城市隧道電氣設計探討認識實踐

陳平安

西城工程設計集團有限公司 浙江 杭州 310000

近年來，我國的城市隧道工程建設在不斷地增加，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輸效率，降低了交通運輸的壓力，對城市的經濟發展有著極其重要的作用。但是現下我國城市隧道的電氣設計上還存在著一定問題，需要不斷的進行優化和改進，特別是現行的城市隧道建設缺乏專業電氣設計標準，城市隧道建設條件多樣，特別是城市長隧道對電氣要求更高。在設計和施工時要加強對各個環節的控制，確保城市隧道內的供電系統正常運行，為城市隧道的交通安全提供最基礎的保障。城市隧道電氣配電需求多為通風、供電、照明、通信、給排水、監控、消防等，在設計時須嚴格按照工程需求和標準設計，確保隧道供電系統合理性和科學性，如圖1所示。

圖1 隧道供配電系統

1 供配電系統的設計

對于城市隧道中的電氣供配電是整個隧道安全運行的基礎，一般城市隧道根據設施重要程度對電力負荷等級分級，涉及安全、穩定、應急、防災要求的設備多為一級負荷，供電系統多引入城市雙獨立10kV電網并按要求設置變配電所，保障供電可靠性。但是隧道在運行的過程中會受到一些因素的干擾，導致城市隧道中的用電設備因為供電影響處于不穩定的狀態，如供電電源故障、觸發器誤操作、線路開斷、高能耗運行等，這些都會影響隧道正常運轉。所以，在保障供配電系統可靠性和安全性對電氣設計合理優化和故障響應，提升隧道整體電力系統的運行質量[1]。隧道供配電主要構成為：電網接引的10kV電源線路、10/0.4kV變電所、高低壓電力線路、隧道照明設施、隧道用電設備、管理用房、電氣設備防雷接地等。

1.1 負荷等級可靠供電

隧道供配電系統應滿足安全、可靠、經濟、運行靈活的要求。確保隧道能安全可靠維持正常運行，并滿足國家供配電設計規范中各類負荷的供電要求。供電系統接線應盡量簡單、統一，以利于工程實施及以后運營管理的方便。隧道動力、照明的供電基本由供電系統中的獨立回路配出，大功率設備必要時采用降壓啟動措施，以減小設備的起動對其他回路的影響。對重要設施按電力負荷等級可靠供電，一級負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，特別重要一級負荷采用雙電源切換+在線式不間斷電源（UPS）的方式供電。

表1 城市隧道設備負荷等級表

1.2 電氣火災監控保護裝置

電氣火災是影響隧道安全和正常運行的極大危險因素，對電氣火災監控保護有效阻斷危害發生。積極避免因電弧、火花、接觸不良、漏電以及接地故障引發的絕緣破損等引起的火災，城市隧道多采用電氣火災監控系統，準確監控電氣線路的故障和異常狀態，發現電氣火災的火災隱患，及時報警提醒相關人員消除這些隱患[2]，如圖2所示。

圖2 電氣火災監控系統

1.3 應急電源

應急電源也是城市隧道供配電系統設計中需要重點考慮的問題，城市隧道在運行的過程中不可避免地會出現停電等突發事故，為了提升隧道使用的安全性，需要對應急電源科學合理地設計到供配電系統中，當出現停電等突發事故時可以利用應急電源去為城市隧道的內部進行照明、監測、控制等工作，以此保障這些用電設備的正常運行。在進行應急電源的設計時，對用電設備位置、用電需求等進行合理分析，選擇適用的應急方案，目前城市隧道常用的應急電源主要有柴油機發電設備、EPS或UPS集中供電、蓄電池備用電源等。

1.4 電纜設計

城市隧道供配電系統中的電纜選擇、敷設方式和電纜連接器需合理設計，直接關系到隧道電力系統的運行。電纜選型考慮交通隧道消防條件及安全運行要求，多采用低煙無鹵型阻燃電纜，中藥設備電纜可采用耐火電纜或礦物絕緣電纜。電纜設計時應按溫升條件或最不利條件選擇電纜截面，并進行校驗。電纜的敷設可以采用掛鉤、支架、橋架、托架敷設。各電纜沿墻或埋地敷設時穿鋼管保護，重要設備的不同電纜建議分開敷設，穿越伸縮縫、沉降縫時應采取相應的保護措施。最后設置電纜連接器，避免連接性、密封性不足導致損壞，由于電纜連接器安裝較為困難，可以根據需要選擇高壓連接器，降低電纜連接器損壞影響[3]。

1.5 隧道電氣節能

近年來，隨著節能環保理念的不斷深入，城市隧道的供配電系統也在不斷地進行節能優化。首先在進行城市隧道供配電系統時，在確保隧道安全性和質量的基礎上，響應低碳減排目標，在設計和選擇各種電器設備時，盡可能地使用節能的電氣設計和設備；其次，要對設計和施工的每個環節進行把控和優化，確保節能降耗可以融入到城市隧道各個環節中，根據隧道建設的實際情況去優化并選擇相應的電氣設備，對設備的功率進行控制，從而降低整個隧道供配電系統的能耗；最后，在節能的基礎上要保障供配電系統的安全性和質量，并且提升城市隧道建設的經濟效益，為工程成本的降低提供有效的支撐。

