高速公路隧道節能型供配電系統探討

曾柳雄

（廣東省高速公路有限公司深汕西分公司擴建管理處，廣東 惠州 516200）

在現代高速公路隧道項目中，通常配備大量監控設施、照明設施和通信設施，這對營造安全行車環境、預防交通事故有重要作用。隨著負載設備增多，供配電系統運行負擔加重，一些隧道供配電系統缺乏節能技術措施，在隧道運營期間產生了高昂的用電成本，并造成巨大的能源浪費。因此，要積極推進隧道供配電系統的節能升級，增加高速公路隧道經濟效益，這也是實現節約型社會的重要舉措。

1 高速公路隧道供配電系統概述

1.1 隧道供電需求

在高速公路隧道項目中，機電設施包括隧道視頻監控系統、供配電系統、消防系統、通風系統和照明系統，供配電系統負責持續、穩定向其他全部機電設施供電。根據各系統的建設規模，準確統計隧道機電設施的總體負荷，并作為供配電系統的建設依據。根據長度不同，高速公路隧道被劃分為若干級別，長度不足500 m為短隧道，長度500～1 000 m為中長隧道，長度1 000～3 000 m為長隧道，長度超過3 000 m為特長隧道。各級別高速公路隧道的設備種類、設備臺數有所不同，隧道長度越長，負荷需求越大，對電力供應質量與穩定性的要求就更加嚴格[1]。

1.2 負荷分級

根據《公路隧道交通工程設計規范》（JTG/T D71—2004）等現行規范規定，把高速公路隧道電力負荷劃分為若干等級。正常情況下，消防水泵、排煙風機、基本照明設備、風機風閥為一級用電負荷；應急照明設備、通風及照明控制設施、火災檢測裝置、中央控制設施、交通監控設施為一級負荷特別重要負荷；軸流送風機、通風射流風機、加強照明設備、消防補水水泵為二級用電負荷；剩余的隧道檢修電源、特殊燈光帶照明、潛水泵、排污泵等均設定為三級用電負荷[2]。

1.3 現狀問題

根據投運使用情況來看，在早期建成的高速公路隧道項目中，供配電系統主要存在取電方式單一、控制方式落后、傳統電源依賴性大的問題，導致實際用電成本、系統能耗水平處于失控狀態。

1）取電方式單一。供配電系統主要采取架設專用線路供電、T接當地農網線路的取電方式，單項取電方式存在明顯局限性，對供電質量、供電可靠性造成明顯影響。其中，架設專用線路供電方式的電能質量得到保障，但隧道供電成本較為高昂，需要長距離架設線路，還會加重隧道運維管理負擔。T接當地農網線路方式具有供電距離短、建設成本低的優勢，但農網負荷處于動態變化狀態，電壓起伏對隧道供配電系統運行工況造成明顯影響，頻繁出現斷電問題。

2）控制方式落后。早期供配電系統和其他機電設施采取手動控制方式，運維單位需要組建一支規模龐大的管理團隊，這無疑會產生高昂運維管理成本。同時，由于機電設施控制不及時，系統運行時間超出合理時長，長期處于高負荷狀態，難免會產生不必要的電能浪費。

3）傳統電源依賴性大。多數隧道供配電系統均以當地電網作為電能來源，這不但會加重電網運行負擔，偶爾還會在外部電網影響下出現隧道供配電系統斷電問題。同時，電網與供配電系統間的輸電距離較長，電能輸送期間會產生一定比例的線損量，輸電距離越長，線損量越大。

2 高速公路隧道節能型供配電系統分析

2.1 供電電源選型

在供電電源選型環節，為提高供電可靠性，需要在供配電系統內采取多路電源供電方式，各路電源處于獨立狀態，各自承擔一部分供電負荷，系統運行期間如果出現單路電源斷電情況，剩余一路電源足以滿足隧道供電需求，基本不會出現隧道機電設施停電癱瘓情況。對于大型高速公路隧道項目，從高速公路隧道周邊電力網內分別引接兩回路電源進線，加裝自投切裝置，雙路進線互為備用，或把兩路電源分別作為主電源和備用電源。而對于用電負荷較低的小型高速公路隧道項目，設計人員從周邊電力網上引接一路電源作為主電源，在隧道內部安裝柴油發電機組作為備用電源即可，主電源供電中斷后，柴油發電機組立即投入運行。此外，對于應急照明設備等特別重要的一級負荷，應采取EPS應急電源或UPS不間斷電源形式，以提高供電可靠性為首要目的，避免此類設備因停電中斷運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系，一般做法是在負荷中心區域布置變配電所，通過縮減供電半徑來減少電能傳輸期間產生的線損量，取得節能效果。正常情況下，可采取單側布置、兩側對稱布置、分散布置等方式，具體根據通風系統風機分布位置來確定，首要滿足負載設備穩定供電需求，再考慮變配電所選址方案對工程造價、高速公路隧道結構、線損量等其他方面造成的影響。其中，單側布置是在隧道一端設置單座變配電所或是箱式變電站，對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，按照風機位置來調節相鄰變配電所的間隔距離[3]。同時，考慮到高速公路隧道建設區域周邊環境較為復雜，若在隧道外部布置變配電所，征地時往往涉及基本農田或經濟林區，導致征地無法實施，且系統運行工況易受到環境因素影響。為減輕外部環境對變配電所建設及運行工況造成的影響，具備兩路 10 kV進線條件的隧道應優先考慮布置洞內變配電所，隧道內部采取專用配電橫洞形式，橫洞內部布置變配電所，保持變配電所和隧道行車主洞垂直狀態，如果直接設置變配電所，則會對隧道主體結構使用性能、隧道交通行車安全造成一定影響。

