高速公路隧道供配電系統(tǒng)需求及發(fā)展應用現(xiàn)狀

高速公路隧道供配電系統(tǒng)需求及發(fā)展應用現(xiàn)狀

摘

要：通過對高速公路隧道機電設施介紹，分析了高速公路隧道機電設施構成和供電負荷分類，同時探討了目前高速公路隧道供配電系統(tǒng)存在的問題及今后發(fā)展費方向。同時結合太陽能發(fā)電影響因素和高速公路隧道太陽能供電現(xiàn)狀，分析了當前高速公路隧道太陽能供電系統(tǒng)發(fā)展應用現(xiàn)狀。關鍵詞：公路隧道；供配電；太陽能：U452.2

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0引言隧道作為一個封閉的環(huán)境，其運營條件與外界截然不同，有著更為苛刻的要求，通風、照明以及消防等設計是隧道正常運營的必要支撐條件，相關設備都需要依靠可靠、持久的供電系統(tǒng)進行工作，可靠的供電系統(tǒng)是公路隧道乃至整條高速公路正常運行的基礎。規(guī)模不斷增加的公路隧道在提高公路線形指標、提供便捷通道的同時，對電力能源的需求也與日俱增。與此同時，隨著近年國民經(jīng)濟高速發(fā)展，全國總發(fā)電裝機容量和電網(wǎng)供電能力與需求之間缺口呈明顯增大趨勢，全國大部分地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的拉閘限電現(xiàn)象，國內多條運營高速公路隧道為了降低能耗，也紛紛出現(xiàn)“有燈少開或不開，有風機不轉”的現(xiàn)象，對行駛在隧道內的車輛人員帶來極大安全隱患。因此，本文對高速公路隧道供配電需求和發(fā)展趨勢進行了分析，同時討論了高速公路隧道太陽能供電系統(tǒng)應用現(xiàn)狀。1、高速公路隧道供電需求分析1.1高速公路隧道機電設施構成高速公路隧道長度不同，其所對應的負荷也不同。隧道長度越長，隧道設備種類增多，其對應負荷增大。在長隧道中，通風及安全設備負荷所占比例增大，而且對電力供應有著更高的要求。隧道作為一個封閉的環(huán)境，其運營條件與外界截然不同，為了使其提供舒適、快捷、安全的運營環(huán)境，高速公路隧道均配備有完善的機電設施。根據(jù)機電設施功能應用不同，隧道機電工程包括：隧道監(jiān)控系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)及供配電系統(tǒng)，如圖1所示，與之配套的隧道機電設施可分為：隧道監(jiān)控設施、隧道通風設施、隧道照明設施、隧道消防設施及隧道供配電設施。圖1隧道機電設施分類1.2高速公路隧道供電負荷分類高速公路隧道各類設施的配置根據(jù)隧道長度、交通量不同而有所區(qū)別。通常長隧道、特長隧道和部分中隧道供電負荷主要以隧道監(jiān)控設施、隧道通風設施、隧道照明設施和隧道消防設施為主，短隧道供電負荷主要為隧道照明設施。（1）隧道監(jiān)控設施根據(jù)我國目前公路隧道機電工程設施的建設狀況和使用情況，長度在1km以下的隧道一般不設置交通監(jiān)控設施；長度在1km以上的公路隧道隨著交通量的增長，需設置監(jiān)控、水消防等設施；針對長大隧道而言，隧道內各類信息采集、發(fā)布及控制設施的正常運行對于整個隧道交通安全順暢運行至關重要，因此，隧道各類監(jiān)控設施負荷即為供配電系統(tǒng)重要負荷來源之一。（2）隧道通風設施目前國內隧道風機設置現(xiàn)狀，一般在長隧道、特長隧道和部分中隧道內設有機械通風設施。風機種類包括射流風機及軸流風機，射流風機單臺功率在十幾千瓦以上，采用就近變電所供電方式，軸流風機單臺功率達上百千瓦，一般單獨設有風機配電室為其供電；短隧道內均采用自然通風方式。