公路特长隧道AC660V配电可行性研究

随着我国公路建设的快速发展，公路特长隧道数量和规模不断增加，特长隧道机电设备的低压AC 380 V配电系统供电半径小、线路损耗大和末端电压偏差大的问题比较突出。在隧道机电设备的低压配电方面，尤其是对大功率的隧道风机、雨水泵和废水泵等用电设备进行配电，AC 660 V配电系统具有供电半径大、线路损耗小、电压质量高的明显技术和经济优势。

现阶段，AC 660 V低压配电系统主要应用在煤矿、钢铁等行业中，很少应用在民用配电中。针对AC 660 V配电系统在公路隧道中的应用，目前国内缺少系统的深入研究。当前，在隧道供电设计中，设计人员仍习惯采用AC 380 V配电系统。

本文从国际IEC标准、中国国家标准方面分析AC 660 V系统的可行性，从配电理论计算角度分析研究AC 660 V系统的技术优势，从三相异步电动机机械特性方面分析研究风机和水泵采用AC 660 V配电的可行性，从配电系统主接线方案方面分析研究AC 660 V系统的可实施方案，并结合国内某水下特长公路隧道工程案例分析研究AC 660 V系统应用技术优势。希望本文能为特长隧道机电设备的低压配电设计创新提供参考。

国际标准电压和中国标准电压分析

国际IEC标准对低压系统标准电压值有明确要求，并转化为我国国家标准。在国际IEC标准中，标称电压100～1 000 V交流系统及相关设备的标准电压为230 V / 400 V、400 V / 690 V和1 000 V。在我国国家标准GB / T 156 - 2017《标准电压》中，标称电压220～1 000 V交流系统及相关设备的标准电压为220 V / 380 V、380 V / 660 V和1 000 V  （1 140） V。在工程行业标准JTG / T 2340 - 2020《公路工程节能规范》中，公路变配电站出线电压可选用35 kV、10 kV、0.66 kV、380 V、220 V等标称电压，根据所选用电压计算电缆截面，减少电能线路损失。

因此，在公路特长隧道中应用标称电压380 V / 660 V交流配电系统符合标准电压要求。

交流660 V配电系统技术优势

配电线路电流计算公式如式（1）所示：

I = P/( √3 Ucosφ）     （1）

式中：I  ——  计算电流；

  P —— 有功功率；

  U —— 系统标称电压；

  cos φ —— 功率因数。

由式（1）可知：在用电负荷相同条件下，380 V配电计算电流I ₃₈₀ 为660 V配电计算电流I ₆₆₀ 的1.732倍。采用660 V配电时，根据持续载流量选择的电缆截面积较小，节约有色金属铜，并可以降低隧道工程中的线缆投资费用。

配电线路电压降计算公式如式（2）所示：

由式（2）可知：在用电负荷、电缆参数相同条件下，380 V配电时的线路电压降Δu380为660 V配电时的线路电压降Δu660的3倍。采用660 V配电时，线路末端电压质量较高，可以增大低压配电半径。

配电线路损耗计算公式如式（3）、式（4）所示：

由式（3）、式（4）可知：在用电负荷、电缆参数相同条件下，380 V配电时的线路有功损耗ΔP ₃₈₀ 为660V配电时的线路有功损耗ΔP ₆₆₀ 的3倍；380 V配电时线路无功损耗ΔQ ₃₈₀ 为660 V配电时的线路无功损耗ΔQ ₆₆₀ 的3倍。采用660 V配电时，线路损耗较低，有利于节能。

综上所述，对于特长隧道工程，采用660 V低压配电系统比常规380 V低压配电系统有较大技术优势，可以降低电缆投资费用，提高终端电压质量，增大低压配电半径，并且可以减小线路电能损耗。

隧道风机和水泵660 V配电可行性

隧道风机、雨水泵和废水泵的配套电机类型为三相异步电动机。隧道风机和水泵可选用铭牌额定电压为380 V / 660 V型，接线盒内有6个出线端子，定子绕组有△ / Y两种接线方法。△接法对应380 V，如图1所示；Y接法对应660 V，如图2所示。

三相异步电动机的同步转速如式（5）所示：

n _s = 60f/p      （5）

式中：n _s —— 同步转速；

  f —— 供电频率；

  p —— 磁极对数。

三相异步电动机磁极对数就是旋转磁场的磁极对数，旋转磁场的磁极对数和三相绕组的排列布置有关。定子绕组由△接线调整为Y接线时，三相绕组的排列布置没有变化，磁极对数没有变化。由式（5）可知：定子绕组由△接线调整为Y接线时，同步转速没有变化。

