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摘要：通過對中壓電能傳輸技術進行詳細分析，本文以秦嶺隧道為例進行方案設計，改變傳統的供配電方式，采用中壓電能傳輸技術，通過合理劃分供電區域，并將供電網絡相互連接起來，提高系統的供電可靠性。中壓電能傳輸是長距離、分散性負荷條件下供電的有效方式，其技術先進，安全可靠，運營成本低，在隧道供配電工程中具有較好的應用前景。
　　
關鍵詞：公路隧道 中壓電能傳輸 節能
　　
　　引言
　　
　　由于高速公路隧道的自身特點，使其對供電的要求有別于一般的工業和民用供配電系統，其用電設備多，且呈線性分布，電壓質量要求高，同時隨著多個長隧道的相對集中控制，其用電負荷以及供配電設備的數量增加較大。采用何種供配電方式以及如何對其相對集中控制和節約電能的研究具有一定的意義。國外對于隧道及其所處的高速公路等長距離、分散性負荷已經逐漸開始采用中壓電能傳輸技術，依靠配電設備及繼電保護進行配電網絡運行自動化的方法，這樣結合隧道的特點可以更好的為其提供一個良好的運營環境[1]。
　　
　　對于隧道這種比較特殊的負荷，將其作為一個配電整體進行考慮，統一為其進行電能傳輸及分配，在整個負荷區域內采用中壓電能傳輸技術，在負荷相對集中點采用小容量、能耗較低的埋地式變壓器代替能耗較大的低壓供配電方式。為隧道供配電工程提供一種節省能源，節省投資，便于運營管理的供電方案將是一個發展趨勢。
　　
　　1隧道供配電系統
　　
　　1.1公路隧道供配電系統概述
　　
　　公路隧道內設置有通風、照明、監控、消防報警等設施，要求供電系統無故障運行以保證隧道運營的高度安全。公路隧道供電一般要求有外電源和一套自備電源，在外電源發生故障的情況下，自備電源能夠接替主電源的供電功能。
　　
　　1.2公路隧道供配電系統要求
　　
　　隧道供配電系統應滿足以下要求：
　　
　　（1） 安全性，是指電能在隧道各系統的供應、分配和使用過程中，不應發生任何人身傷亡事故、設備損壞事故和由電能引起的其它事故。
　　
　　（2） 可靠性，是指電能的供應與分配滿足隧道各機電系統對不中斷供電的要求。隧道供配電系統一般按一級負荷配置，對重要系統采取不停電的供電措施，如采用自備發電機組或UPS等。
　　
　　（3） 優質性，是指應滿足機電系統設備對供電電壓、頻率、波形、電流等參數的質量要求，其電壓偏差應在±5％以內。
　　
　　（4） 經濟性，是指在滿足隧道負荷用電要求的前提下，系統的建設成本和運行費用低，利用效率高，盡可能地節約電能和減少用于輸送電能的傳輸線路中有色金屬的消耗量。
　　
　　1.3公路隧道的電力負荷
　　
　　根據《公路隧道設計規范》中的規定及要求，隧道通風、照明、監控、消防等重要電力負荷為一級負荷，應由兩路電源供電，同時還應設置獨立的備用電源和應急電源，隧道內主要電力負荷有：（1）通風系統（2）照明系統（3）監控系統（4）消防系統（5）生活用電
　　
　　1.4公路隧道供配電系統構成
　　
　　公路隧道供配電系統一般由變電站、供電系統、低壓配電線路、不間斷電源系統（UPS）、防雷和接地系統、無功補償裝置組成。
　　2中壓電能傳輸技術
　　
　　2.1各種配電網絡損耗分析
　　