因此各類風機負荷是長或特長隧道及部分中隧道供配電系統(tǒng)主要用電負荷之一。（3）隧道照明設施長隧道或特長隧道內供電負載主要以監(jiān)控設備、通風風機、照明燈具及消防水泵設施為主，中短隧道供電負載主要為照明設施。據(jù)初步統(tǒng)計，1公里長的隧道（單向雙車道，設計車速100km/h），其照明負載約占總負荷的28.5%左右，通風負載約占總負荷的53%左右，監(jiān)控設備負載約占總負荷的5%左右。（4）隧道消防設施中、短隧道配置手提式滅火器。沿隧道縱向每間隔約50m設置一處滅火器箱，滅火器箱采用暗裝的方式設置于行車方向右側隧道側壁上；長隧道、特長隧道消防設施的主要配置為根據(jù)隧道的交通工程分級，長度大于1000m的隧道均應設置消火栓、滅火器、輕水泡沫滅火裝置。這些設施通常放置在一個消防設備箱內。（5）隧道供配電設施隧道供配電一般設有二路外電源和一套自備電源，在外電源發(fā)生故障的情況下，自備柴油發(fā)電機組運轉發(fā)電。為使供配電靈活、提高故障情況下供配電的可靠性，系統(tǒng)采用分段母線供配電，互為聯(lián)絡。通風、照明、監(jiān)控、通信設備及事故用電各自設置單獨的回路。2、高速公路隧道供配電系統(tǒng)存在問題及發(fā)展方向2.1隧道供配電系統(tǒng)存在的問題（1）取電方式較為單一，供電質量不穩(wěn)定隧道供電電源取電有兩種方式。一種采用架設專用線路供電方案，該方案需要架設線路較長，相對投資較大，運營期間需定期維護，但電能質量較高，基本能滿足隧道日常供電需要。第二種取電采用當?shù)剞r(nóng)網(wǎng)線路或市電供電線路，當隧道附近有當?shù)毓╇姴块T已架設的農(nóng)網(wǎng)供電線路時，都直接采用農(nóng)網(wǎng)供電方案，該方案外供電線路距離短，建設成本低，取電方便，但由于農(nóng)網(wǎng)負荷具有不同程度的時間性、季節(jié)性變化，從而造成電壓起伏較大，甚至頻繁斷電等情況發(fā)生，對隧道正常運營管理造成較大影響。（2）公路隧道內用電設備多，用電量大，運營費用高高速公路隧道內用電設備多，用電負荷相對較大，造成其運營期的電費開支非常大。據(jù)調查顯示，秦嶺終南山公路隧道每月風機與照明用電費用高達200萬元以上，這無疑是隧道管理部門一筆龐大的經(jīng)濟負擔。（3）公路隧道對于傳統(tǒng)電力資源依賴性大，新型能源利用率較低目前絕大多數(shù)公路隧道用電均引自已有電網(wǎng)，隧道用電量大、運營費用高。一方面對于公路運營和建設自身帶來沉重負擔，另一方面對于項目所在區(qū)域當?shù)仉娋W(wǎng)也帶來不小的壓力，特別是電力基礎設施相對薄弱的地區(qū)。隧道建設和運營用電對于新能源的開發(fā)和利用率很低，如此一來既不符合國家提出的建設“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”交通發(fā)展重大戰(zhàn)略，長遠來看，也對公路自身建設帶來很多不利影響。2.2隧道供配電系統(tǒng)的發(fā)展方向隨著隧道運營水平的提高，各種新型供配電技術的不斷創(chuàng)新發(fā)展，計算機技術的發(fā)展和新的控制理論研究成果應用，隧道供配電系統(tǒng)將沿著節(jié)能化、系統(tǒng)化、智能化、綜合化的方向發(fā)展，使隧道節(jié)能達到一個新的技術水平，并降低運營成本，從而促進高速公路良性發(fā)展。3、高速公路隧道太陽能供電系統(tǒng)應用現(xiàn)狀隨著國內高速公路建設的飛速發(fā)展，高速公路隧道的建設里程不斷增加，對于電能的需求也越來越大。