党 辀
（甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司 甘肃 兰州 730030）
摘要：
依据公路隧道建设的环境（供配电环境），从不同角度论述供配电方案选择的合理性和科学性。电气行业的发展给隧道供配电带来了各种方案选择，比较成熟的方案选择有隧道洞内变电所、埋地变电站、箱式变电站、预装式变电站等。以上各种供配电方案在已建或在建项目中都有所涉及，但就其性价比、安全性、耐久性、设计及施工难度等性能都有所不同。
关键词：
隧道供配电 变电所 箱式变电站 配电室 埋地式变电站 预装式变电站
引言：
公路隧道的供配电设计在适应现场及业主具体要求的情况下提出不同的供配电方案。隧道供配电总体设计在遵守《公路隧道通风照明设计规范》JTJ026.1-1999的规定时针对每一条隧道的供配电设计也相应有不同的供配电方案。如供配电方式大致分为隧道变电所、箱式变电站、埋地变电站，预装式变电站等。隧道供配电依据规范规定一般属于一级供电负荷，需要有两路电源支持，一备一用。以安全经济方面提出了使用柴油发电机组及应急电源等几种设计来满足要求。
1、大型变电所公路隧道应用
甘肃省境内连霍国道主干线(GZ45)永登（徐家磨）至古浪高速公路有五座隧道，其中四座为特长隧道，都采用变电所配电方案。隧道变电所终端用电基本都为380V~220V低压用电，低电压在传输上存在一些缺陷，传输距离太长，电压降就会增大，为了满足终端压降要求，电缆直径就可能增大，产生材料与资金投入增加。所以低压配电线路一般在设计中不宜超过1000米，供电线路取值在800~1000米之间经济性能较高。在永古高速公路隧道设计中基本遵循了这样的设计原则。其中安远隧道总长上行线6868米、下行线6848米，隧道全线供设置5座变电所，变电所布设见下图1。
图1、变电所布置位置
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隧道变电所供配电方案必须处理好与车行横洞、人行横洞的位置冲突，以免设置变电所横洞的位置恰好是车行横洞、人行横洞的位置。
图2、变电所及横洞平面图
隧道进出口洞外变电所设置距隧道口位置不宜大于100米，以避免影响进出口变电所的供电半径。
就上述变电所土建布置情况表明，在进出口变电所各提供一条高压供电回路，在各个变电所两个回路互为备用，就可以满足供配电两回路的负荷等级要求。该种供配电方式一般情况由于隧道的出口和进口位于不同的电网位置，提供两个高压回路也比较方便。比起使用柴油发电机组等供电方案有更大的优越性。电网的运营一般都是自动互投互切，不象柴油发电机组一样还需要人员来专门维护。柴油发电机组必须存储油料，在市网掉电情况下，当柴油发电机组切换时必须有满足其长时间运行的燃料存储，这样就会给变电所的防火、防爆提出更高的要求。柴油发电机组产生的电能为380~220V低压电源，它也存在供电距离限制，只能提供进出口变电所的低压用电负荷，而对于隧道中间的洞内变电所低压用电负荷可谓是鞭长莫及，所以柴油发电机组在这种供电方案中根本就不适应。最适应的供电方式还是双电源支持更为可靠、安全、标准统一、专业界面清晰。具体供配电主接线见图3。 图3、大型变电所设置供配电主接线
从主接线图可明显看出，该供配电方案为高供高计，隧道的进出口各提供一回路10KV高压电源，在进出口变电所设置计量柜，这样整个隧道的用电负荷在进出口就全部做了计量，隧道里面供电线路、变压器及相关用电设备的损耗全部记入进出口隧道变电所计量柜。进口变电所（1号变电所）高压柜配出一路高压回路作为2号隧道变电所主供，3、4、5号隧道
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变电所备供，出口变电所（5号变电所）高压柜配出一路高压回路作为3、4号隧道变电所主供，1、2号隧道变电所备供，基本作到当电网处于正常供电时进出口变电所各自承担整个隧道一般的供电负荷。
隧道变电所的设置还有一种方案就是采用隧道内车行横洞或人行横洞侧壁开凿洞室作为变电所使用，同时公路隧道专用通道与变电所通道采取合用。境内宝（鸡）天（水）高速公路天水过境段石家山隧道，秦岭终南山公路隧道都属于此种供配电方案。石家山隧道上行线3777.435米、下行线3839.98米，其中在隧道中间一处人行横洞SK111+620处设置变电所，见图4。 图4、变电所横洞与公路隧道专用横洞共用 一般在横洞处设置变电所宜设置与车行横洞处，由于车行横洞空间比较大，有益变电所设备进出运输，具有宽松的活动空间。石家山隧道设置在人行横洞处主要原因其一是考虑到该位置基本处于隧道中心位置，对于供电距离是一个比较合理的位置；其二该位置地质条件有利于开挖隧道变电所；其三在施工阶段隧道主体已经施工结束，但横洞正在施工阶段，有利于施工的连续性。
