高速公路隧道分布式智慧供配電技術(shù)

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【摘要】相比傳統(tǒng)的供配電方案，高速公路隧道分布式智慧供配電技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和社會(huì)效益，既是響應(yīng)行業(yè)建設(shè)智慧高速、綠色公路的技術(shù)選擇，也是能解決實(shí)際工程問(wèn)題的現(xiàn)實(shí)需要。

【關(guān)鍵詞】高速公路隧道；分布式；智慧供配電

1高速公路隧道傳統(tǒng)供電方案

高速公路隧道用電設(shè)施主要包括照明燈具、監(jiān)控設(shè)施和通風(fēng)設(shè)備用電。隧道照明區(qū)段一般劃分為入口加強(qiáng)段、過(guò)渡1加強(qiáng)段、過(guò)渡2加強(qiáng)段、基本段和出口段五部分。燈具按功能劃分為加強(qiáng)照明、基本照明、應(yīng)急照明。隧道監(jiān)控設(shè)備包含隧道攝像機(jī)、情報(bào)板、車(chē)道指示標(biāo)志，以及各類(lèi)檢測(cè)器和疏散指示標(biāo)志等。隧道通風(fēng)設(shè)備主要為隧道風(fēng)機(jī)。隧道照明傳統(tǒng)供電方案是從變電所低壓柜引380V電壓至隧道內(nèi)照明配電箱位置，由于需要在低壓柜位置進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，需要根據(jù)燈具的不同分組配置多條母線供電回路。因此隧道傳統(tǒng)供電方案需要配置大量干線電纜，重復(fù)敷設(shè)，并且由于采用380V電壓供電，電纜也需要配置較粗的四芯電纜，以滿足壓降要求。隧道內(nèi)主要的監(jiān)控設(shè)備包括攝像機(jī)、情報(bào)板、各類(lèi)指示器和各類(lèi)檢測(cè)器，各監(jiān)控設(shè)施并聯(lián)于一條供電電纜上。在傳統(tǒng)方案中，隧道監(jiān)控往往需要和照明燈具供電回路分開(kāi)，并根據(jù)不同種類(lèi)的監(jiān)控設(shè)備從低壓配線柜配置單獨(dú)回路，又需要敷設(shè)大量電纜。傳統(tǒng)供電中隧道風(fēng)機(jī)一般每組風(fēng)機(jī)單獨(dú)設(shè)置回路，根據(jù)回路長(zhǎng)度敷設(shè)大量不同規(guī)格電纜，在下端還需設(shè)置風(fēng)機(jī)控制柜，對(duì)風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。綜上，傳統(tǒng)供電方案主要存在以下問(wèn)題：（1）大量使用高低壓電纜，母線電纜數(shù)量多，造價(jià)高；（2）供電系統(tǒng)采用三相供電，需要三相負(fù)載平衡，連接燈具時(shí)需要分別接入三相中，施工較復(fù)雜；（3）如需實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和電力監(jiān)控功能，需要額外配置調(diào)壓器和電力監(jiān)控系統(tǒng)，增加成本。

2智慧供配電技術(shù)方案

2.1隧道照明智慧供電技術(shù)

