高速公路隧道节能型供配电系统探讨

2024-01-29曾柳雄

灯与照明 2023年4期

曾柳雄

（广东省高速公路有限公司深汕西分公司扩建管理处，广东惠州 516200）

在现代高速公路隧道项目中，通常配备大量监控设施、照明设施和通信设施，这对营造安全行车环境、预防交通事故有重要作用。随着负载设备增多，供配电系统运行负担加重，一些隧道供配电系统缺乏节能技术措施，在隧道运营期间产生了高昂的用电成本，并造成巨大的能源浪费。因此，要积极推进隧道供配电系统的节能升级，增加高速公路隧道经济效益，这也是实现节约型社会的重要举措。

1 高速公路隧道供配电系统概述

1.1 隧道供电需求

在高速公路隧道项目中，机电设施包括隧道视频监控系统、供配电系统、消防系统、通风系统和照明系统，供配电系统负责持续、稳定向其他全部机电设施供电。根据各系统的建设规模，准确统计隧道机电设施的总体负荷，并作为供配电系统的建设依据。根据长度不同，高速公路隧道被划分为若干级别，长度不足500 m为短隧道，长度500～1 000 m为中长隧道，长度1 000～3 000 m为长隧道，长度超过3 000 m为特长隧道。各级别高速公路隧道的设备种类、设备台数有所不同，隧道长度越长，负荷需求越大，对电力供应质量与稳定性的要求就更加严格[1]。

1.2 负荷分级

根据《公路隧道交通工程设计规范》（JTG/T D71—2004）等现行规范规定，把高速公路隧道电力负荷划分为若干等级。正常情况下，消防水泵、排烟风机、基本照明设备、风机风阀为一级用电负荷；应急照明设备、通风及照明控制设施、火灾检测装置、中央控制设施、交通监控设施为一级负荷特别重要负荷；轴流送风机、通风射流风机、加强照明设备、消防补水水泵为二级用电负荷；剩余的隧道检修电源、特殊灯光带照明、潜水泵、排污泵等均设定为三级用电负荷[2]。

1.3 现状问题

根据投运使用情况来看，在早期建成的高速公路隧道项目中，供配电系统主要存在取电方式单一、控制方式落后、传统电源依赖性大的问题，导致实际用电成本、系统能耗水平处于失控状态。

1）取电方式单一。供配电系统主要采取架设专用线路供电、T接当地农网线路的取电方式，单项取电方式存在明显局限性，对供电质量、供电可靠性造成明显影响。其中，架设专用线路供电方式的电能质量得到保障，但隧道供电成本较为高昂，需要长距离架设线路，还会加重隧道运维管理负担。T接当地农网线路方式具有供电距离短、建设成本低的优势，但农网负荷处于动态变化状态，电压起伏对隧道供配电系统运行工况造成明显影响，频繁出现断电问题。

2）控制方式落后。早期供配电系统和其他机电设施采取手动控制方式，运维单位需要组建一支规模庞大的管理团队，这无疑会产生高昂运维管理成本。同时，由于机电设施控制不及时，系统运行时间超出合理时长，长期处于高负荷状态，难免会产生不必要的电能浪费。

3）传统电源依赖性大。多数隧道供配电系统均以当地电网作为电能来源，这不但会加重电网运行负担，偶尔还会在外部电网影响下出现隧道供配电系统断电问题。同时，电网与供配电系统间的输电距离较长，电能输送期间会产生一定比例的线损量，输电距离越长，线损量越大。

2 高速公路隧道节能型供配电系统分析

2.1 供电电源选型

在供电电源选型环节，为提高供电可靠性，需要在供配电系统内采取多路电源供电方式，各路电源处于独立状态，各自承担一部分供电负荷，系统运行期间如果出现单路电源断电情况，剩余一路电源足以满足隧道供电需求，基本不会出现隧道机电设施停电瘫痪情况。对于大型高速公路隧道项目，从高速公路隧道周边电力网内分别引接两回路电源进线，加装自投切装置，双路进线互为备用，或把两路电源分别作为主电源和备用电源。而对于用电负荷较低的小型高速公路隧道项目，设计人员从周边电力网上引接一路电源作为主电源，在隧道内部安装柴油发电机组作为备用电源即可，主电源供电中断后，柴油发电机组立即投入运行。此外，对于应急照明设备等特别重要的一级负荷，应采取EPS应急电源或UPS不间断电源形式，以提高供电可靠性为首要目的，避免此类设备因停电中断运行而形成交通安全隐患。

