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福建省高速公路隧道供配电系统及照明设计

发布于：2015-07-29 18:30:29 来自：电气工程/照明工程 [复制转发]

1前言

近年来，随着我国山区高速公路建设的快速发展，隧道工程不断增多，如何更好地保障公路隧道的安全运营，一直是公路隧道设计中需要考虑的首要问题。公路隧道是一个封闭的环境，运营条件较为特殊，通风、照明、消防、监控等配套设施是保障隧道安全运营的基础设备，这其中还包含一级负荷中的特别重要用电负荷，因此为这些设备提供安全可靠的供电系统就显得尤为重要。

目前，高速度、高车流密度给高速公路的行车造成了很大的安全隐患，特别是在驶入和驶出高速公路隧道时，视野内光线的明暗均发生急剧变化，人的视力骤然下降，视野中会出现明显的‘黑洞’和‘亮洞’现象，对行驶中的驾驶员存在着极大的危险性。因此设计出一套完善的照明系统，以电光照明平稳实现隧道内外的光过渡，是隧道行车安全的关键所在。另一方面，隧道照明耗电费用已成为运营中最主要的开支，伴随着全球能源供应的日益紧张，如何降低照明能耗，节约运营成本，也已成为隧道照明设计中迫切需要解决的问题。

2负荷等级划分及供电原则

2.1负荷等级划分

高速公路隧道用电负荷主要包括隧道内照明、洞外引导照明、风机、消防水泵、监控设施等设备。其中应急照明和监控系统设施为一级特别重要负荷，基本照明、排烟风机和消防水泵为一级负荷，其他为二级负荷。

2.2供电原则

一级负荷由双电源供电经电源切换箱切换后进行供电，一级特别重要负荷由双电源供电经电源切换箱切换后经工频在线式不间断UPS电源供电，二级负荷原则上应能保证有一路可靠电源供电，有条件时可采用双电源供电经电源切换箱切换后进行供电。

3供配电系统设计

3.1现有供配电模式

目前高速公路隧道大多采用10kV中压供电，主要有分布式和集中式两种供电模式。分布式供电是将10kV线路引入隧道内，沿线设置多处小容量地埋式变压器，每个变压器向供电半径内的负荷供电。福建省高速公路隧道供配电设计前几年主要采用此种供电模式，但这种模式存在设备节点多、故障点多、维护困难、维护人员交通问题突出等缺点。集中式供电是在隧道的洞口集中设置变电所，与分布式供电相比，每座变电所

的容量和供电半径均有所增加，特长隧道根据需要在隧道内部增设横洞变电所。变电所低压柜馈出多个功能回路，如加强照明、基本照明、应急照明、监控电源等，每个功能回路以树干式供电形式，T接引至沿线各配电箱。某一干线电缆的线路故障不会导致隧道一大片区域的整体断电，而且各功能回路的总开关集中设置在变电所，可以在变电所内实现集中监控。目前福建省公路隧道供配电设计均采用这种模式。

3.2变电所所址选择

10/0.4kV变电所设置应结合隧道长度及低压供电半径，同时要考虑到运营维护的方便：

（1）100m <长度≤500m的隧道：在洞口外设置一个变电所或箱式变电站，给隧道所有负荷供电；< iv>

（2）500m <长度≤1300m的隧道：在隧道中间设一个横洞变电所给所有负荷供电，若隧道中间有车行横洞时，可在车行横洞侧壁开挖变电洞室。< iv>

（3）长度>1300m的隧道：在隧道进、出口200~300m内围岩较好的位置各设一个横洞变电所，分别带隧道内一半的负荷，中部是否设置变电所及

设置变电所的个数，根据“负荷距”确定，中间段变电所宜设在车行横洞附近。

（4）连拱隧道、短净距（左右洞净距小于12m）隧道，在隧道洞口设置变电所；

（5）低压供电半径原则上控制在500m以内，负荷较小可适当延长距离，隧道基本照明负荷的供电半径可控制在800~1000m内。

3.3变电所设备配置

长大隧道含有一级负荷，因此要求中压供电系统能提供两路10kV电源，每个变电所内设两台变压器，各带左右侧供电半径范围内的隧道照明及动力负荷，平时两台变压器并列运行，当一台变压器或线路故障检修时，另一台变压器将带所内所有一级负荷。若中压供电系统无法提供两路电源，且隧道长度小于800m，允许变电所设置单台变压器，带隧道内所有用电负荷。变电所内每台变压器配一套中压柜（包括进线柜、出线柜、变压器柜）和一套低压柜（包括电源柜、补偿柜、馈出柜），其面积不低于“长19m×宽4．5m”或“长12m×宽7m”。所内变压器采用SC10(B)带保护外壳的干式变压器，中压柜采用紧凑式环网柜，低压柜选用成套低压配电柜，变压器需加温控设施，10kV回路及低压电源总回路纳入远动监控。

