高速公路隧道供配电系统需求及发展应用现状

高速公路隧道供配电系统需求及发展应用现状

摘

要：通过对高速公路隧道机电设施介绍，分析了高速公路隧道机电设施构成和供电负荷分类，同时探讨了目前高速公路隧道供配电系统存在的问题及今后发展费方向。同时结合太阳能发电影响因素和高速公路隧道太阳能供电现状，分析了当前高速公路隧道太阳能供电系统发展应用现状。关键词：公路隧道；供配电；太阳能：U452.2

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0引言隧道作为一个封闭的环境，其运营条件与外界截然不同，有着更为苛刻的要求，通风、照明以及消防等设计是隧道正常运营的必要支撑条件，相关设备都需要依靠可靠、持久的供电系统进行工作，可靠的供电系统是公路隧道乃至整条高速公路正常运行的基础。规模不断增加的公路隧道在提高公路线形指标、提供便捷通道的同时，对电力能源的需求也与日俱增。与此同时，随着近年国民经济高速发展，全国总发电装机容量和电网供电能力与需求之间缺口呈明显增大趋势，全国大部分地区出现了不同程度的拉闸限电现象，国内多条运营高速公路隧道为了降低能耗，也纷纷出现“有灯少开或不开，有风机不转”的现象，对行驶在隧道内的车辆人员带来极大安全隐患。因此，本文对高速公路隧道供配电需求和发展趋势进行了分析，同时讨论了高速公路隧道太阳能供电系统应用现状。1、高速公路隧道供电需求分析1.1高速公路隧道机电设施构成高速公路隧道长度不同，其所对应的负荷也不同。隧道长度越长，隧道设备种类增多，其对应负荷增大。在长隧道中，通风及安全设备负荷所占比例增大，而且对电力供应有着更高的要求。隧道作为一个封闭的环境，其运营条件与外界截然不同，为了使其提供舒适、快捷、安全的运营环境，高速公路隧道均配备有完善的机电设施。根据机电设施功能应用不同，隧道机电工程包括：隧道监控系统、通风系统、照明系统、消防系统及供配电系统，如图1所示，与之配套的隧道机电设施可分为：隧道监控设施、隧道通风设施、隧道照明设施、隧道消防设施及隧道供配电设施。图1隧道机电设施分类1.2高速公路隧道供电负荷分类高速公路隧道各类设施的配置根据隧道长度、交通量不同而有所区别。通常长隧道、特长隧道和部分中隧道供电负荷主要以隧道监控设施、隧道通风设施、隧道照明设施和隧道消防设施为主，短隧道供电负荷主要为隧道照明设施。（1）隧道监控设施根据我国目前公路隧道机电工程设施的建设状况和使用情况，长度在1km以下的隧道一般不设置交通监控设施；长度在1km以上的公路隧道随着交通量的增长，需设置监控、水消防等设施；针对长大隧道而言，隧道内各类信息采集、发布及控制设施的正常运行对于整个隧道交通安全顺畅运行至关重要，因此，隧道各类监控设施负荷即为供配电系统重要负荷来源之一。（2）隧道通风设施目前国内隧道风机设置现状，一般在长隧道、特长隧道和部分中隧道内设有机械通风设施。风机种类包括射流风机及轴流风机，射流风机单台功率在十几千瓦以上，采用就近变电所供电方式，轴流风机单台功率达上百千瓦，一般单独设有风机配电室为其供电；短隧道内均采用自然通风方式。因此各类风机负荷是长或特长隧道及部分中隧道供配电系统主要用电负荷之一。（3）隧道照明设施长隧道或特长隧道内供电负载主要以监控设备、通风风机、照明灯具及消防水泵设施为主，中短隧道供电负载主要为照明设施。据初步统计，1公里长的隧道（单向双车道，设计车速100km/h），其照明负载约占总负荷的28.5%左右，通风负载约占总负荷的53%左右，监控设备负载约占总负荷的5%左右。（4）隧道消防设施中、短隧道配置手提式灭火器。沿隧道纵向每间隔约50m设置一处灭火器箱，灭火器箱采用暗装的方式设置于行车方向右侧隧道侧壁上；长隧道、特长隧道消防设施的主要配置为根据隧道的交通工程分级，长度大于1000m的隧道均应设置消火栓、灭火器、轻水泡沫灭火装置。这些设施通常放置在一个消防设备箱内。（5）隧道供配电设施隧道供配电一般设有二路外电源和一套自备电源，在外电源发生故障的情况下，自备柴油发电机组运转发电。为使供配电灵活、提高故障情况下供配电的可靠性，系统采用分段母线供配电，互为联络。通风、照明、监控、通信设备及事故用电各自设置单独的回路。2、高速公路隧道供配电系统存在问题及发展方向2.1隧道供配电系统存在的问题（1）取电方式较为单一，供电质量不稳定隧道供电电源取电有两种方式。一种采用架设专用线路供电方案，该方案需要架设线路较长，相对投资较大，运营期间需定期维护，但电能质量较高，基本能满足隧道日常供电需要。