公路隧道变配电方案探讨
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【摘要】：结合公路隧道特点，为其提供安全、可靠、优质、经济的变配电系统，系统内容包括负荷统计及分级、供电方案，变配电设备的选型、电力监控、防雷接地及变电所布置等。
关键词：公路隧道负荷分级主接线电缆敷设电力监控
中图分类号：U45 文献标识码： A
概述
公路隧道变配电系统，是指电能由电力部门输电网提供的输配电线路（10kV或35kV），经过配电装置、变压器，将电压降为高速公路机电设备用电电压（220V/380V），然后由低压直接为隧道内设备提供安全性和可靠性高且符合国际及相关行业标准的电能。
公路隧道的高压外线引接应按照永久用电和施工用电结合考虑，均为专用10kV线路，各隧道施工用电负荷也满足运营负荷的供电要求，运营用电不考虑重新架设长距离市电供电线路。
二、供电要求及负荷分级
隧道用电负荷主要为通风、照明，以及少量的消防、监控、通信设施用电。
根据中断供电所造成的损失或影响的程度，本隧道用电负荷分为一级负荷、二级、三级负荷。一级负荷中的关键设施，作为特别重要负荷。
负荷分级的总体原则表 表1
负荷等级 负荷名称
一级 特别重要负荷 隧道应急照明、避灾引导灯等标志灯、LED视线诱导标
横洞门照明
中央控制设备
闭路电视系统主要设备
交通监控设备
其他负荷 隧道基本照明、火灾工况排烟风机、消防水泵
有线广播设备、闭路电视系统监视器等次要设备
变电所照明
二级 隧道加强照明
一般通风风机
三级 检修电源插座、引道照明及其他所用电
三、供电方式
隧道变电所高压采用一路10kV电源进线，并配备柴油发电机组作为一级负荷（基本照明、应急照明、排烟风机、消防水泵、监控及外场设备）的备用电源
低压配电系统采用380/220V三相五线制，中性点直接接地运行方式。
一级负荷别重要负荷，另设应急电源系统，应急电源采用三相交流电源装置。
四、变电所主结线
变电所高压采用单母线的接线形式，低压母线采用单母线分段的接线形式。户内变电所的10KV进线采用断路器保护。
低压母联断路器采用自投方式，装设“自投自复”、“自投首复”、“自投停用”三种状态的位置开关。
发电机与变压器之间设置ATS双电源自动切换开关，使电力变压器与柴油发电机不能并列运行。
五、无功功率补偿
为减小电力电缆截面、降低电力损耗，无功补偿采用分散与集中相结合的原则。
隧道内高压钠灯等功率因数特别低（一般为0.5）的用电设备，采用就地补偿方式。其余无功功率在变电所低压侧集中补偿，采用带功率因数控制器的低压补偿柜，根据测得的变压器低压侧实际功率因数，自动控制各组补偿电容器的投切，使功率因数维持在0.9以上且不会过补偿。
六、主要设备选择
变电所内高压开关柜采用KYN28A-12型铠装移开式交流金属封闭开关柜。本型产品机械强度、绝缘水平、防护等级均较高，并具有“三全”、“五防”功能。高压开关柜进线柜、变压器保护柜线路均采用真空断路器。高压开关柜要求防护等级达到IP40。
考虑到SCBH15非晶合金干式变压器较SC11环氧树脂绝缘干式变压器的空载损耗下降60%左右，负载损耗下降5%左右，更为节能。因此变压器选用低噪音、低损耗、节能型的SCBH15型干式非晶合金变压器。
变电所内低压开关柜选用GCS组合抽屉式。该型产品为金属铠装封闭式结构，其每个功能单元的电气元件均安装于一个抽屉内，整个单元可脱离柜体，相同功能的单元间可以互换，并具有结构紧凑、电气连接可靠、操作简单、维护安全。低压开关柜要求防护等级达到IP30。
柴油发电机组为成套设备，带有操作电源、自启动设备和整流充电设备等。机组始终处于准备启动状态，当外电中断时，机组立即启动并在15s内投入正常带一级负荷运行，当外电恢复后，机组自动退出工作并延时停机。
七、电缆敷设及选型
1、电缆敷设
根据隧道规模及电缆数量，电缆在洞外采用穿管或直埋方式敷设，跨越道路处穿预埋管敷设，