3.4.动力设备供电

隧道内的动力设备主要有风机、消防水泵、监控系统设施等。监控系统设施采用树干式供电，由设于变电所的UPS引出两个回路至隧道两侧沿线的照明配电柜，供监控设施和应急照明等一级特别重要负荷用电。为节约投资，风机、消防水泵等设备采用放射式供电，从变电所低压双电源切换装置分别引一路干线至各设备附近的控制柜（箱）进行供电。隧道风机的软启动控制器集中放置在变电所内，并设远程监控接口，同时在

各风机安装位置附近的洞壁处设一台控制柜，内设启停开关和电容补偿装置，以实现对风机的就地控制、变电所控制和远程控制。

消防水泵一般设在远离隧道的深水源处，水泵控制箱宜设置在隧道内靠近洞口处，并铺设至水源井和消防水池的低压电缆和控制电缆。变电所低压柜的水泵馈出回路同时设交流接触器，以实现对水泵的就地控制、变电所控制和远程控制。

4隧道照明设计

4.1照明设计原则和标准

长度大于100m的隧道应设置照明。隧道照明应满足隧道建设标准规定的正常交通运营和事故情况下消防的要求，设置一般照明和应急照明，照度应不低于相应规范的要求，隧道照明应可靠、节能、美观，照明设备和控制方式便于运营管理。隧道照明设计依据的主要技术标准有道路级、照明设计车速、车道数、道路限界、洞外亮度、近期车流量、筑路材质等，以福建省近期开展实施的永安至宁化高速公路和厦门至沙县高

速公路为例，其隧道技术标准为：

（1）道路等级：山区高速公路；

（2）隧道照明设计车速：80km/h；

（3）车道数：双孔四车道单向交通；

（4）道路限界：车道宽度：3.75+3.75m；车道净高：5.0m；

（5）洞外亮度：端墙式洞口亮度L20取值3500cd/m2；削竹式洞口亮度L20取值3000cd/m2；

（6）近期双向车流量≤700辆/小时；

（7）隧道行车方向进口500m内按沥青路面计算平均亮度，其他路面按水泥路面计算平均亮度。

4.2照明布灯方式

隧道洞口不设遮阳棚，以电光照明实现隧道内外的光过渡。隧道内设基本照明和应急照明，在入口段和出口段同时设加强照明。隧道内的照明段划分为入口I段、入口II段、过渡I段、过渡II段、过渡III段、中间段和出口I段、出口II段，白天调光照度由洞口向基本段逐级递减。各段照明长度的设置及灯具的布置依照《公路隧道通风照明设计规范》JTJ 026.1-1999[6]及隧道自身的技术标准，同时结合福建省高速公路有限责任公司闽高控[2007]21号《关于“公路隧道洞口段照明参数”取值意见的通知》和闽高控[2009]32号《关于下发“高速公路隧道照明关键技术研究”课题中间成果的通知》的文件精神进行设计。

基本照明灯具布置在隧道全线，加强照明灯具集中布置在入口段、过渡段和出口段，以一个进洞洞口为削竹式的隧道为例，各段照明的长度、照度和亮度见表1。

基本照明灯具单侧布灯，间隔7m，沿隧道左侧距离中线1m的位置布置，加强照明沿基本照明灯具两侧布置。隧道洞口设置洞外引导照明，采用12m高杆路灯，沿行车方向右侧单侧设置，引导照明长度不小于130m。

4.3照明控制方式

隧道照明根据洞外环境亮度、交通量的变化，按白天（晴朗）、傍晚（多云）、阴雨天、重阴天、夜间、深夜六级标准对洞内照度进行控制。晴朗的白天基本照明和加强照明灯具全部开启，傍晚或多云天气加强照明灯减半，阴雨天加强照明灯开启1/4，重阴天加强照明灯开启1/8，夜间加强照明灯全部关闭，深夜交通量较小时基本照明灯具减半。表一中不同图例的灯具分别接入不同的配电回路，各照明回路采用交流接触器，并应用PLC控制技术，对探测器采集到的洞外亮度、洞内照度及交通量等数据信息进行分析处理，并发出信号指令，对加强和基本灯具进行控制，实现不同交通环境下照明的自动控制。