第二种取电采用当地农网线路或市电供电线路，当隧道附近有当地供电部门已架设的农网供电线路时，都直接采用农网供电方案，该方案外供电线路距离短，建设成本低，取电方便，但由于农网负荷具有不同程度的时间性、季节性变化，从而造成电压起伏较大，甚至频繁断电等情况发生，对隧道正常运营管理造成较大影响。（2）公路隧道内用电设备多，用电量大，运营费用高高速公路隧道内用电设备多，用电负荷相对较大，造成其运营期的电费开支非常大。据调查显示，秦岭终南山公路隧道每月风机与照明用电费用高达200万元以上，这无疑是隧道管理部门一笔庞大的经济负担。（3）公路隧道对于传统电力资源依赖性大，新型能源利用率较低目前绝大多数公路隧道用电均引自已有电网，隧道用电量大、运营费用高。一方面对于公路运营和建设自身带来沉重负担，另一方面对于项目所在区域当地电网也带来不小的压力，特别是电力基础设施相对薄弱的地区。隧道建设和运营用电对于新能源的开发和利用率很低，如此一来既不符合国家提出的建设“资源节约型、环境友好型”交通发展重大战略，长远来看，也对公路自身建设带来很多不利影响。2.2隧道供配电系统的发展方向随着隧道运营水平的提高，各种新型供配电技术的不断创新发展，计算机技术的发展和新的控制理论研究成果应用，隧道供配电系统将沿着节能化、系统化、智能化、综合化的方向发展，使隧道节能达到一个新的技术水平，并降低运营成本，从而促进高速公路良性发展。3、高速公路隧道太阳能供电系统应用现状随着国内高速公路建设的飞速发展，高速公路隧道的建设里程不断增加，对于电能的需求也越来越大。特别是在部分地区由于地方电力基础设施较为薄弱，隧道供电电源已成为公路建设及运营需亟待解决的问题，在此背景下，引入隧道太阳能光伏供电系统不失成为解决上述难题的有效途径之一[1]。3.1高速公路隧道太阳能供电影响因素分析完善的太阳能光伏供电系统可以使得隧道在建设、运营中降低投资和运营费用，降低对传统能源的过渡依赖，也符合国家“节能减排”发展要求。因此，进行高速公路隧道太阳能供电方案设计就显得极为重要。公路隧道太阳能供电方案设计需重点考虑隧道实际用电负荷需求、隧址区地形及日照资料、系统电气和机械设计方案等[2]。（1）隧址区太阳日照条件及洞口地形条件高速公路设置隧道是为了克服地形限制与高程障碍、改善线型，因此隧道所在地区一般均为山岭区，隧道本身又是一个封闭环境，无法直接接收太阳光照，隧道口地形大多较为狭窄，地势起伏较大，加上洞口附近山体分布及山区植被的影响，对于太阳能电池板场区设置带来很不利的影响，从而直接影响到了隧道太阳能供电方案的规划、设计和实施。（2）合理控制隧道用电负荷结合目前国内隧道设施配置现状，一般短隧道（长度≤500米的隧道）用电设备主要为照明负载，在长或特长隧道以及部分中隧道内设有机械通风设施及监控设施。根据太阳能光伏发电设备技术发展现状，虽然目前已有GW级太阳能电站建成，但其初期投资也相应较高，对于用电负载功率过大的隧道，采用太阳能光伏供电方案会造成初期投资过大的不利情况，在“节约办交通”这一理念下，必将影响到方案能否具体的实施。（3）提高太阳能光伏发电设备系统效率除光照强度外，温度也是影响光电转换率的重要因素，当温度升高时，光电转换率明显下降。此外，光电池本身的工艺结构（如光的镜面反射）也会影响光电转换率，提高电池板效率的方法有对太阳能板进行冷却、改变反射系数等。如有条件，可以进行太阳追踪，以获取更大的光强。随着材料及电子技术的进步，在可预见的将来，可以在更小的面积上获取更大功率的电力资源，太阳能光伏发电也将获得更大的应用空间。3.2高速公路隧道太阳能供电现状分析2004年交通部西部建设管理中心基于解决无供电条件和供电条件不好的公路隧道照明问题提出了《公路隧道太阳能照明系统研究》课题项目，在此研究基础上建成我国首座公路隧道太阳能智能LED照明实验工程。LED节能环保，寿命长，已成为了照明的一个趋势。在无照明设施的隧道中，可设置LED隧道诱导系统，为行驶在隧道内的车辆提供主动式安全行驶诱导，LED隧道诱导灯安装一般在隧道两侧，可有效地改善隧道路面的视觉光度效果，提高司机对隧道路面的辨别能力，从而保障车辆行驶安全。由于LED诱导系统负荷较小，采用太阳能光伏供电系统可避免常规供电施工难度大，线缆敷设困难等缺点。总的来说，虽然目前高速公路隧道太阳能光伏供电系统已有不少实施案例，但由于受隧址区地形、气候、隧道用电负荷等影响，高速公路隧道对于太阳能光伏供电系统的应用大都以小负荷工况为主，大规模使用太阳能供电技术仍需加强各方面技术研究工作[3]。4、结语通过对隧道机电设施介绍，浅析了隧道内供电负荷分类及供电的相关要求，并对变电所位置情况进行说明，最后提出了现在供电系统存在的问题及将来供电系统的发展方向。对太阳能资源、太阳能光伏发电原理及光伏供电系统的构成进行了介绍，重点对高速公路隧道太阳能供电