　　長期以來，對于配電網降損采取的常用措施有：采用節能型變壓器，提高負荷功率因數，增大導線截面等。通過比較，發現盡管采取以上措施短期內對降低配電網損耗、提高電壓質量有一定好處，但在現有配電模式下滿足負荷發展的能力差。其原因在于現有配電模式中配電變壓器供電范圍過大，低壓線路供電半徑過長。采取變壓器小容量、多布點、縮短低壓線供電距離的供電模式比采取上述降損措施更具優越性，且能較好的滿足負荷發展的需求。
　　
　　現以如圖2.1所示的簡單典型配電網絡，變壓器、線路參數為例進行降損措施計算比較，計算結果如表2.1所示。
　　
　　圖2.1簡單典型配電網絡
　　
　　變壓器小容量，多布點配電模式。如圖2.2，將原來的400kVA變壓器更換成2臺200kVA變壓器分別置于LJ-95線路段首端，即延長10kV線路，靠近負荷點；將圖2.1網絡中的LJ-120導線增大到LJ-150。
　　
　　圖2.2采用新的配電模式后的網絡
　　
　　兩種配電方式各項指標對比見表2.1。
　　
　　表2.1負荷200kV時不同措施各指標對比
　　

　　從理論上來講前三種措施都只是對原有網絡做局部的調整，效果都不及采用新的配電模式后明顯。采用新的配電模式后大大降低了整個網絡的損耗，而且對提高負荷節點電壓有顯著效果。
　　
　　通過對常規降損措施和采用變壓器“小容量，多布點”的配電模式進行比較[2]，發現采用變壓器“小容量，多布點”的配電模式不僅電能損耗、電壓損耗較常規降損措施低，再在此基礎上采用其他降損措施才能收到很好的效果。
　　2.2中壓電能傳輸
　　
　　2.2.1低壓供電模式
　　
　　高速公路隧道放射式低壓供電是一種傳統的供電模式，即在隧道洞口設置變電站，然后分出若干0.4kV回路到隧道內。在隧道較長的情況下，電能的傳輸距離相對較遠，由于電流大，故電壓降和電能損耗都較大。為了減少線損，電纜截面不得不選擇較大，影響了其經濟性。同時由于受輸電半徑和容量的限制，采用放射型供電，這樣電纜數量較多布線困難。由于低壓供電距離有限，一般是采用每個隧道設置變電站，或在較長隧道兩端和隧道內橫洞設置變電所，人員成本及電費成本增加較大。
　　
　　2.2.2中壓供電模式
　　
　　（1）中壓電能傳輸系統原理
　　
　　所謂中壓電能傳輸系統，就是將全工程范圍內的所有低壓負荷按路段（或負荷類型）劃分為若干個負荷區域，把傳統的設置在隧道洞口的大容量變壓器分成若干小容量的變壓器，采用配電網電壓10kV或者將35kV（20kV）配變為10kV，將電能輸送到隧道內部，在負荷點處設置與負荷相匹配的10kV/0.4kV埋地式變壓器，將電源電壓轉換為用電設備所需低壓，分別對隧道通風、照明、監控等負荷供電。其組成原理如圖2.3，該方式具有技術先進、性能穩定的特點。
　　
　　圖2.3中壓供配電系統原理圖
　　
　　（2）集中供電的具體方式
　　
　　長隧道或連續的多個隧道采用集中供電方式，其主要是指隧道及沿線其他設施都由相對獨立的供配電系統提供電源，具體做法是將長隧道或多個隧道分成幾個大的供電區域，把分散用電點集中到35kV變電站或10kV開關站與附近的高壓供電干線網連接。集中供電的主要優點：供電質量穩定，克服了農村電網不穩定、電能質量低的缺點；有利于與供電部門協調，減少停電和供配電故障的次數；以大宗工業用電的低電價交納電費，降低營運管理成本，提高經濟效益。
　　
　　（3）集中供電與中壓供電技術相結合的供電方式
　　