隧道照明智慧供電技術(shù)是在變電所設(shè)置上位機(jī)，代替低壓配電柜，單洞輸出兩條母線供電回路至隧道內(nèi)下位機(jī)，下位機(jī)配置在原照明配電箱位置，代替照明配電箱。照明控制方面由于上下位機(jī)間帶有通信功能，下位機(jī)可對(duì)每一條輸出回路進(jìn)行單獨(dú)開(kāi)關(guān)和調(diào)壓，從而實(shí)現(xiàn)燈具按不同要求進(jìn)行分組開(kāi)關(guān)的功能，系統(tǒng)連接圖如圖1所示。隧道洞口變電所上位機(jī)分為加強(qiáng)和基本照明上位機(jī)與應(yīng)急監(jiān)控上位機(jī)，應(yīng)急監(jiān)控上位機(jī)前段配置不間斷供電柜。經(jīng)濾波、補(bǔ)償、穩(wěn)壓等處理后輸出3.3kV單相交流電至隧道下位機(jī)，由下位機(jī)降壓為220V后再為燈具供電。隧道內(nèi)下位機(jī)配置于原照明配電箱位置，下位機(jī)分為加強(qiáng)照明下位機(jī)、過(guò)渡照明下位機(jī)、基本照明下位機(jī)和應(yīng)急監(jiān)控照明下位機(jī)。加強(qiáng)照明下位機(jī)配置與隧道洞口，負(fù)責(zé)入洞和出洞洞口處的加強(qiáng)燈具；過(guò)渡照明下位機(jī)配置與入洞后第一個(gè)照明配電洞室位置，負(fù)責(zé)過(guò)渡1段和過(guò)渡2段的加強(qiáng)照明燈具；基本照明與應(yīng)急照明下位機(jī)交錯(cuò)布置于隧道其他照明配電洞室位置。由于應(yīng)急監(jiān)控下位機(jī)需配置EPS應(yīng)急電源，需單獨(dú)并聯(lián)為一路接入應(yīng)急照明供電上位機(jī)，其他下位機(jī)可并聯(lián)為一路接入加強(qiáng)基本照明上位機(jī)。下位機(jī)經(jīng)降壓后，輸出單相交流220V電壓為燈具供電，各燈具分組情況與原方案相同，符合原方案控制方式。下位機(jī)可輸出多條回路，并帶有配電、單獨(dú)開(kāi)關(guān)、單獨(dú)調(diào)壓功能，可對(duì)任一輸出回路進(jìn)行單獨(dú)開(kāi)關(guān)和調(diào)壓控制。

2.2隧道監(jiān)控智慧供電技術(shù)

監(jiān)控設(shè)備需要接入EPS電源，與應(yīng)急照明的供電性質(zhì)略為相似，因此不需要再單獨(dú)敷設(shè)電纜，由隧道應(yīng)急與監(jiān)控下位機(jī)輸出監(jiān)控回路，即可實(shí)現(xiàn)為隧道內(nèi)監(jiān)控設(shè)備供電。供電回路與原監(jiān)控相同，供電區(qū)段按應(yīng)急電源區(qū)段劃分。

2.3隧道通風(fēng)智慧供電技術(shù)

智慧供電在配電房設(shè)置風(fēng)機(jī)上位機(jī)，風(fēng)機(jī)上位機(jī)通過(guò)三芯電纜將3.3kV電力傳輸?shù)礁黠L(fēng)機(jī)下位機(jī)，一般3組風(fēng)機(jī)共用一根母纜，電纜敷設(shè)在隧道電纜溝內(nèi)托架上。風(fēng)機(jī)下位機(jī)輸出各回路為3×380V，采用四芯電纜接至風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)下位機(jī)可為三臺(tái)風(fēng)機(jī)供電，每臺(tái)風(fēng)機(jī)具有軟啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)等功能。

3智慧供配電技術(shù)效益分析

3.1經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1.1減少了系統(tǒng)建設(shè)期的總投資分布式智慧節(jié)能供電系統(tǒng)可減少電纜的使用量，降低電纜芯數(shù)，從而降低了供配電系統(tǒng)的造價(jià)?，F(xiàn)針對(duì)隧道照明和監(jiān)控設(shè)備供電，對(duì)公路機(jī)電智能節(jié)能供配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。傳統(tǒng)供電方案采用低壓380V直供方式。由隧道洞口變電所低壓開(kāi)關(guān)柜直接引380V電源，分為晴天、陰天、重陰天、云天、基本、應(yīng)急照明等6條母線回路，至隧道內(nèi)照明配電箱，在分為多個(gè)回路為照明燈具供電，控制方式為低壓開(kāi)關(guān)柜統(tǒng)一開(kāi)關(guān)母線回路，實(shí)現(xiàn)燈具按天氣和時(shí)間開(kāi)關(guān)。照明、監(jiān)控設(shè)備分別用單獨(dú)回路進(jìn)行供電。智慧節(jié)能供配電系統(tǒng)是在變電所設(shè)置上端供電設(shè)備，直接為隧道出入口加強(qiáng)燈具供電，并且單洞輸出兩條干線回路，一條負(fù)責(zé)加強(qiáng)照明和基本照明，一條負(fù)責(zé)應(yīng)急照明和監(jiān)控設(shè)備，并在上端接入不間斷供電設(shè)備。下位機(jī)配置在洞口位置和洞內(nèi)側(cè)壁照明配電箱位置，代替原配電箱，根據(jù)照明燈具不同功能輸出不同回路為燈具供電?？刂品绞綖檫h(yuǎn)程操作，控制下位機(jī)輸出回路開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)燈具按天氣或時(shí)間進(jìn)行不同開(kāi)關(guān)。由此可知，智能節(jié)能方案相比傳統(tǒng)方案可有效減少電纜線徑，降低建設(shè)成本。由上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，采用智能節(jié)能供電后僅供配電系統(tǒng)部分可節(jié)約建設(shè)成本約為13%。

