第33卷，第2期
2008年4月
公路工程H ighway Engineering
Vol .33,No .2Ap r.,2008
[收稿日期]2007—06—26
[作者简介]吕 斌(1981—)，男，湖北丹江口人，助理工程师，主要从事公路电气设计与研究。
吕 斌
(中交第二公路勘察设计研究院，湖北武汉 430056)
[摘 要]特长隧道的供电系统设计需要根据负荷分布的特点考虑供电可靠性和经济性等多方面的问题。雪 峰山隧道的供电系统设计经过两次方案优化，确定了由高密封等级的柜体组成的环网供电结构结合二次自动化系统作为隧道高压系统的运行方式。 [关键词]特长隧道；供电系统；环网供电；配网自动化
[中图分类号]U 453.7 [文献标识码]B [文章编号]1002—1205(2008)02—0120—06
Power System Desi gn of the Xuefengshan Tunnel
L V B i n
(China Communicati ons Second H igh way Survey,Design and Research I nstitute,W uhan,Hubei 430056,China )
[Key words]super l ong tunnel;electric power syste m;R ing structure;secondary aut omati on sys 2
te m
1 隧道概况
雪峰山隧道位于湖南省邵阳市与怀化市交界区域的雪峰山脉，是上瑞国道主干线湖南省邵阳至怀化高速公路的控制性工程。该隧道为上下行分离的双洞双车道隧道，左线隧道长6946m ，右线隧道长6956m ，设计时速80km /h 。
隧道建筑限界以外，净空断面以内的空间，布置安装各项机电设施(见图1)。
图1 雪峰山隧道横断面
2 电力负荷分析
电力负荷分析主要包括负荷构成、负荷容量、负荷分布和负荷等级划分等方面的内容，这是确定隧道供电设计方案的基础。2.1 负荷构成
雪峰山隧道电力负荷主要包括交通监控设施、紧急呼叫设施、防灾救援设施、中央控制设施、通风及控制设施和照明及控制设施，各项设施的额定容量和负荷比重见表1。
表1 雪峰山隧道负荷构成
负荷类别额定容量/kVA
负荷比重/%
交通监控
65.090.91紧急呼叫27.30.38防灾救援20.20.28中央控制31.90.45通风及控制6505.5 6.69照明及控制476.
9
91.
29
2.2 负荷分布
根据负荷分布的特点，隧道内的电力负荷可以分为“带状分布”负荷和“点状分布”负荷两类。
①“带状分布”负荷。交通监控设施、照明设施、紧急呼叫设施、防灾救援设施都是着眼于隧道的整体通行环境，在隧道全长范围内基本均匀布设，为
第2期吕 斌：雪峰山特长隧道供电系统设计
典型“带状分布”负荷。
渣油四组分防灾救援设施中的消防水泵集中设置在两端洞
口，且容量较大，因此归入“点状分布”负荷。
②“点状分布”负荷。通风设施、中央控制设施均为集中设置。例如，中央控制设施作为隧道监测、控制的“大脑”，独立设置于隧道监控所。故通风设施、中央控制设施为典型“点状分布”负荷。
通风设施中的射流风机较为特殊，在风机布置段，可以视为“带状分布”负荷，而从隧道全长的角度及
其容量来看，又可以视为“点状分布”负荷。本文从负荷容量的角度出发，将其划入“点状分布”负荷类别。2.3 负荷等级
电力负荷根据系统对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成损失或影响的程度进行分级。
综合《供配电系统设计规范》(G B 50052—95)和《公路隧道交通工程设计规范》
(JTG/T D71—2004)对隧道电力负荷的分级，隧道内基本照明、排烟风
机、消防水泵应划为一级负荷，而应急照明、电光标志、交通监控设施、通风照明控制设施、紧急电话设
施、火灾检测报警控制设施、中央控制设施则为一级负荷中特别重要的负荷。排烟风机以外的通风机为二级负荷，其它负荷为三级负荷。