　　由于傳統分散式供電方式存在的缺陷難以滿足長隧道用電要求，于是出現了集中供電與中壓電能傳輸相結合的供配電方式，中壓電能傳輸技術是當前國際比較流行的供電方式，取代傳統的供電方式是一種趨勢。
　　
　　中壓供電技術是針對長距離、分散性負荷供電特點的一種新的設計理念，是一種能將配電終端深入到負荷中心的長距離電能傳輸系統。采用相對集中供電的方式，在中心變電站引入穩定可靠的外部電源，在隧道沿線鋪設中壓電纜(10kV、20kV、35kV)送至各負荷點，隧道中的埋地式變壓器根據供電區域分散安裝在隧道側壁的預留配電洞室內，建立起相對獨立的專用中壓內部供電網絡。
　　2.3中壓電能傳輸系統構成
　　
　　整個道路工程范圍內的所有用電設備的供電電源由一個中壓電源系統提供，中壓傳輸線路貫穿于整個道路工程。根據工程規模，只設一至二個中壓配電中心，作為供電電源點，沿線配以若干埋地式變壓器作為變配電設備，從而構成中壓供配電站、中壓電能傳輸線路、埋地式變壓器的中壓傳輸系統，為工程范圍內的所有用電設備的供電。
　　
　　2.3.1埋地式變壓器
　　
　　埋地式變壓器電氣一次接線簡單，安裝方便，減少了維護工作量，采用低損耗變壓器，可以減少電能損耗。埋地式變壓器建設周期短，投資相對較少，有較好的經濟效益和社會效益，尤其適用于長距離，大范圍的供電工程[3]，其與傳統配電室和箱變的比較如表2.2所示。
　　
　　表2.2埋地式變壓器、常規配電室和箱式變電站的比較
　　 　　
　　中壓輸變電系統中的中壓電纜參照歐洲設計標準，國內生產后經國外設備供應商認可后使用。根據標準該種電纜導體部分長期允許最高溫度為70℃，使用頻率為50Hz，最大外徑≤44.5mm，直埋允許最大載流量為120A，相線中性線短路電流為800A/s，20℃時最大銅阻為0.811Ω。
　　
　　由于中壓輸入的埋地式變壓器、分路器均是采用三相電纜終端的三相插入式插頭連接，而插頭額定載流量是80A，電力電纜最大允許外徑為58mm。因此，電纜線徑的選擇也就決定了在應用中壓輸電技術時，每座開關站所能承擔的最大供電距離。采用10kV作為中壓輸電電壓，輸送負荷在400～800kVA之間，每30km～40km設為一個供電負荷區域。
　　
　　2.3.3中壓保護柜
　　
　　對于中壓系統中的中壓保護柜，其系統原理圖如圖2.4所示，主要技術性能為：
　　
　　（1）可頻繁操作達30萬次以上，電氣壽命長；
　　
　　（2）配電網絡上下級保護具有選擇性；
　　
　　（3）配電網絡的過電流保護靈敏度高；
　　
　　（4）具有接地故障保護功能，防誤操作鎖，保護設備和人身安全；
　　
　　（5）具有智能化接口，可實現遙控、遙測、遙信。
　　
　　圖2.4中壓保護柜系統原理圖
　　
　　2.3.4中壓配電系統的保護與接地
　　
　　中壓配電系統具有較完善的保護措施，具體如下所示：
　　
　　（1）采用負荷開關加熔斷器環網柜，是把控制和保護兩個功能分開，既發揮了設備的能力，又達到了經濟、合理的目的。
　　
　　（2）設計斷電保護、過電流保護與接地故障保護。接地故障保護主要是為了防止電網發生接地故障引起火災或人身安全事故。
　　
　　（3）配電系統的過載保護由設在變壓器繞組內部的熱敏元件實現，保護可靠有效。埋地式變壓器一次側熔斷器熔體電流取變壓器IN的2～16倍，視具體尖峰電流情況而定。
　　