4.4照明节能

隧道照明节能技术研究是隧道设计中的重点和热点。除4.3节介绍的根据洞内外环境调节照明的自动控制技术，主要还有增设照明节能控制器、采用节能光源等方法。气体放电灯（如高压钠灯）是隧道照明应多最多的一种灯，它需要一定的启动电压（标称220V）和启动时间（5~10min），当正常发光后，适当降低灯具两端电压，灯具功率有较大幅度下降，但照度不会成比例下降，变化较小。利用这一特点，照明节能控制器可以控制在灯具正常发光后，适度降低电压，既能保证照明质量，又能降低能耗。另一方面，电网负荷在夜间大大减少，电网电压也随之升高，应用节能控制器可以控制隧道照明电压，避免因为电网电压升高而带来的巨大电能浪费。

高压钠灯因其穿透力强、光效高、功率大、价格低廉等优势一直占据隧道灯具的绝大部分市场，但存在光色差、能耗大等缺点。无极荧光灯和大功率LED灯是近些年来市场上出现的新型节能灯，前者是一种电磁感应灯，后者实际是一种半导体发光二极管。这两种灯具显色性好，灯光柔和，启动迅速、寿命长，而且可以减少能耗，有着代替传统灯具高压钠灯的潜力和趋势。但这些灯具存在着一些键技术问题尚未解决，比如无

极荧光灯的辐射大、抗干扰性差等问题，LED灯的光衰大、散热大等问题，其产品质量的稳定性也影响了产品的普及。

福建高速公路隧道目前采用传统光源和新型节能光源相结合的方式，隧道主洞采用高压钠灯，配备节能型电感式镇流器，人行车行横洞、紧急停车带等采用无极荧光灯或LED灯具。照明灯具采用具有五防（防水、防尘、防震、防腐、防护）功能的隧道I类灯具，防护等级不低于IP65，易安装、易更换、防腐性能良好，且具有适合公路隧道特点的防眩装置。应急照明光源采用高压钠灯，由设于变电所的UPS集中供电，供电时间

不小于30min。灯具采用就地单灯补偿，补偿后功率因数不低于0.9。

5低压线路敷设

基本照明、应急照明、排烟风机、消防水泵等一级负荷设备供电线缆，采用耐火型低压电力电缆或绝缘导线；其余设备采用阻然型低压电力电缆或绝缘导线。

由洞外变电所低压柜引至各配电洞室动力或照明配电柜采用ZR-YJV22-0.6/1KV（或NH-YJV22-0.6/1KV）电缆直埋经洞内电缆沟至各配电柜；洞内变电所低压柜引至各配电洞室动力或照明配电柜采用ZR-YJV-0.6/1KV（或NH-YJV-0.6/1KV）电缆沿电缆沟至各配电柜；由配电柜引至照明灯具，采用ZR-BV铜芯塑料线（或NH-YJV-0.6/1KV）穿紧定式金属钢管暗敷于洞壁拱顶内，隧道内各照明支线回路均采用低压三相四线制系统分段、分回路。

6接地及安全

低压配电采用TN-S接地系统，接地电阻R≤1。沿左、右隧道电缆沟内贯通敷设镀锌扁钢，两端引出至洞口人孔井，并与洞口顶棚土建预埋的钢筋及洞外由接地极和接地线组成的辅助接地网相连。隧道电缆沟内的扁钢与沟内所有电缆支架焊接为一体。若隧道主体由钢筋构成，沟内扁钢每隔100m设一处引上与隧道主体钢筋焊接。隧道内每个配电洞室设一个等电位连接端子盒，与电缆沟内扁钢相连，并作为电气接地设施与洞内

所有外露可导电设备及金属构件焊接为一体。变电所内用两根镀锌扁钢与电缆沟内的扁钢焊接后引至距地0.3m的高度，沿墙壁做一圈接地线，并与基础槽钢及电气设备外壳相连。洞外路灯从配电洞室配电回路引一根专用PE线与路灯灯座接地端相接。

7结语

高速公路隧道照明及供配电是一个系统工程，其合理配置和有效运行直接关系着隧道交通运营的可靠性和经济性。本文结合实际工程设计经验，从隧道供配电的模式、变电所的设置、照明方案的设计、照明节能控制、动力配线、接地安全等诸多方面对福建省高速公路隧道的设计进行了阐述。其中横洞变电所的防潮、通风、防尘等问题需引起设计及运营单位的重视，照明节能光源的技术瓶颈等问题也亟需深一步的研究。