2、电缆选型
目前电缆导体的材料主要有铝材和铜材两种。
铜芯线的优势：
①常温下的允许应力，铜比铝分别高出7~28%。特别是高温下的应力，两者相差甚远，耐火性能铜比铝优越的多；
②铜芯电缆的连接头性能稳定，而铝芯电缆的连接头时常会因氧化使接触电阻增大，发热并引发事故；
③由于电阻率低，同截面的铜芯电缆要比铝芯电缆允许的载流量高30%左右，在允许的电压降条件下，铜芯电缆输电能达到较远的距离，即供电覆盖面积大；
④铝材反复折弯易断裂，铜芯则柔性好，弯曲方便，穿管容易，所以接线施工方便；
⑤ 铝的延展率仅为18%左右，而铜的延展率在30%以上，机械强度高，能承受较大的机械拉力，给机械化施工敷设带来很大便利；
铝芯线的优势： ①价格便宜：铝芯电缆价格比铜芯电缆低20%~30%，适合于低资工程或临时用电； ②电缆很轻：铝芯电缆的重量是铜芯电缆的40%左右，施工运输都成本低； 综上所述，结合隧道供电长距离、负荷分散、接线繁多的特点，为保证供电可靠性，设计中的供电电缆选用铜芯电缆。
八、变电所综合监控系统
变电所采用电力监控系统，系统由管理层，中间层，现场监控层构成。
现场监控层由综合保护装置和电力监控装置组成。综合保护装置和电力监控装置分散安装在高低压设备内，实现对变电所一次设备进行监视、测量、控制、记录和报警功能，现场监控层可脱离系统管理层独立工作。
中间层由通讯服务器，以太网光端机及光纤（光纤由通信系统预留提供）环网组成。主要作用将各种装置和设备通过现场总线技术有机地连接，实现对现场监控层采集数据的接收、上传及管理层命令的下达。
管理层由隧道管理站的电力监控计算机系统及相关软件构成。主要作用是把中间层采集到的数据通过人机界面的方式显示给用户，同时命令给现场监控层，通过监控软件实现“遥信”、“遥控”、“遥测”、“遥调”等功能，以实现综合自动化系统。隧道变电所的电力监控数据上传采用监控系统提供的以太网光端机，通过通信系统预留的光缆上传至隧道管理站内的电力监控计算机内。电力监控计算机设计配置及工程量见监控系统。
九、接地及安全保护
(1) 所有变电所为全户内布置，室外不设置独立避雷针，但须在变电所屋面设置防雷带和非独立式避雷针，变电所的防雷设计及变配电设备防雷保护器的设置均须满足《建筑物防雷设计规范》的要求。
(2)为防止线路侵入的雷电波过电压，在10kV进、出线上均装设带间隙氧化锌避雷器。
(3)变电所接地装置以水平接地体为主，辅以50×5镀锌角钢作为垂直接地体，主接地网采用镀锌扁钢40×4，布置尽量利用配电室以外的空地，深埋接地极，主接地网接地电阻值应不大于1Ω。
(4)所有配电装置金属外壳均须需与接地线可靠连接。
(5) 当接地电阻不满足要求时，适当增加接地极。
十、变电所设计
隧道洞口变电所设计净高4.2m，由供电专业配出一回线缆至变电所用总照明配电箱，为变电所内照明、检修及通风机供电，变电所内照明灯具、通风机、插座以及照明配电箱由房建专业设计并计量工程量，主供电线缆由供电专业配置。
所有房间的照明要求照度要求不低于1501x。
柴油发电机房、贮油间耐火等级要求为一级，其余各室要求为二级。屋面应有保温、隔热层及良好的防水和排水措施，室内通风窗加防护网（网孔10×10mm）。变电所内设电缆沟，电缆沟用水泥抹平，并采取防水、排水措施，采用盖板。各室的门和窗应采取防止小动物进入的措施。
参考文献：[1] GB50054-2011，低压配电设计规范.
[2] JGJ16-2008， 供配电系统设计规范.
[3] GB50055-2011，通用用电设备配电设计规范.
[4] GB50217-2007，电力工程电缆设计规范.
[5] GB50060-2008，3～110kV高压配电装置设计规范.
[6] JTG/TD 71-2004，公路隧道交通工程设计规范.
作者简介：
第一作者：梁创计，工程师，从事交通工程设计工作
第二作者：张海亮，工程师，从事交通工程设计工作