)考慮，具體采取高效光源、智能控制兩項(xiàng)措施。

1）選用高效光源。選用LED燈取代白熾燈、熒光燈、無極燈等傳統(tǒng)照明光源，新型照明光源的光效值、使用壽命、燈具光效率都遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光源，在營(yíng)造高質(zhì)量人工照明環(huán)境的前提下，有效降低照明系統(tǒng)能耗水平。LED 燈的光效值為130 lm/W，平均使用壽命超過50 000 h，燈具光效率在90%左右。相比之下，白熾燈光效僅為5～20 lm/W，使用壽命不超過1 000 h，燈具光效率僅為60%；無極燈光效為50 lm/W，使用壽命與LED燈接近，燈具光效率在55%左右。

2）智能控制。主流控制方式包括感應(yīng)控制、恒照度控制、定時(shí)控制、無極調(diào)光控制等，各項(xiàng)控制方式的適用范圍、實(shí)際控制效果略有不同。在高速公路隧道工程，適宜采取無極調(diào)光控制方式，在隧道入口段、出口段分別安裝若干臺(tái)光強(qiáng)檢測(cè)器，以洞口光強(qiáng)值作為照明調(diào)光燈控制依據(jù)，實(shí)時(shí)下達(dá)調(diào)光控制指令，既要確保隧道內(nèi)部環(huán)境具備足夠照度，也要避免因隧道內(nèi)外環(huán)境亮度不一致而出現(xiàn)眩光現(xiàn)象及交通安全事故。相比之下，感應(yīng)控制、定時(shí)控制等智能控制方式多用于智能建筑工程，加上高速公路隧道照明工程缺乏實(shí)際應(yīng)用條件，無法取得預(yù)期節(jié)能效果，還會(huì)對(duì)照明質(zhì)量造成影響。

2.7 太陽能供電

為擺脫隧道供配電系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)電源的依賴性，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)電、用電目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員需要以新能源開發(fā)利用作為節(jié)能設(shè)計(jì)重點(diǎn)，著手搭建太陽能供電系統(tǒng)，通過光電效應(yīng)，持續(xù)把太陽輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過逆變器處理后穩(wěn)定向隧道負(fù)載設(shè)備供電，高速公路隧道全壽命周期內(nèi)，太陽能供電系統(tǒng)的發(fā)電效益遠(yuǎn)超系統(tǒng)總體使用成本，從根源上解決電能遠(yuǎn)距離傳輸產(chǎn)生過高線損量的問題。在太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，重點(diǎn)掌握可行性論證、并網(wǎng)接入、并網(wǎng)控制三方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1）可行性論證。提前收集項(xiàng)目資料信息，包括項(xiàng)目選址經(jīng)緯度、全年平均氣溫、有效日照時(shí)間、極端最高氣溫與最低氣溫等，了解日照資源稟賦情況。隨后，使用RETScreen等專業(yè)軟件，推演太陽能供電系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行過程，判斷系統(tǒng)輸出效率、發(fā)電效益是否達(dá)到預(yù)期要求。如果系統(tǒng)發(fā)電效益無法覆蓋總體使用成本，則表明太陽能供電系統(tǒng)缺乏應(yīng)用條件。

2）并網(wǎng)接入。以高速公路隧道低壓配電系統(tǒng)負(fù)載側(cè)作為太陽能供電系統(tǒng)的并網(wǎng)接入點(diǎn)，于負(fù)載側(cè)布置并網(wǎng)逆變器，配電柜內(nèi)加裝防浪涌保護(hù)器。在供配電系統(tǒng)運(yùn)行期間，太陽能供電系統(tǒng)所轉(zhuǎn)換電能依次通過直流斷路器、濾波器、逆變橋、電抗器、三相變壓器、濾波器、交流接觸器和交流斷路器，最終向負(fù)載設(shè)備供電。

3）并網(wǎng)控制。考慮到太陽能供電系統(tǒng)的輸出效率波動(dòng)性較強(qiáng)，受到當(dāng)?shù)貧庀髼l件影響，需要額外采取并網(wǎng)控制技術(shù)，以輸出電壓作為控制量，持續(xù)對(duì)比輸出電壓、額定電壓二者偏差程度，根據(jù)對(duì)比結(jié)果調(diào)整輸出功率，始終保持太陽能供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論

綜上所述，為積極響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展號(hào)召，推動(dòng)我國(guó)公路交通事業(yè)進(jìn)入全新發(fā)展階段。在高速公路隧道項(xiàng)目中，各方人員應(yīng)樹立節(jié)能觀念，以供配電節(jié)能改造作為工作重點(diǎn)，積極落實(shí)供電電源選型、變配電所選址、無功補(bǔ)償、太陽能供電等多項(xiàng)節(jié)能措施，保障供配電系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，取得理想的節(jié)能效益。