公路隧道专用横洞兼做变电所横洞的这种供配电方式基本与隧道内独立设置变电所及其横洞的做法相同。主要优点在于无须另外专门开挖变电所横洞，变电所位置比较隐蔽，土建设计比较简单，但同时土建设计必须在设计阶段为电气设计预留电缆沟等许多电气使用建筑物，该方式存在不利于变电所的通风及消防。 2、箱式变电站公路隧道应用
箱式变电站在公路隧道中的应用是比较普遍的一种供配电方案，但箱式变电站的空间有限，对配电回路过多，配电设备容量较大，配电方案及其设备较为复杂的供配电方案箱式变电站实现比较困难。对于二级及以下等级，并且隧道长度不超过2000米的隧道箱式变电站可以适当选用，隧道长度不超过1000米的隧道箱式变电站宜于应用。箱式变电站要求供配电设备相对比较集中，能够节约空间为好，所以箱式变电站高压设备一般不宜选用手车式高压柜，变压器宜选用干式变压器，低压柜选用紧凑型环网柜。箱式变电站为了节约空间不宜采用两回路高压进线，两回路高压进线因为是采用一用一备的切换方式，在两个高压进线柜的基础上，势必还要再设置诸如：两个进线电压传感器、母线电压传感器、母联柜等设备，会严重影响箱变空间。但是隧道供配电有它的特殊性，按规范要求隧道为一级供电负荷，必须要提供两个电源支持，在采用箱变作为供配电的基础上，提供两个独立的高压回路供电显然比较浪费。考虑替代电源，首先人们会考虑到的就是发电机组，发电机组作为一种替代电源，对于2000米及以下的隧道发电机组如果在进出口设置的话，从供电距离来说是一种合适的方案。但发电机组的设置需要空间，这对箱变来说是一个相当的要求，所以在采用箱变
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的基础上发电机组是一种不成熟的第二回路替代电源。当然也提出采用移动式或便携式发电机组，但这种方案对于隧道来说难以起到应急的作用，因为管理人员一般距隧道位置比较远，如果市电掉电或在灾难情况下，隧道需要立即有应急电源投入，就是所说的EPS电源。
EPS电源是将交流市电整流后变为直流电能存储于蓄电池中，当需要EPS电源供电时又将存储于蓄电池中的电能由直流到交流逆变后提供给电网作为应急电源来使用，在市电没有掉电情况下EPS有旁路交流输出给电网，电气原理图见图5。
图5、EPS电气原理图
在隧道供配电中EPS主要是提供给隧道内应急照明用电，而隧道照明一般在照明灯具选择上高压钠灯具多，高压钠灯属于高压惰性气体灯具，高压钠灯一般在启动时需要对灯具预热，经过漫长的预热时间后才能启动。如果市电掉电高压钠灯失电后再重新启动，在这种情况下高压钠灯就先需要冷却到一定温度，然后再预热启动，而恰好我们在这时候把高压纳灯作为应急照明，马上需要其提供照明，这样切换启动应急照明的时间必须要短，所以我们在选择EPS电源的时候必须要选择能够瞬时启动高压钠灯的专用EPS电源。如北京动力源科技股份有限责任公司生产的DUYU-P（J）系列EPS产品具有快速启动气体放电灯的功能。在公路隧道方面，EPS应急电源装置采用先进的N+1全数字模块化并联冗余技术。具有可靠性高，切换时间短，供电质量好的特点。使用成熟的逆变技术，充电器集逆变器于一体结构，维护方便。切换时间小于1.5mS,完全能满足气体灯光源的要求，保证在系统电源断电时逆变电源切换时光源正常工作。并能保持90分钟以上运行时间。
当然箱式变电站采用EPS作为应急电源这种供配电方案，当市电掉电电网最多也就支撑90分钟左右的时间，长时间没有市电的情况下它还是存在一些缺陷 。如果这种情况下再适当的采用便携式易运输、移动的小型发电机组作为后备应急电源，由于EPS赢得了充足的准备时间，就可以作到万无一失。
箱式变电站的方案在临夏折桥至兰州达川二级公路考勒和张家塬公路隧道，白龙江代古寺水电站公路改建工程尖藏隧道，省道203线乌兰浩特至零点段一级公路巴勒根达坂和迈斯根达坂隧道设计进行了布设。考勒隧道全长2152米，为二级公路，具体供配电方案见图6。
图6、箱式变电站平面位置
箱式变电站在公路隧道中广泛的选用，还有一个更为突出的优点就是占用土地面积比较