　　（4）對于連續長隧道及其配套系列工程供電要求更高，因而，在中壓輸電系統中為了系統的可靠性和安全性，系統設置以下各級保護共有7級保護。
　　 　　2.4中壓網絡接線方式
　　
　　2.4.1電纜單環網
　　
　　電纜單環網是通過末端線路之間的直接連接，實現環網接線，如圖2.5所示。電纜單環網接線簡單、運行靈活，有利于配電網絡擴展和配網自動化建設。適用于供電可靠性要求高、負荷密度較低的配電網絡。
　　
　　2.4.2電纜雙環網
　　
　　電纜雙環網是電纜單環網的組合，利用二回電纜線路，通過同一開閉所的不同母線，形成“手拉手”供電網絡，實行雙環網接線，如圖2.6所示。電纜雙環網具有接線完善、運行靈活、供電可靠性高、但投資比單環網增加一倍，一般適用雙電源供電的重要用戶或供電可靠性要求較高的配電網絡。
　　
　　圖2.5電纜單環網

　　2.3.2中壓電纜選擇

       圖2.6電纜雙環網
　　
　　2.4.3雙電源雙T形接線
　　
　　雙電源雙T形接線方式10kV系統運行靈活，操作簡單，如圖2.7所示。10kV系統因是兩個電源，有備用線路，能夠保證不間斷供電。但變壓器及低壓系統無備用電源，不能保障供電的可靠性。此種接線方式盡量地減少了電纜的使用量，減少了投資。
　　
　　2.4.4雙電源雙T形兩變壓器接線
　　
　　雙電源雙T形兩變壓器接線方式，這種接線方式既有T形接線的優點，節省電力電纜的用量，運行方式靈活，又可使變壓器和低壓配電系統有備用，是一種高可靠性的接線方式如圖2.8所示[4]。
　　
　　圖2.7雙電源雙T接

       圖2.8雙電源雙T形兩變壓器接線
　　 3中壓電能傳輸技術在工程實例中的應用
　　
　　3.1秦嶺特長隧道原供配電系統概況
　　
　　以秦嶺特長隧道為例進行分析，秦嶺特長隧道包括Ⅰ號，Ⅱ號，Ⅲ號特長隧道，是西漢高速公路的關鍵工程。
　　
　　為了保證秦嶺隧道的供電，秦嶺隧道架設兩路110kV獨立電源供電，秦嶺隧道負荷為一級負荷，在Ⅰ號和Ⅱ號隧道之間的七畝坪建一個終端型變電站，總變電站負責Ⅰ號，Ⅱ號，Ⅲ號三座特長隧道及道路沿線所有設施的供電，并負責隧道管理所及生活設施的供電。總變電站共負責15座變電所的10kV供電，變壓器總容量18690kVA[5]。
　　
　　由于電力變壓器不宜輕載運行，電力變壓器一次側功率因數不僅與負荷的功率因數有關，而且與負荷率有關。所以電力變壓器在負荷率為60%以上運行時才較經濟，一般在75%～80%比較合適。隧道用電負荷主要為照明系統和通風系統，且其并不是一直滿負荷運行，致使變壓器經常處于輕負荷運行，即所謂的大馬拉小車，同時考慮到原方案為了降低電壓損失，而增大電纜截面，使得系統損耗和投資費用增大,考慮中壓電能傳輸技術較傳統低壓供配電方式的優越性，因此應用中壓技術進行設計。
　　
　　3.2中壓供電方案設計
　　
　　新方案使用原方案的輸變電系統，應用原總變電站，對秦嶺Ⅰ號，Ⅱ號，Ⅲ號統一考慮，統一劃分供電區域，進一步簡化了中壓連接電路，采用可靠穩定的環網供電結構，中壓電纜在隧道全線敷設，將低壓回路的供電半徑控制在200m以內。結合實際工程情況，做出具體供電方案如下，其配電系統圖如圖3.1所示。
　　
　　（1）該方案將全線用電負荷分為兩個區域，沿用原輸變電系統，在Ⅰ號，Ⅱ號隧道之間的建一個終端型變電站，經110kV/10kV降壓變電所降壓后，引出10kV線路，10kV配電母線采用單母線分段連接，中間設聯絡開關，聯絡開關考慮手動操作，具有自動投入功能，自動投入功能也考慮在計算機監控范圍內，系統保護元件采用真空斷路器。