3.1.2提高供電質(zhì)量，降低設(shè)備故障率和維護(hù)成本系統(tǒng)采用分布式單相遠(yuǎn)距離供電技術(shù)完成機(jī)電設(shè)備的供配電，可徹底避免供電系統(tǒng)產(chǎn)生三相不平衡狀態(tài)。除此之外，對(duì)于供配電系統(tǒng)配置功率因數(shù)補(bǔ)償裝置、穩(wěn)壓調(diào)壓裝置與諧波抑制裝置，通過(guò)這三個(gè)裝置對(duì)供配電系統(tǒng)的輸出電源進(jìn)線處理，進(jìn)一步提升輸出電源的質(zhì)量，從而提升隧道整體供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。因而延長(zhǎng)了用電設(shè)備的使用壽命，減少了設(shè)備的維護(hù)和更換費(fèi)用。

3.1.3調(diào)節(jié)照度和智能控制，實(shí)現(xiàn)按需供電，降低電力消耗系統(tǒng)根據(jù)通風(fēng)、照明、監(jiān)控等用電設(shè)備的實(shí)際需求，通過(guò)控制輸出回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和調(diào)節(jié)輸出電壓值，從而實(shí)現(xiàn)按需供電，進(jìn)一步降低電力消耗。

3.2節(jié)能效益分析

3.2.1降低線損技術(shù)系統(tǒng)在滿足供電需求的同時(shí)，根據(jù)負(fù)載量及供電半徑，通過(guò)適當(dāng)提高供電電壓，以減少電纜中的電流，從而減少電纜的線路損耗減。

3.2.2無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)系統(tǒng)設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的供電回路，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，降低系統(tǒng)的無(wú)功功率，通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，降低用電量。

3.2.3照明調(diào)壓技術(shù)系統(tǒng)在隧道照明設(shè)備中設(shè)置燈具調(diào)壓調(diào)光裝置，通過(guò)照明調(diào)壓調(diào)光技術(shù)，在滿足隧道照度的同時(shí)，進(jìn)一步降低照明用電量。綜上所述，通過(guò)智慧供電系統(tǒng)一些項(xiàng)目具體應(yīng)用情況核算，采用智慧供配電技術(shù)，每年的節(jié)能率可達(dá)到20%左右。

3.3社會(huì)效益分析

3.3.1提高了隧道供電系統(tǒng)營(yíng)運(yùn)管理水平智慧供電技術(shù)配置先進(jìn)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)，具有以下功能：有效保護(hù)線路、變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器、分段開(kāi)關(guān)；可實(shí)現(xiàn)電流、電壓、功率、頻率、功率因數(shù)等電量的測(cè)信功能；可控制各種斷路器的合閘、跳閘，并指示開(kāi)關(guān)位置；配備標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)/RS485通信接口，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)變電站無(wú)人值班，提高了隧道供電系統(tǒng)營(yíng)運(yùn)管理水平。

3.3.2提高行車(chē)安全性分布式智慧供電系統(tǒng)自帶的調(diào)壓功能，能夠統(tǒng)一整體調(diào)整照明電壓，無(wú)須關(guān)閉照明燈具。這種自動(dòng)調(diào)壓方式除節(jié)約電能外，還會(huì)使隧道內(nèi)照度均勻，克服了等距離關(guān)閉部分燈具照造成的照度不均現(xiàn)象，降低閃光效應(yīng)，進(jìn)一步提高隧道內(nèi)行車(chē)安全性。

4結(jié)語(yǔ)

相比傳統(tǒng)的供配電方案，高速公路隧道分布式智慧供配電技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能和社會(huì)效益，既是響應(yīng)行業(yè)建設(shè)智慧高速、綠色公路的技術(shù)選擇，也是能解決實(shí)際工程問(wèn)題的現(xiàn)實(shí)需要。

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作者：吳斌 單位：四川雅康高速公路有限責(zé)任公司