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小，不需要大量的征地工作，只要能够放置箱式变电站箱体的一小块面积就可以，设置位置比较灵活，对土建的设计干扰不大，一般情况下只要主体大概指定位置或桩号，不需要建筑专业做相关设计，由电气工程师根据供配电需求直接设计就可以满足要求。考勒隧道箱式变电站电气功能间隔平面布置见图7。
图7、箱式变电站间隔构造
3、小型配电室公路隧道应用
与箱式变电站供配电相似，但供配电功能比较齐全和完善的一种供配电方案，就是小型配电室的设置。该种配电室的设置比上面说的变电所的规模要小的多，变电所的建筑面积一般在250~300平方米，而配电室的建筑面积一般不超过100平方米，它们为什么相差这么远呢！易于设置配电室的隧道的规模一般跟设置箱式变电站的隧道规模差不多，往往比设置箱式变电站的规模更小，设置配电室的隧道规模一般在长度大于100米小于1000米的隧道更为合适。因为短隧道对通风的要求不同，就可以减去风机变压器和风机低压配电柜的设置，配电室仅仅承担隧道照明的用电负荷。而照明变压器可以设置于室外，建设成杆上变压器，变压器容量一般不超过100KVA，大部分在50~80KVA之间。由于高压进线只为一个回路，出线仅为一台照明变压器所以高压开关柜也同样不需要设置。依据以上几个原因，就相当于压缩了变压器室、高压室、部分低压室的空间，所以建筑面积就相对小。对于供配电功能来说也具有瞬时切换的应急电源EPS，还具有长时间支撑应急照明的小型发电机组，在低压回路中提供了可靠的双电源切入。从经济角度考虑，小型配电室的建设成本甚至比箱式变电站的造价都要低，而且对于设计人员，小型配电室的设计可以灵活配置、得心应手，所以小型配电室在短隧道的应用是适宜的。
在兰磨大通道临夏至合作段二级公路郎青隧道、G316线杨店至江洛公路地震灾后恢复重建工程袁家湾隧道和柏垭子梁隧道、宁长煤炭专用公路宫河至长庆桥段店子沟隧道都采用的这一供配电方案，店子沟隧道配电室布置平面见图8。
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图8、配电室平面布置图
供配电方案的选择应适应隧道主体设计的要求。首先设置箱式变电站的重要原因是隧道进出口布置建筑物没有地形条件，隧道进出口一般为沟壑、陡坡、峭壁，没有可能为设置配电室提供场地；其二箱式变电站一般不需要有专业人员长期维护、职守，仅仅在巡查、检修或有故障发生时工作人员到现场维护；其三配电室的设置虽然不需要向设置变电所那样复杂，但只要有人员长期职守，我们就得增加工作人员住宿、管理的房间，日常生活使用的卫生间，工作、活动、布置建筑物的场区，这些配电室的附属功能建筑就会占用相当大的场地，在适应设置箱变的隧道进出口找一块适合设置配电室的场区，增加维护配电室正常工作、运转的人员就是配电室这种供配电方案最大的缺点。 4、埋地变电站公路隧道应用
箱式变电站还衍生出一种供配电方案，那就是以埋地变压器为主要特点的供配电模式，一般称之为埋地式变电站，其实埋于地表下的仅仅为变压器，而相对占用空间比较小的开关箱还是在地表以上设置。埋地变这种供配电模式起初大多使用在市政道路照明工程中，打造了一个比较适合市政道路照明的一个线形供配电模式。但近些年由于考虑到隧道照明也基本是一个线形分布情况，所以在隧道供配电方案中一些省份也作了选择。山西省境内运城至灵宝高速公路解州至陌南段中条山隧道就做了这种选择，隧道变电站平面布置见图9。
图9、埋地变电站平面位置
中条山隧道总长，上行线9768.456米，下行线9769.82米，为高速公路等级。埋地变 电站在这种特长隧道中应用可能也不多见，中条山隧道只有隧道进出口设置了340~350平方米的两座变电所，其余隧道内共设置了上行线4座埋地式变电站，下行线设置4座埋地式变电站，每处变电站均在隧道侧开挖变电站设置空间，设置空间大小及平面布置见图10。
图10、埋地变电站平面及开关箱构造
埋地式变电站作为箱式变电站的一个衍生，跟箱变一样更适合二级以下中、短公路隧道。
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埋地式变电站主要特点在于安全、免维护、小型、节约空间、位置隐蔽性好，一旦设置于特长隧道中，它的以上特点就难以体现，而且相比较隧道变电所供配电电缆（包括高压电缆、低压电缆）多、线路敷设复杂、供配电结构不合理、施工界面严重冲突、消防防火难度大、浪费电力资源、增大建设投资。在其他隧道设计中曾经有将埋地变电站位置设置于隧道横洞处的做法，这种做法在隧道横洞侧面与隧道平行开挖数个设备空间，有点与在隧道横洞处设置变电所的做法相似，虽然相对变电所设置开挖横洞空间繁杂，结构处理和施工难度大，开挖空间大小不一，结构空间不完整，但相比在隧道上下线单独设置变电站空间更加合理。