3 初步设计方案
根据上述负荷分布的特点，初步设计阶段，在隧道两端洞口处以及隧道深处的地下风机房处各设计一座10k V 变电所，共计4处，即图2中的1#变—4#变。4座变电所均采用10kV 单母线断路器分段运行的
接线方式，经隧道两端的当地电网区域变电站引入4回10k V 专线电源(如图2中的I 、II 、III 、I V )给隧道供电。
图2为初步设计阶段的隧道供电系统方案，其中“D11”表示1#变电所编号为1#的高压断路器柜,“M11”表示1#变电所的高压1#母线，其它编号类似。用实心表示开关的合闸状态，空心表示开关的分闸状态
磁卡电表。
图2 供电系统(初步设计方案)
如图2所示，正常情况下,10kV 专线电源I 回通过高压连接电缆给M11、M21输电,1#变电所的母联断路器位于分闸状态。10kV 专线电源II 、III 、I V 回和2#、3#、4#变电所的工作状态与此类似。
故障情况下，通过断路器的分闸操作切开故障线路，并投入正常线路，保证供电的不中断。待故障线路恢复以后，再由断路器的分、合闸操作恢复系统的初始运行状态。
变电所的进出线间隔均采用金属铠装型高压开关柜，防护等级为I P4X 。
4 第1次方案优化
4.1 初步设计方案评价
初步设计方案为典型的电力系统区域变电站接
线方式，既充分地利用到4回10kV 专线电源，又使
整个供电系统构成梯形网络，有效地保证了重要负荷的双电源(多电源)供电。
然而，应该注意到的是，本项目的变电所分布与电力系统区域变电站的分布有较大的差异:
①运营环境的差异。区域变电站多位于通风、散热情况较好的地点，并且有人值守。而本项目变电所
设计为无人值守式，且2#、3#变位于隧道深处，运营环境较为恶劣，车辆的尾气排放、散热空间的狭小以及隧道围岩的渗水均给洞内变电所带来了安全隐患。
②分布间距的差异。区域变电站的分布间距一般较本项目变电所的间距(4座变电所分布在不到7km 的范围内)要大得多。
1
21
公路工程33卷
③电压等级的差异。区域变电站为35kV 以上电压等级，线路继电保护的配置较为全面，例如阶段式电流保护、阶段式距离保护、差动保护、方向闭锁保护等等。而本项目变电所的电压等级较低,10k V 线路仅配置阶段式电流保护和小电流接地保护。一个圆柱形玻璃容器
这就决定了初步设计方案在设备防护和继电保护方面存在着一定程度上的缺陷。
首先，普通的高压开关柜难以满足隧道内恶劣运营环境的要求，若全部更换为防护等级较高的密封型高压断路器柜，则工程造价将大幅上升。其次，较为密集的变电所分布和较为简易的继保配置决定了
系统的逻辑切换很难实现。例如，按躲开下一级变电所出口断路器的方式整定，由于线路较短，上级变电所的断路器将无保护范围。又如，故障状态下的断路器切换将会导致系统潮流方向的改变，而主网断路器必须安装方向闭锁保护才能满足需求，这都是10kV 系统简易继电保护所不能实现的。
因此，初步设计方案由于本项目的实际工程特点，在系统的安全性和可靠性方面均存在着一定程度的隐患，亟待改进。4.2 环网供电理念
针对第4.1节所述初步设计方案的缺陷，可以
引入环网供电的概念。环网供电在电力系统城网改造中得到了广泛的应用，随着城市配电网络架构的基本成型，城市电网的可靠性和灵活性得到了很大的提高。
环网供电方式应用到本项目中，可以解决初步设计方案在设备防护和继电保护方面的问题。首先,SF6充气绝缘的高密封等级环网柜，其一次部分的防护等级可达到I P67，能够适应隧道内较为恶劣的运营环境；而环网接线的主干网结点采用负荷开关柜代替初步设计方案的断路器柜，可以有效地控制工程造价。
其次，环网接线中负荷开关以及负荷开关+熔断器组合方式取代了断路器而作为系统的主要开关点，而后者仅应用于主进线和大容量电机的保护。这使得继电保护的设计难度大为降低，简易的阶段式电流保护即可实现对系统的主干线路保护。4.3 第1次优化后的供电系统方案
第1次方案优化的主要内容包括环网供电方式的引入和中压供电的应用。后者是针对供电设计的经济性而对原有系统进行的改造，在此不作深入探讨。