2.2 变配电所选址

供电半径和线损量有密切联系，一般做法是在负荷中心区域布置变配电所，通过缩减供电半径来减少电能传输期间产生的线损量，取得节能效果。正常情况下，可采取单侧布置、两侧对称布置、分散布置等方式，具体根据通风系统风机分布位置来确定，首要满足负载设备稳定供电需求，再考虑变配电所选址方案对工程造价、高速公路隧道结构、线损量等其他方面造成的影响。其中，单侧布置是在隧道一端设置单座变配电所或是箱式变电站，对称布置是隧道两端各布置一座变配电所，分散布置则是沿高速公路隧道布置若干座变配电所，按照风机位置来调节相邻变配电所的间隔距离[3]。同时，考虑到高速公路隧道建设区域周边环境较为复杂，若在隧道外部布置变配电所，征地时往往涉及基本农田或经济林区，导致征地无法实施，且系统运行工况易受到环境因素影响。为减轻外部环境对变配电所建设及运行工况造成的影响，具备两路 10 kV进线条件的隧道应优先考虑布置洞内变配电所，隧道内部采取专用配电横洞形式，横洞内部布置变配电所，保持变配电所和隧道行车主洞垂直状态，如果直接设置变配电所，则会对隧道主体结构使用性能、隧道交通行车安全造成一定影响。

2.3 变压器容量选择

在高速公路隧道项目中，供配电系统内主要配备牵引变压器、配电变压器两种变压器，变压器容量合理与否，直接影响到项目造价成本和系统节能系数，应根据实际项目情况来确定变压器最佳容量。对于牵引变压器，要求整流机组单边供电能力不低于单边运行需求，各座牵引变电所的高峰最大功率不超过3倍机组额定容量，高峰平均功率不超过1.5倍机组额定容量。对于配电变压器，按照0.9功率因数的常规情况来计算所配备变压器的空载损耗率、负载损耗率，把变压器负荷率控制在40%～100%、变压器平均效率维持在90%以上，维持负荷率与效率的前提下，根据隧道配电系统在不同假定工况时的用电量来计算最佳容量值。同时，对于大型高速公路隧道项目，考虑到变压器容量较大，可选择配备多台变压器，确保全部变压器的容量总和满足实际供配电需求[4]。

2.4 确定电缆截面

电缆截面与电压损失、供电可靠性有着密切联系，电缆截面过大会在输电期间产生明显电压损失，电缆截面过小则会在输电期间出现超温现象，导致一系列电气故障，严重时还会引发电气火灾事故。对此，应结合高速公路隧道项目情况，采取综合经济最小法，确定电缆截面值，在满足隧道供电需求的前提下，把项目造价成本和总体用电量控制在最低程度。综合经济最小法也被称为经济选型法，根据已掌握信息来计算高速公路隧道项目在全寿命周期内投资成本、导线损耗成本最小的电缆截面积与对应工作电流值。应提前选定若干电缆截面积，把首年最大负载电流、实际交流电阻值、隧道运营时间、综合系数导入公式求解损耗费用，以损耗费用、电缆采购与施工费用的总和作为总体费用，以总体费用相对最低时的截面积作为最终电缆截面规格。