2 照明系統的設計

隧道照明系統是電氣設計中的重點內容，也是城市隧道運行中的重要組成，并且照明系統在城市隧道交通中可以為車輛的運行保駕護航，為出行的人員提供便捷。目前我國的城市隧道一般大于100米就需要設置照明系統，或通過模擬自然采光條件設置照明系統，降低司機駕駛車輛在經過隧道時其視覺影響，隧道照明則可以有效地避免交通事故的出現。在進行城市隧道的照明系統設計設計時，需要考慮到隧道環境條件、隧道自身條件和隧道交通條件，以此為隧道的照明系統設計提供有效的支撐[4]。

2.1 照明分區

隧道的照明系統根據隧道的內部的環境不同需要設置照明分區（如圖3隧道照明分區）：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。城市隧道的每一個照明分區的設計都有自身的要求，在開展設計的時候要嚴格按照標準進行計算和設計。部分城市隧道的接近段照明在進行設計的時候可以適當地種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現人工減光。還有一種方式是在隧道的上方設置一些天然的減光柵格，以此實現過渡，緩解隧道的“黑洞”和“白洞”效應。這兩種方式可以降低照明燈具的安裝，減少在隧道在運行過程中的能源消耗。

圖3 隧道照明分區

2.2 燈具布置

隧道內部的燈具布置要保障駕駛員在對車輛進行駕駛時其視覺的舒適性，以此去消除因為視覺變化和刺激產生的交通安全事故。燈具的布置要根據照明的分區進行設置，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，也可以采用兩側對稱等布置方式，特別注意燈具的布置應該是貫穿隧道全程的，另外還要在這一區域設置一些應急照明的燈具，避免因為燈具損壞影響到駕駛員的視線。而隧道內部燈具的間距在進行設計時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照明組成，其中加強照明在進行燈具的選擇和布置時需要選用大功率的燈具，并根據燈具的功率不同去設置安裝的間距，從隧道口向中間照明區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、定時、遙控等，而我國的隧道照明主要是通過光控的方式，也就是利用照明探測儀對洞外的亮度進行模擬，然后將其輸送到pc監控機上，再由其對隧道內部的亮度進行調整。其中不同照明區域的調光要求也各不相同，例如，城市隧道與外界的過渡段照明需要根據隧道外的亮度進行分級調控，像夜間時過渡段照明的加強照明燈具可以不開，有效節省運行的能耗。主流的LED隧道照明智能控制系統有回路調光控制系統、RS485控制系統、電力載波控制系統。城市隧道對照明穩定性要求較高，多為長距離線性分布，采用回路調光控制系統較為常見（圖4智能照明調光控制系統）。通過對外界光環境監測，車流量判斷，按需求對燈具進行控制。

圖4 智能照明調光控制系統

2.4 照明系統節能設計

城市隧道中照明系統處于長期運行狀態，對照明系統的節能設計，是實現節能減排的措施方法。在進行城市隧道的照明系統的設計時，嚴格遵守照明相關標準，合理布置燈具、選擇燈具功率，同時對燈具選擇是，還需要從隧道特定環境下的光效、光通量、光衰減、壽命、光色和顯色性、成本要求進行綜合確定。在保障隧道照明可靠性的同時進行節能設計。目前多會應用節能LED燈，通過對節能燈具和燈源量的控制降低照明系統中的電能消耗。

3 隧道監控系統的設計

城市隧道監控系統的合理設計以確保隧道安全暢通的運營、人身安全，提高隧道防災、消災以及車輛通行能力和優化管理等為根本目的，并確立“以人為本”的隧道科學化使用、維護和管理原則，系統按照具有可靠性、先進性、開放性、擴展性、合理性的模式搭建，為將來的整座城市的智能交通系統實施做好技術準備。同時必須具有高速、實時、可靠地檢測隧道內如交通、設備運行狀態以及各種事故、災害的能力，還能掌握各類管理信息，及時作出有效的措施。根據隧道等級條件及城市隧道運維、管理條件，對隧道監控系統（含交通監控系統、視頻監控系統、設備監控系統）、火災自動報警系統、電源及防雷系統等，并考慮信息上傳及與其它系統聯網接口的預留[5]。

4 結束語

城市隧道已經成為許多城市重要的交通建設組成，隧道電氣設計在隧道的建設和運行中有著極為重要的作用，對供配電系統和照明系統進行優化節能設計，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行及管理的成本。合理的隧道監控系統，對城市隧道安全管控，并能防災及快速處理，防止災情蔓延，保障生命及財產不受損害。城市隧道供配電及照明通過管理措施和技術措施節能，利用新設備、新工藝、新技術的設計技術措施，通過加強用電管理和考核工作，挖掘節電潛力，減少電能浪費等管理措施節能方法，提升城市隧道經濟及社會效益，保障城市交通安全。