高速公路隧道供配電系統(tǒng)需求及發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

高速公路隧道供配電系統(tǒng)需求及發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

摘

要：通過對高速公路隧道機(jī)電設(shè)施介紹，分析了高速公路隧道機(jī)電設(shè)施構(gòu)成和供電負(fù)荷分類，同時(shí)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(fèi)方向。同時(shí)結(jié)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(dāng)前高速公路隧道太陽能供電系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：公路隧道；供配電；太陽能：U452.2

：A

0引言隧道作為一個(gè)封閉的環(huán)境，其運(yùn)營條件與外界截然不同，有著更為苛刻的要求，通風(fēng)、照明以及消防等設(shè)計(jì)是隧道正常運(yùn)營的必要支撐條件，相關(guān)設(shè)備都需要依靠可靠、持久的供電系統(tǒng)進(jìn)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(yùn)行的基礎(chǔ)。規(guī)模不斷增加的公路隧道在提高公路線形指標(biāo)、提供便捷通道的同時(shí)，對電力能源的需求也與日俱增。與此同時(shí)，隨著近年國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，全國總發(fā)電裝機(jī)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(nèi)多條運(yùn)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(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象，對行駛在隧道內(nèi)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(jìn)行了分析，同時(shí)討論了高速公路隧道太陽能供電系統(tǒng)應(yīng)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(jī)電設(shè)施構(gòu)成高速公路隧道長度不同，其所對應(yīng)的負(fù)荷也不同。隧道長度越長，隧道設(shè)備種類增多，其對應(yīng)負(fù)荷增大。在長隧道中，通風(fēng)及安全設(shè)備負(fù)荷所占比例增大，而且對電力供應(yīng)有著更高的要求。隧道作為一個(gè)封閉的環(huán)境，其運(yùn)營條件與外界截然不同，為了使其提供舒適、快捷、安全的運(yùn)營環(huán)境，高速公路隧道均配備有完善的機(jī)電設(shè)施。根據(jù)機(jī)電設(shè)施功能應(yīng)用不同，隧道機(jī)電工程包括：隧道監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)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(jī)電設(shè)施可分為：隧道監(jiān)控設(shè)施、隧道通風(fēng)設(shè)施、隧道照明設(shè)施、隧道消防設(shè)施及隧道供配電設(shè)施。圖1隧道機(jī)電設(shè)施分類1.2高速公路隧道供電負(fù)荷分類高速公路隧道各類設(shè)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(fù)荷主要以隧道監(jiān)控設(shè)施、隧道通風(fēng)設(shè)施、隧道照明設(shè)施和隧道消防設(shè)施為主，短隧道供電負(fù)荷主要為隧道照明設(shè)施。（1）隧道監(jiān)控設(shè)施根據(jù)我國目前公路隧道機(jī)電工程設(shè)施的建設(shè)狀況和使用情況，長度在1km以下的隧道一般不設(shè)置交通監(jiān)控設(shè)施；長度在1km以上的公路隧道隨著交通量的增長，需設(shè)置監(jiān)控、水消防等設(shè)施；針對長大隧道而言，隧道內(nèi)各類信息采集、發(fā)布及控制設(shè)施的正常運(yùn)行對于整個(gè)隧道交通安全順暢運(yùn)行至關(guān)重要，因此，隧道各類監(jiān)控設(shè)施負(fù)荷即為供配電系統(tǒng)重要負(fù)荷來源之一。（2）隧道通風(fēng)設(shè)施目前國內(nèi)隧道風(fēng)機(jī)設(shè)置現(xiàn)狀，一般在長隧道、特長隧道和部分中隧道內(nèi)設(shè)有機(jī)械通風(fēng)設(shè)施。風(fēng)機(jī)種類包括射流風(fēng)機(jī)及軸流風(fēng)機(jī)，射流風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)單臺功率達(dá)上百千瓦，一般單獨(dú)設(shè)有風(fēng)機(jī)配電室為其供電；短隧道內(nèi)均采用自然通風(fēng)方式。因此各類風(fēng)機(jī)負(fù)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(fù)荷之一。（3）隧道照明設(shè)施長隧道或特長隧道內(nèi)供電負(fù)載主要以監(jiān)控設(shè)備、通風(fēng)風(fēng)機(jī)、照明燈具及消防水泵設(shè)施為主，中短隧道供電負(fù)載主要為照明設(shè)施。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，1公里長的隧道（單向雙車道，設(shè)計(jì)車速100km/h），其照明負(fù)載約占總負(fù)荷的28.5%左右，通風(fēng)負(fù)載約占總負(fù)荷的53%左右，監(jiān)控設(shè)備負(fù)載約占總負(fù)荷的5%左右。（4）隧道消防設(shè)施中、短隧道配置手提式滅火器。沿隧道縱向每間隔約50m設(shè)置一處滅火器箱，滅火器箱采用暗裝的方式設(shè)置于行車方向右側(cè)隧道側(cè)壁上；長隧道、特長隧道消防設(shè)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(yīng)設(shè)置消火栓、滅火器、輕水泡沫滅火裝置。這些設(shè)施通常放置在一個(gè)消防設(shè)備箱內(nèi)。（5）隧道供配電設(shè)施隧道供配電一般設(shè)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(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)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(luò)。通風(fēng)、照明、監(jiān)控、通信設(shè)備及事故用電各自設(shè)置單獨(dú)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(zhì)量不穩(wěn)定隧道供電電源取電有兩種方式。一種采用架設(shè)專用線路供電方案，該方案需要架設(shè)線路較長，相對投資較大，運(yùn)營期間需定期維護(hù)，但電能質(zhì)量較高，基本能滿足隧道日常供電需要。