2.5 无功补偿

在高速公路隧道供配电系统中，各台用电设备和变压设备以感性负载为主，运行期间存在交流电压电流相位偏差情况，电压相位、电流相位没有保持平衡状态，最终造成设备无功功率提升、功率因素降低、损耗程度加剧的后果，实际能耗水平超出正常水准。同时，在照明灯具等用电设备频繁启停期间，也会对隧道供电网络造成冲击，打破电压稳定状态。为妥善解决此项问题，应在供配电系统内采取无功补偿措施，系统运行期间持续提供无功补偿，起到校正电压电流相位偏差、维持功率因数、减少线损量的作用，具体补偿方式包括就地补偿、分散补偿、随机补偿、集中补偿等。一般办法是在隧道箱式变电站或是两端变电所内部安装电容自动补偿柜，把变压器低压侧母线位置作为集中补偿点位，要求经过无功补偿后的供配电系统功率因数不低于0.95。此外，为改善无功补偿效果，也可采取新推出的智能无功补偿技术，在补偿柜内设置补偿控制器，以功率因数、无功功率或是无功电流作为状态量，持续采集、分析状态量变化情况，根据分析结果来自动调整补偿方案，始终保持无功补偿方案、供配电系统工况的匹配状态[5]。

2.6 照明节能

照明系统是隧道供配电系统的重要组成部分，长期处于工作状态，照明设备实际用电量远超通风机组、消防设备等其他负载设备。因此，为提高隧道供配电节能系数，必须把照明节能作为重点考虑，具体采取高效光源、智能控制两项措施。

1）选用高效光源。选用LED灯取代白炽灯、荧光灯、无极灯等传统照明光源，新型照明光源的光效值、使用寿命、灯具光效率都远超传统光源，在营造高质量人工照明环境的前提下，有效降低照明系统能耗水平。LED 灯的光效值为130 lm/W，平均使用寿命超过50 000 h，灯具光效率在90%左右。相比之下，白炽灯光效仅为5～20 lm/W，使用寿命不超过1 000 h，灯具光效率仅为60%；无极灯光效为50 lm/W，使用寿命与LED灯接近，灯具光效率在55%左右。

2）智能控制。主流控制方式包括感应控制、恒照度控制、定时控制、无极调光控制等，各项控制方式的适用范围、实际控制效果略有不同。在高速公路隧道工程，适宜采取无极调光控制方式，在隧道入口段、出口段分别安装若干台光强检测器，以洞口光强值作为照明调光灯控制依据，实时下达调光控制指令，既要确保隧道内部环境具备足够照度，也要避免因隧道内外环境亮度不一致而出现眩光现象及交通安全事故。相比之下，感应控制、定时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实际应用条件，无法取得预期节能效果，还会对照明质量造成影响。

2.7 太阳能供电

为摆脱隧道供配电系统对传统电源的依赖性，实现绿色发电、用电目标，设计人员需要以新能源开发利用作为节能设计重点，着手搭建太阳能供电系统，通过光电效应，持续把太阳辐射能量转换为电能，经过逆变器处理后稳定向隧道负载设备供电，高速公路隧道全寿命周期内，太阳能供电系统的发电效益远超系统总体使用成本，从根源上解决电能远距离传输产生过高线损量的问题。在太阳能供电系统设计阶段，重点掌握可行性论证、并网接入、并网控制三方面的设计要点。

1）可行性论证。提前收集项目资料信息，包括项目选址经纬度、全年平均气温、有效日照时间、极端最高气温与最低气温等，了解日照资源禀赋情况。随后，使用RETScreen等专业软件，推演太阳能供电系统在不同工况下的运行过程，判断系统输出效率、发电效益是否达到预期要求。如果系统发电效益无法覆盖总体使用成本，则表明太阳能供电系统缺乏应用条件。

2）并网接入。以高速公路隧道低压配电系统负载侧作为太阳能供电系统的并网接入点，于负载侧布置并网逆变器，配电柜内加装防浪涌保护器。在供配电系统运行期间，太阳能供电系统所转换电能依次通过直流断路器、滤波器、逆变桥、电抗器、三相变压器、滤波器、交流接触器和交流断路器，最终向负载设备供电。

3）并网控制。考虑到太阳能供电系统的输出效率波动性较强，受到当地气象条件影响，需要额外采取并网控制技术，以输出电压作为控制量，持续对比输出电压、额定电压二者偏差程度，根据对比结果调整输出功率，始终保持太阳能供电系统稳定运行。