现在我们只把在特长隧道中设置洞内变电所和上下行线单独设置埋地的变电站做以比较，就很容易看出以上特点。就高压电缆敷设来看，若采用洞内变电所，我们只需要两个回路的高压电缆一用一备，即可以满足隧道洞内变电所，而采用上下线单独设置埋地式变电站高压电缆上行线得两个回路，下行线也得两个回路，高压电缆就会增加一倍。从土建方面来看，隧道洞内变电所只需要在隧道内开挖一个与隧道垂直的变电所横洞即可，而上面设置埋地变电站的措施，需要在隧道上下线各开挖一处变电站位置，施工不完整，比较分散，这样以来给消防、施工都带来很大的难度，相应由于以上工程量的增加，施工、设备费用就会增加。由于供配电设备分散，设备数量增加，而总的用电负荷没有变，那么电能损耗增加，运营成本也会提升。
当然埋地变电站如果设置于短隧道中，我们直接可以将隧道埋地变压器设置于隧道口室外人孔井中，将低压开关箱集中设置于隧道口内侧隧道壁预留开洞位置处。还可以将埋地变压器及低压开关箱都设置于隧道洞口，这样就更能节约空间，增加安全性、可靠性。埋地变电站在隧道供配电中的应用目前在起步阶段，我们必须要做好慎重的选择，合理的应用。 5、预装式变电站公路隧道应用
预装式变电站是一种更为紧凑化的供配电设施，结构紧凑、造型美观、全封闭、全绝缘、维护简便，但容量一般比箱变和埋地变还要小。在国外的应用比较广泛，在我国的应用主要还是集中在一些市政及其道路照明工程中，在隧道中的应用还不是很多，在连霍国道主干线(GZ45)永登（徐家磨）至古浪高速公路安远隧道静电集尘设计的供配电中有应用，预装式变电站供配电布置平面见图11。
图11、预装式变电站平面布置
预装式变电站在隧道正常供配电中应用还是不太合理，但在象隧道内这种小型功率比较集中的附属专用设备中，由于提供低压电力支持距离太远，超出供电半径，加挂在其他低压电缆上功率又太大，设置比较紧凑的预装式变电站就比较适合。预装式变电站一般提供一个高压进线回路的终端供电方式，或可设置为简单的环网结构，4~8个低压出现回路，每回功率不一般在10~100KW之间，最大回路功率不宜大于200KW，预装式变电站箱体内还装有一台干式变压器容量一般在1000KVA以下。 6、结论
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隧道供配电在隧道建设中虽然属于附属工程，但供配电在公路隧道的运营中起着相当重要的作用。隧道供配电方案的选择不能一概而论，必须要依据具体工程、业主要求、建设条件与综合环境、工程实践等因素进行分类、合理的设计、应用。对于特长隧道，变电所双回路高压供电设置为较可行的方案；对于中长隧道，可以适当选择变电所、箱变、配电室设置；小隧道，配电室、箱变、埋地变为更优化的选择；其他附属专用电气设备，可选用结构紧凑、引用灵活、设备较为先进的预装式变电站。
参考文献：
[1]张洋，赵祥摸，许宏科.高速公路供配电照明系统理论及应用.北京：电子工业出版社，2003.11.
[2]夏国明.电气照明技术.北京：中国电力出版社，2004.
[3]唐定曾，唐海，朱相尧.建筑电气技术.北京：机械工业出版社，2003.3. [4]唐顺志.电力工程.北京：中国电力出版社，2008.5.
[5]交通部重庆公路科学研究所.公路隧道照明设计规范，JTJ 026.1-1999.北京：人民交通出版社，2000.
[6]中华人民共和国建设部.民用建筑电气设计规范，JTJ 16-2008.北京：中国建筑工业出版社，2008.
[7]甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司. 连霍国道主干线(GZ45)永登（徐家磨）至古浪高速公路施工图设计文件.兰州，2008.7.
[8] 甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司.宝（鸡）天（水）高速公路天水过境段施工图设计文件.兰州，2008.12.
[9]山西路晟交通建筑设计有限公司. 运城至灵宝高速公路解州至陌南段初步设计文件.山西，2008.12.
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