第1次方案优化后的供电系统见图3。“H12”表示1#变电所编号为2#的高压环网柜，其他设备的编号规则类似，或与图2相同
。
图3 供电系统(第1次方案优化)
电网正常运行的情况下,10kV 专线电源I 回、
II 回和4个变电所的1#母线(M11、M21、M31、M41)构成隧道1#高压环网，开环点设在H22;10k V 专线电源III 回、I V 回和4个变电所的2#母线(M12、M22、M32、M42)构成隧道2#高压环网，开环点设在H38。
故障情况下，通过与故障线路相联环网开关的自动切换，切除故障线路，投入正常电源，保证重要
负荷的供电不中断。
隧道1#环网和2#环网为2个相对独立的“手拉手”环网结构，当且仅当其中一个环网的两回10k V 专线电源都失电时，系统经过母联负荷开关的合闸来实现两个环网的互联。
5 第2次方案优化
环网供电方式的引入解决了初步设计方案存在的问题，并且把原有的传统型“点对点”供电技术提
升到高度自动化的“网络”供电技术。
2
21
第2期吕 斌：雪峰山特长隧道供电系统设计
然而，通过对图3的深入分析，可以发现以下2个方面的问题:
①系统逻辑关系的复杂性问题。4座变电所均有4回10kV 电源保障，虽然极大地提高了变电所的供电可靠性，却也为4回电源在各种工况下的准确自动切换提出了难题。过于复杂的逻辑关系反而不利于系统的可靠运行。
②母联负荷开关的闲置问题。由第4.3节的分析可知，当且仅当某个环网的两回10k V 专线电源都失电时，母联负荷开关才会进行分、合闸操作。母联开关的闲置率很高，这不利于设备的正常运行。而且，母联的分、合闸操作同样存在着逻辑关系很复杂的问题。
③供电经济性的问题。如图3所示，若10k V 电源I 回发生故障，则根据系统结构,M11由最远端的M41供电，而不是由最近的M12供电，这就造成
了电能的长距离传输，增加了系统的功耗。因此，必须对第1次优化后的方案再次进行优化，以解决上述问题。5.1 第2次方案优化
第2次方案优化的思路在于解决系统的逻辑复杂性问题、母联闲置问题和供电的经济性问题。因此，可以从以下3个方面对系统进行改进:
①2#、3#变电所作为系统环网结构的中间环节，可以将4回10k V 电源减少至2回。这样，既避免了洞内变电所(高度自动化)逻辑切换的复杂性，又满足规范对于重要负荷的电源要求。
②将母联负荷开关设计为环网结构的主要节点，提高利用率。
③任一回10kV 电源故障引起的母线失电均由最近的一段母线通过相联开关的分、合闸补充。
第2次方案优化后的供电系统见图4
。
图4 供电系统(第2次方案优化)
5.2 系统的运行电网正常运行的情况下,10kV 专线电源I 回、
II 回和4个变电所的1#母线(M11、M21、M31、M41)构成隧道1#高压环网，开环点设在H27;10k V 专线电源III 回、I V 回和4个变电所的2#母线(M12、M22、M32、M42)构成隧道2#高压环网，开环点设在H31。
故障情况下，通过与故障线路相联环网开关的自动切换，切除故障线路，投入正常电源，保证重要负荷的供电不中断。5.3 系统故障处理
从逻辑复杂性的角度分析，系统的故障可以分为单纯式故障(10k V 专线电源失电或环网线路短路)和组合式故障两类。5.3.1 单纯式故障
10kV 专线电源的单纯式故障会造成母线失
电，进而影响与之相联的负荷供电。故障处理程序
见表2。表中“0”表示开关处于分闸状态或线路处于故障状态,“1”表示开关处于合闸状态或线路处于正常运行状态。
表2 系统故障处理程序(电源故障)
处理程序
故 障
I =0
II =0III =0I V =01st
I =0II =0III =0I V =02nd D11=0D18=0D42=0D47=03rd H15=1
H15=1H45=1H45=14th I =1II =1III =1I V =15th H15=0H15=0H45=0H45=06th
D11=1
D18=1D42=1
D47=1
Recover
环网线路的单纯式故障会造成进线断路器的跳