特別是在部分地區(qū)由于地方電力基礎設施較為薄弱，隧道供電電源已成為公路建設及運營需亟待解決的問題，在此背景下，引入隧道太陽能光伏供電系統(tǒng)不失成為解決上述難題的有效途徑之一[1]。3.1高速公路隧道太陽能供電影響因素分析完善的太陽能光伏供電系統(tǒng)可以使得隧道在建設、運營中降低投資和運營費用，降低對傳統(tǒng)能源的過渡依賴，也符合國家“節(jié)能減排”發(fā)展要求。因此，進行高速公路隧道太陽能供電方案設計就顯得極為重要。公路隧道太陽能供電方案設計需重點考慮隧道實際用電負荷需求、隧址區(qū)地形及日照資料、系統(tǒng)電氣和機械設計方案等[2]。（1）隧址區(qū)太陽日照條件及洞口地形條件高速公路設置隧道是為了克服地形限制與高程障礙、改善線型，因此隧道所在地區(qū)一般均為山嶺區(qū)，隧道本身又是一個封閉環(huán)境，無法直接接收太陽光照，隧道口地形大多較為狹窄，地勢起伏較大，加上洞口附近山體分布及山區(qū)植被的影響，對于太陽能電池板場區(qū)設置帶來很不利的影響，從而直接影響到了隧道太陽能供電方案的規(guī)劃、設計和實施。（2）合理控制隧道用電負荷結合目前國內隧道設施配置現(xiàn)狀，一般短隧道（長度≤500米的隧道）用電設備主要為照明負載，在長或特長隧道以及部分中隧道內設有機械通風設施及監(jiān)控設施。根據(jù)太陽能光伏發(fā)電設備技術發(fā)展現(xiàn)狀，雖然目前已有GW級太陽能電站建成，但其初期投資也相應較高，對于用電負載功率過大的隧道，采用太陽能光伏供電方案會造成初期投資過大的不利情況，在“節(jié)約辦交通”這一理念下，必將影響到方案能否具體的實施。（3）提高太陽能光伏發(fā)電設備系統(tǒng)效率除光照強度外，溫度也是影響光電轉換率的重要因素，當溫度升高時，光電轉換率明顯下降。此外，光電池本身的工藝結構（如光的鏡面反射）也會影響光電轉換率，提高電池板效率的方法有對太陽能板進行冷卻、改變反射系數(shù)等。如有條件，可以進行太陽追蹤，以獲取更大的光強。隨著材料及電子技術的進步，在可預見的將來，可以在更小的面積上獲取更大功率的電力資源，太陽能光伏發(fā)電也將獲得更大的應用空間。3.2高速公路隧道太陽能供電現(xiàn)狀分析2004年交通部西部建設管理中心基于解決無供電條件和供電條件不好的公路隧道照明問題提出了《公路隧道太陽能照明系統(tǒng)研究》課題項目，在此研究基礎上建成我國首座公路隧道太陽能智能LED照明實驗工程。LED節(jié)能環(huán)保，壽命長，已成為了照明的一個趨勢。在無照明設施的隧道中，可設置LED隧道誘導系統(tǒng)，為行駛在隧道內的車輛提供主動式安全行駛誘導，LED隧道誘導燈安裝一般在隧道兩側，可有效地改善隧道路面的視覺光度效果，提高司機對隧道路面的辨別能力，從而保障車輛行駛安全。由于LED誘導系統(tǒng)負荷較小，采用太陽能光伏供電系統(tǒng)可避免常規(guī)供電施工難度大，線纜敷設困難等缺點?？偟膩碚f，雖然目前高速公路隧道太陽能光伏供電系統(tǒng)已有不少實施案例，但由于受隧址區(qū)地形、氣候、隧道用電負荷等影響，高速公路隧道對于太陽能光伏供電系統(tǒng)的應用大都以小負荷工況為主，大規(guī)模使用太陽能供電技術仍需加強各方面技術研究工作[3]。4、結語通過對隧道機電設施介紹，淺析了隧道內供電負荷分類及供電的相關要求，并對變電所位置情況進行說明，最后提出了現(xiàn)在供電系統(tǒng)存在的問題及將來供電系統(tǒng)的發(fā)展方向。對太陽能資源、太陽能光伏發(fā)電原理及光伏供電系統(tǒng)的構成進行了介紹，重點對高速公路隧道太陽能供電