2.3 變壓器容量選擇

在高速公路隧道項目中，供配電系統內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，直接影響到項目造價成本和系統節能系數，應根據實際項目情況來確定變壓器最佳容量。對于牽引變壓器，要求整流機組單邊供電能力不低于單邊運行需求，各座牽引變電所的高峰最大功率不超過3倍機組額定容量，高峰平均功率不超過1.5倍機組額定容量。對于配電變壓器，按照0.9功率因數的常規情況來計算所配備變壓器的空載損耗率、負載損耗率，把變壓器負荷率控制在40%～100%、變壓器平均效率維持在90%以上，維持負荷率與效率的前提下，根據隧道配電系統在不同假定工況時的用電量來計算最佳容量值。同時，對于大型高速公路隧道項目，考慮到變壓器容量較大，可選擇配備多臺變壓器，確保全部變壓器的容量總和滿足實際供配電需求[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系，電纜截面過大會在輸電期間產生明顯電壓損失，電纜截面過小則會在輸電期間出現超溫現象，導致一系列電氣故障，嚴重時還會引發電氣火災事故。對此，應結合高速公路隧道項目情況，采取綜合經濟最小法，確定電纜截面值，在滿足隧道供電需求的前提下，把項目造價成本和總體用電量控制在最低程度。綜合經濟最小法也被稱為經濟選型法，根據已掌握信息來計算高速公路隧道項目在全壽命周期內投資成本、導線損耗成本最小的電纜截面積與對應工作電流值。應提前選定若干電纜截面積，把首年最大負載電流、實際交流電阻值、隧道運營時間、綜合系數導入公式求解損耗費用，以損耗費用、電纜采購與施工費用的總和作為總體費用，以總體費用相對最低時的截面積作為最終電纜截面規格。

2.5 無功補償

在高速公路隧道供配電系統中，各臺用電設備和變壓設備以感性負載為主，運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，最終造成設備無功功率提升、功率因素降低、損耗程度加劇的后果，實際能耗水平超出正常水準。同時，在照明燈具等用電設備頻繁啟停期間，也會對隧道供電網絡造成沖擊，打破電壓穩定狀態。為妥善解決此項問題，應在供配電系統內采取無功補償措施，系統運行期間持續提供無功補償，起到校正電壓電流相位偏差、維持功率因數、減少線損量的作用，具體補償方式包括就地補償、分散補償、隨機補償、集中補償等。一般辦法是在隧道箱式變電站或是兩端變電所內部安裝電容自動補償柜，把變壓器低壓側母線位置作為集中補償點位，要求經過無功補償后的供配電系統功率因數不低于0.95。此外，為改善無功補償效果，也可采取新推出的智能無功補償技術，在補償柜內設置補償控制器，以功率因數、無功功率或是無功電流作為狀態量，持續采集、分析狀態量變化情況，根據分析結果來自動調整補償方案，始終保持無功補償方案、供配電系統工況的匹配狀態[5]。

2.6 照明節能

照明系統是隧道供配電系統的重要組成部分，長期處于工作狀態，照明設備實際用電量遠超通風機組、消防設備等其他負載設備。因此，為提高隧道供配電節能系數，必須把照明節能作為重點考慮，具體采取高效光源、智能控制兩項措施。

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、燈具光效率都遠超傳統光源，在營造高質量人工照明環境的前提下，有效降低照明系統能耗水平。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控制、恒照度控制、定時控制、無極調光控制等，各項控制方式的適用范圍、實際控制效果略有不同。在高速公路隧道工程，適宜采取無極調光控制方式，在隧道入口段、出口段分別安裝若干臺光強檢測器，以洞口光強值作為照明調光燈控制依據，實時下達調光控制指令，既要確保隧道內部環境具備足夠照度，也要避免因隧道內外環境亮度不一致而出現眩光現象及交通安全事故。相比之下，感應控制、定時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際應用條件，無法取得預期節能效果，還會對照明質量造成影響。

2.7 太陽能供電

為擺脫隧道供配電系統對傳統電源的依賴性，實現綠色發電、用電目標，設計人員需要以新能源開發利用作為節能設計重點，著手搭建太陽能供電系統，通過光電效應，持續把太陽輻射能量轉換為電能，經過逆變器處理后穩定向隧道負載設備供電，高速公路隧道全壽命周期內，太陽能供電系統的發電效益遠超系統總體使用成本，從根源上解決電能遠距離傳輸產生過高線損量的問題。在太陽能供電系統設計階段，重點掌握可行性論證、并網接入、并網控制三方面的設計要點。

1）可行性論證。提前收集項目資料信息，包括項目選址經緯度、全年平均氣溫、有效日照時間、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等專業軟件，推演太陽能供電系統在不同工況下的運行過程，判斷系統輸出效率、發電效益是否達到預期要求。如果系統發電效益無法覆蓋總體使用成本，則表明太陽能供電系統缺乏應用條件。

2）并網接入。以高速公路隧道低壓配電系統負載側作為太陽能供電系統的并網接入點，于負載側布置并網逆變器，配電柜內加裝防浪涌保護器。在供配電系統運行期間，太陽能供電系統所轉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，最終向負載設備供電。

3）并網控制?？紤]到太陽能供電系統的輸出效率波動性較強，受到當地氣象條件影響，需要額外采取并網控制技術，以輸出電壓作為控制量，持續對比輸出電壓、額定電壓二者偏差程度，根據對比結果調整輸出功率，始終保持太陽能供電系統穩定運行。

3 結論

綜上所述，為積極響應可持續發展號召，推動我國公路交通事業進入全新發展階段。在高速公路隧道項目中，各方人員應樹立節能觀念，以供配電節能改造作為工作重點，積極落實供電電源選型、變配電所選址、無功補償、太陽能供電等多項節能措施，保障供配電系統平穩運行，取得理想的節能效益。