三相异步电动机的额定转速如式（6）所示：

n _N = n _s ×（1 - s _N ）       （6）

式中：

n _N —— 额定转速；

s _N —— 额定转差率。

定子绕组由△接线调整为Y接线时，定子相电阻、定子电抗、转子相电阻、转子电抗和转矩过载倍数均无变化，临界转差率、额定转差率也无变化。由式（6）可知：定子绕组由△接线调整为Y接线时，额定转速没有变化。

忽略空载转矩，三相异步电动机的额定转矩如式（7）所示：

低压配电系统标称电压为220 V / 380 V时，定子绕组接线方法为△接线，定子相电压为380 V；低压配电系统标称电压为380 V / 660 V时，定子绕组接线方法为Y接线，定子相电压为380 V。由式（7）可知：定子绕组由△接线调整为Y接线时，额定转矩没有变化。

三相异步电动机的额定功率如式（8）所示：

P _N = T _N ×n _N /9 550      （8）

式中：P _N —— 额定功率。

由式（8）可知：定子绕组由△接线调整为Y接线时，额定功率没有变化。

综上所述，380 V / 660 V三相异步电动机定子绕组 由△ 接线调整为Y接线时，电动机的额定转速、额定转矩和额定功率均没有变化。

因此，隧道风机和水泵660 V配电是可行的。

隧道AC 660 V配电方案研究

隧道工程中，用电设备类型主要有风机、水泵、照明灯具和监控设备等。不同用电设备的额定电压不完全一样，需对应研究其低压配电方案。

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隧道风机和水泵AC 660 V配电方案

公路特长隧道长度L ＞ 3 km，国内已修建或在建的特长隧道通风方式以纵向通风方式为主。隧道线路纵坡为“V形”时，在隧道洞口处设置雨水泵，在线路最低点处设置废水泵。

隧道风机和水泵选用额定电压为380 V / 660 V的型号，可直接采用标称电压380 V / 660 V的低压配电系统进行配电设计。

隧道排烟风机为一级负荷，“V形坡”隧道雨水泵和废水泵为一级负荷。一级负荷应由双重电源供电，当一路电源发生故障时，另一路电源不应同时受到损坏。在每座变电所内，设置两台10 / 0.69 kV配电变压器或两台0.4 / 0.69 kV升压变压器，低压主接线形式采用单母线分段带联络形式，两台变压器分列运行、互为备用：

a. 隧道风机控制柜集中设置在变电所内，雨水泵和废水泵控制柜分别就近设置在雨水泵房和废水泵房附近，如图3和图4所示。

由于电动机的控制按钮或控制开关宜装设在电动机附近便于操作和观察的地点，需在隧道风机安装位置附近设置就地手操箱，用于就地控制隧道风机，为简化图示，图3和图4中没有示意隧道风机就地手操箱。

配电方案分析：隧道风机配电电缆工程量较少，电缆工程投资费用较低，但风机配电线路可靠性较低。

b. 隧道风机控制柜分散就近设置在风机附近，雨水泵和废水泵控制柜分别就近设置在雨水泵房和废水泵房附近（如图5和图6所示）。

配电方案分析：隧道风机配电可靠性较高，但风机配电电缆工程量较多，电缆工程投资费用较高。

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隧道照明和弱电系统等负荷配电方案

目前，除隧道风机和水泵外的其它用电设备，仍需要采用标称电压220 V / 380 V配电系统进行配电。因此，在特长隧道工程中应用标称电压380 V / 660 V配电系统时，不是要完全替代常规的标称电压220 V / 380 V配电系统，而是两者“并存”、融合应用，并充分发挥380 V / 660 V配电系统供电半径大、线路损耗小等优势：

a. 隧道照明段划分为入口段、过渡段、中间段和出口段，隧道照明灯具在隧道内纵向分布。由于隧道照明灯具额定电压为AC 220 V，当采用标称电压380 V / 660 V配电系统进行隧道照明配电时，可在隧道内分布设置小功率的660 V / 380 V隔离变压器（外形尺寸一般比较小，可安装在隧道壁龛内或隧道装饰板后面），转换为标称电压220 V / 380 V的TN - S配电系统，如图7所示。