　　
　　（2）在兩區域中間設環網柜，環網柜具有電動/自動操作機構，配上RTU后即可實現遠動及配電自動化，使得去Ⅰ號和Ⅱ號兩個方向的電源互為備用，平常運行過程中，環網柜是開環運行，作為聯絡開關，這樣當某路電源故障時，通過智能開關設備將故障段隔開，由另一路10kV電源作為備用電源為故障電源所轄區域用電設備供電，用電設備的可靠性也較高。
　　
　　（3）取消隧道車行橫洞內的變電所洞室，將大容量變壓器分割為多個小容量的埋地式變壓器，將埋地式變壓器放置在隧道側壁的預留配電洞室內，引出10kV電纜并與埋地式變壓器連接，埋地式變壓器間通過手拉手方式形成單環網供電方式，該方案中的兩個區域供電是相對獨立的，所外引的各自用電負荷容量僅僅考慮各本區域用電負荷及另一區域一級用電負荷的容量，而不是分別為另一個負荷區域內所有用電負荷做一對一的完全備份。
　　
　　（4）電纜線路接線方式采用電纜單環網，簡化系統接線，對于相鄰環網線路中任一段電纜線路或環網單元故障時，可通過短時間的分段開關切換，很快恢復環網單元供電，提高了配電網絡供電可靠性。在兩個供電區域中只是對一級負荷作備份，并不是對全部負荷做備份，10kV電力電纜傳輸容量將大大減少，電纜截面可以適當減小，節省電纜初期投資，兩個供電區域有一定程度的互相備份。
　　
　　圖3.1中壓配電干線系統圖
　　
　　3.3中壓供電與傳統低壓比較分析
　　
　　采用中壓供配電系統，并配以供配電監控管理系統后，取消整個隧道全線隧道內變電所，取消變電所內的值班人員，通過監控管理系統對電力負荷實現統一調度。對于低壓供電與中壓供電的比較，不管是從前期投資情況，還是后期的運營費用，中壓供電技術都有其優勢，對于采用中壓技術后，秦嶺隧道內變電所土建費用則可以節省，從變電所到配電點的部分低壓電纜等也可以節省，表3.1為低壓和中壓供電的后期運行費用的比較。
　　
　　表3.1低壓和中壓供電的后期運行費用比較
　　

　　4結語
　　
　　本文對中壓電能傳輸技術進行詳細分析，并結合秦嶺特長隧道實際工程案例進行中壓電能傳輸供配電方式設計。通過對比分析，與傳統供配電方式相比，中壓傳輸技術有以下優勢：
　　
　　（1）技術設計理念先進，整個工程的供配電為一個完整的系統，中壓系統具有很高的可靠性和很好的擴展性，并具備較長的免維護周期，中壓系統的設備故障率也小于低壓設備的故障率，且便于今后的運行、維護、管理。
　　
　　（2）應用中壓供電，電能損耗小，同時電能質量高，完全滿足隧道內照明系統對電壓的要求，中壓電能傳輸系統接線簡單明了，運行靈活，最大程度減少了地面設施，其符合我國電網改造的“小容量、短半徑、密布點”的發展方向。
　　
　　（3）雖增加了中壓電纜和埋地式變壓器的投資，但節約了低壓電纜及變電所土建和相關的設備投資，并減少系統損耗，可降低部分工程造價。節省工程投資約在10％～30％，同時可大大減少變電所和值班人員數量，降低運營管理費用。
　　
　　（4）供電電源取自地方的高壓供電主干網，避免了與地方在用電問題上的矛盾，減少了停電和供配電故障，保證了用電負荷內部設備的用電質量，也有利于整體降低電價，減少電費開支。
　　
　　（5）配合電力監控系統的使用，整體的自動化水平高，便于控制管理和維護。