第二種取電采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)網(wǎng)線路或市電供電線路，當(dāng)隧道附近有當(dāng)?shù)毓╇姴块T已架設(shè)的農(nóng)網(wǎng)供電線路時(shí)，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(shè)成本低，取電方便，但由于農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷具有不同程度的時(shí)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(yùn)營管理造成較大影響。（2）公路隧道內(nèi)用電設(shè)備多，用電量大，運(yùn)營費(fèi)用高高速公路隧道內(nèi)用電設(shè)備多，用電負(fù)荷相對較大，造成其運(yùn)營期的電費(fèi)開支非常大。據(jù)調(diào)查顯示，秦嶺終南山公路隧道每月風(fēng)機(jī)與照明用電費(fèi)用高達(dá)200萬元以上，這無疑是隧道管理部門一筆龐大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。（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(yùn)營費(fèi)用高。一方面對于公路運(yùn)營和建設(shè)自身帶來沉重負(fù)擔(dān)，另一方面對于項(xiàng)目所在區(qū)域當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)也帶來不小的壓力，特別是電力基礎(chǔ)設(shè)施相對薄弱的地區(qū)。隧道建設(shè)和運(yùn)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(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”交通發(fā)展重大戰(zhàn)略，長遠(yuǎn)來看，也對公路自身建設(shè)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(yùn)營水平的提高，各種新型供配電技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和新的控制理論研究成果應(yīng)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(dá)到一個(gè)新的技術(shù)水平，并降低運(yùn)營成本，從而促進(jìn)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(yīng)用現(xiàn)狀隨著國內(nèi)高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展，高速公路隧道的建設(shè)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(chǔ)設(shè)施較為薄弱，隧道供電電源已成為公路建設(shè)及運(yùn)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(shè)、運(yùn)營中降低投資和運(yùn)營費(fèi)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(jìn)行高速公路隧道太陽能供電方案設(shè)計(jì)就顯得極為重要。公路隧道太陽能供電方案設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮隧道實(shí)際用電負(fù)荷需求、隧址區(qū)地形及日照資料、系統(tǒng)電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)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(shè)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(gè)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(shè)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(shè)計(jì)和實(shí)施。（2）合理控制隧道用電負(fù)荷結(jié)合目前國內(nèi)隧道設(shè)施配置現(xiàn)狀，一般短隧道（長度≤500米的隧道）用電設(shè)備主要為照明負(fù)載，在長或特長隧道以及部分中隧道內(nèi)設(shè)有機(jī)械通風(fēng)設(shè)施及監(jiān)控設(shè)施。根據(jù)太陽能光伏發(fā)電設(shè)備技術(shù)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(yīng)較高，對于用電負(fù)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(shí)施。（3）提高太陽能光伏發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)效率除光照強(qiáng)度外，溫度也是影響光電轉(zhuǎn)換率的重要因素，當(dāng)溫度升高時(shí)，光電轉(zhuǎn)換率明顯下降。此外，光電池本身的工藝結(jié)構(gòu)（如光的鏡面反射）也會影響光電轉(zhuǎn)換率，提高電池板效率的方法有對太陽能板進(jìn)行冷卻、改變反射系數(shù)等。如有條件，可以進(jìn)行太陽追蹤，以獲取更大的光強(qiáng)。隨著材料及電子技術(shù)的進(jìn)步，在可預(yù)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(yīng)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(shè)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(xiàng)目，在此研究基礎(chǔ)上建成我國首座公路隧道太陽能智能LED照明實(shí)驗(yàn)工程。LED節(jié)能環(huán)保，壽命長，已成為了照明的一個(gè)趨勢。在無照明設(shè)施的隧道中，可設(shè)置LED隧道誘導(dǎo)系統(tǒng)，為行駛在隧道內(nèi)的車輛提供主動式安全行駛誘導(dǎo)，LED隧道誘導(dǎo)燈安裝一般在隧道兩側(cè)，可有效地改善隧道路面的視覺光度效果，提高司機(jī)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(dǎo)系統(tǒng)負(fù)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(shè)困難等缺點(diǎn)。總的來說，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(shí)施案例，但由于受隧址區(qū)地形、氣候、隧道用電負(fù)荷等影響，高速公路隧道對于太陽能光伏供電系統(tǒng)的應(yīng)用大都以小負(fù)荷工況為主，大規(guī)模使用太陽能供電技術(shù)仍需加強(qiáng)各方面技術(shù)研究工作[3]。4、結(jié)語通過對隧道機(jī)電設(shè)施介紹，淺析了隧道內(nèi)供電負(fù)荷分類及供電的相關(guān)要求，并對變電所位置情況進(jìn)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(gòu)成進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)對高速公路隧道太陽能供電