闸，进而影响与之相联的负荷供电。故障处理程序
3
21
公路工程33卷
见表3。
5.3.2 组合式故障
组合式故障由不同时序发生的10k V专线电源的单纯式故障和环网线路的单纯式故障组成，可视为一排列。为便于分析，取一次继发性故障，而不考虑多次继发性故障。因此，组合式故障的种类共有P28=56种，抽取典型的4种组合式故障分析(见表
4)。
5.4 方案评价
第2次方案优化后的供电系统解决了逻辑切换复杂的问题，将闲置的母联开关作为环网节点利用,
表3 系统故障处理程序(线路故障)
处理程序
故 障
L12=0L13=0L24=0L34=0 1st L12=0L13=0L24=0L34=0 2nd D11=0D18=0D42=0D47=0 3rd H12=0H17=0H41=0H48=0 4th H21=0D18=1D42=1H36=0 5th D11=1L13=1L24=1D47=1 6th H27=1H17=1H41=1H31=1 7th L12=1L34=1 8th H27=0H31=0 9th H21=1H36=1 10th H12=1H48=1
Recover
表4 系统故障处理程序(组合式故障)
处理程序
故 障
I=0、II=0L12=0、L13=0I=0、L12=0I=0、L24=0
1st I=0L12=0I=0I=0
2nd D11=0D11=0D11=0D11=0蚝排
3rd H15=1H12=0H15=1H15=1
4th II=0H21=0L12=0L24=0
5th D18=0D11=1D11=0D42=0
6th H15=0L13=0H12=0H41=0
7th H27=1D18=0H21=0D42=1
8th H31=1H17=0H27=1I=1L24=1 9th I=1II=1D18=1D11=1H15=0H41=1 10th H31=0H31=0L12=1L13=1I=1L12=1D11=1I=1 11th H27=0H27=0H21=1H17=1H15=0H27=0L24=1H15=0 12th H15=1H15=1H12=1L12=1D11=1H21=1H41=1D11=1 13th D11=1D18=1L13=1H21=1L12=1H12=1
14th II=1I=1H17=1H12=1H27=0I=1
涤纶单丝
15th H15=0H15=0H21=1H15=0
16th D18=1D11=1H12=1D11=1
Recover
并通过高度自动化的分、合闸操作体系来实现各种工况下的系统状态切换，满足供电系统设计的安全性、可靠性、经济性和灵活性的原则，经雪峰山隧道技术专家组的两次论证会议后审查通过，作为施工图设计文件出版施行。
6 配网自动化系统
雪峰山隧道的配网自动化系统结合第二次方案优化后的供电系统，实现正常运行状态下的数据通信、数据处理和保护管理以及故障状态下的故障判别、故障隔离、网络重构和故障仿真等功能。
配网自动化系统通过一次系统的系列传感器和二次系统的微机监控软、硬件对隧道供电系统的运行状态进行有效的监控，并保证了各种工况下环网结构逻辑切换的准确性。
7 结论
经过两次方案优化后的雪峰山隧道供电系统具有以下特点:
农机自动驾驶
①系统设备为高密封型金属环网柜，一次部分的防护等级达I P67，能够适应隧道内恶劣运营环境的要求。
②10k V部分配备高度自动化的I D S系统，结合低压部分的SCADA系统，可以实现对主要电气设备的全面监控和保护，提高了供电系统的可靠性。
③根据隧道负荷分布的特点，点状分布负荷集中式供电、带状分布负荷分散式供电，初步解决了特长隧道运营耗能严重的问题。
④供电设备模块化设计，能够方便地进行扩展和增容，提高了系统的灵活性，为远期电力负荷的发展预留了空间。
⑤将电力系统城网改造中的环网供电理念引入特长隧道的供电设计，解决了传统放射式(树干式)电气接线的一些问题。
[参考文献]
421
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议