当隧道照明配电半径不大时，可直接使用在220 V / 380 V配电系统中，如图8所示。

b. 隧道弱电系统负荷等级为一级负荷中特别重要的负荷，应由UPS不间断电源装置供电，隧道变电所需给UPS装置提供AC 380V电源，如图7和图8所示。

c. 车行横通道电动卷帘门、隧道检修电源等设备的电源亦需要引自标称电压220 V / 380 V配电系统。

综上所述，隧道AC 660 V配电方案主要有以下4种方案：

a. AC 660 V配电方案1：隧道风机和水泵采用图3所示配电方案，隧道照明等其它用电负荷采用图7所示配电方案。

b. AC 660 V配电方案2：隧道风机和水泵采用图4所示配电方案，隧道照明等其它用电负荷采用图8所示配电方案。

c. AC 660 V配电方案3：隧道风机和水泵采用图5所示配电方案，隧道照明等其它用电负荷采用图7所示配电方案。

d. AC 660 V配电方案4：隧道风机和水泵采用图6所示配电方案，隧道照明等其它用电负荷采用图8所示配电方案。

公路特长隧道工程案例分析研究

通过分析研究国内某公路特长隧道工程的低压配电设计情况，针对隧道风机和水泵配电施工图设计及实施情况，提出应用AC 380 V / 660 V配电系统的可行方案。

某水下隧道主线长度约为4.2 km，水下盾构段长度约为3.0 km。隧道通风方式为“竖井排出式分段纵向通风 + 重点排烟”方式，共设置4台大功率专用排烟风机、4台大功率轴流排风机和56台55 kW射流风机。本工程设置5个雨水泵房、2个盾构井废水泵房和2个海底废水泵房（西线和东线），海底废水泵房设置3台37 kW废水泵。此隧道供电系统如图9所示。

此隧道共设置7座10 / 0.4 kV变电所，其中2座为海底箱式变电所。此隧道低压配电采用0.4 kV配电系统。隧道射流风机控制柜分散就近设置在射流风机附近，雨水泵和废水泵控制柜就地设置。

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隧道风机配电分析研究

本文对1组射流风机的配电设计进行对比分析，其它隧道风机情况类似。编号AT - JET - E07的射流风机控制柜（控制2台55 kW射流风机）电源引自南岸的风塔变电所，供电距离为353 m，线路电压降和线路损耗计算值详见表1。

由表1可知：风机配电电压调整为AC 660 V后，可以有效地减小电缆截面，提高末端电压质量，降低线路损耗。

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隧道水泵配电分析研究

本文对西线海底废水泵的配电设计进行分析，东线海底废水泵配电情况相同。此隧道已实施的海底废水泵配电方式为在海底废水泵房附近设置箱式变电所，箱式变电所低压系统主接线如图10所示，两台配电变压器运行方式为一台主用、一台备用。

由于受到隧道横断面空间限制，海底箱式变电所（外形尺寸：6 m × 1.1 m × 2.1 m）只能设置在行车道板下方的廊道内，靠近疏散楼梯一侧。此布置方式存在以下缺点：运营期间，箱式变电所维修时运输困难；隧道内积水严重时，箱式变电所容易受淹停电，影响海底废水泵运行。

考虑到变电所位置不应设在地势低洼和可能积水的场所，可考虑取消海底箱式变电所，采用从最近变电所引低压电源至海底废水泵房的方案。

由于海底废水泵房与北岸盾构井变电所的距离约为1 km，如果废水泵配电电源引自北岸盾构井变电所，常规380 V低压配电系统难以满足海底废水泵配电需求（正常运行情况下，电动机设备端子处的电压偏差不超过 ± 5 %），而660 V低压配电系统容易满足需求，线路电压降计算值详见表2。

由表2可知：采用660 V低压配电系统时，海底废水泵配电电源可引自北岸盾构井变电所，并且线路电压降可以控制在5 % 以内，满足水泵运行电压要求。

因此，采用660 V低压配电系统时，可以取消西线和东线海底箱式变电所，可以提高海底废水泵的配电可靠性，避免海底废水泵配电电源受隧道内积水问题影响。

综上所述，此隧道风机和水泵采用图5或图6所示的AC 380 V / 660 V低压配电系统时，可以有效地减小电缆截面，提高末端电压质量和降低线路损耗等；可以取消两个海底箱式变电所，并且可以提高隧道配电系统对海底废水泵在极端天气（强降雨等）情况下隧道内积水时的持续供电能力。

本文通过IEC电压标准分析、我国电压标准分析、配电理论分析计算、AC 660 V配电方案研究和某公路特长隧道工程案例分析，得到以下结论：

a. AC 660 V配电系统应用在公路特长隧道工程中是可行的。

b. AC 660 V配电系统和AC 380 V配电系统可以并存、融合应用，提高公路特长隧道机电设备的低压配电系统合理性和灵活性。

c. 在公路特长隧道工程中应用AC 660 V配电系统可以有效降低工程投资（配电电缆投资等）、减小线路损耗和提高配电线路末端电压质量。

d. 对于线路纵坡为“V形”的公路特长隧道（例如：水下特长隧道等），AC 660 V配电系统可以解决隧道线路最低点处的废水泵低压远距离配电问题。