中压电能传输技术在特长隧道中的应用

摘要：通过对中压电能传输技术进行详细分析，本文以秦岭隧道为例进行方案设计，改变传统的供配电方式，采用中压电能传输技术，通过合理划分供电区域，并将供电网络相互连接起来，提高系统的供电可靠性。中压电能传输是长距离、分散性负荷条件下供电的有效方式，其技术先进，安全可靠，运营成本低，在隧道供配电工程中具有较好的应用前景。
　　
关键词：公路隧道 中压电能传输 节能
　　
　　引言
　　
　　由于高速公路隧道的自身特点，使其对供电的要求有别于一般的工业和民用供配电系统，其用电设备多，且呈线性分布，电压质量要求高，同时随着多个长隧道的相对集中控制，其用电负荷以及供配电设备的数量增加较大。采用何种供配电方式以及如何对其相对集中控制和节约电能的研究具有一定的意义。国外对于隧道及其所处的高速公路等长距离、分散性负荷已经逐渐开始采用中压电能传输技术，依靠配电设备及继电保护进行配电网络运行自动化的方法，这样结合隧道的特点可以更好的为其提供一个良好的运营环境[1]。
　　
　　对于隧道这种比较特殊的负荷，将其作为一个配电整体进行考虑，统一为其进行电能传输及分配，在整个负荷区域内采用中压电能传输技术，在负荷相对集中点采用小容量、能耗较低的埋地式变压器代替能耗较大的低压供配电方式。为隧道供配电工程提供一种节省能源，节省投资，便于运营管理的供电方案将是一个发展趋势。
　　
　　1隧道供配电系统
　　
　　1.1公路隧道供配电系统概述
　　
　　公路隧道内设置有通风、照明、监控、消防报警等设施，要求供电系统无故障运行以保证隧道运营的高度安全。公路隧道供电一般要求有外电源和一套自备电源，在外电源发生故障的情况下，自备电源能够接替主电源的供电功能。
　　
　　1.2公路隧道供配电系统要求
　　
　　隧道供配电系统应满足以下要求：
　　
　　（1） 安全性，是指电能在隧道各系统的供应、分配和使用过程中，不应发生任何人身伤亡事故、设备损坏事故和由电能引起的其它事故。
　　
　　（2） 可靠性，是指电能的供应与分配满足隧道各机电系统对不中断供电的要求。隧道供配电系统一般按一级负荷配置，对重要系统采取不停电的供电措施，如采用自备发电机组或UPS等。
　　
　　（3） 优质性，是指应满足机电系统设备对供电电压、频率、波形、电流等参数的质量要求，其电压偏差应在±5％以内。
　　
　　（4） 经济性，是指在满足隧道负荷用电要求的前提下，系统的建设成本和运行费用低，利用效率高，尽可能地节约电能和减少用于输送电能的传输线路中有色金属的消耗量。
　　
　　1.3公路隧道的电力负荷
　　
　　根据《公路隧道设计规范》中的规定及要求，隧道通风、照明、监控、消防等重要电力负荷为一级负荷，应由两路电源供电，同时还应设置独立的备用电源和应急电源，隧道内主要电力负荷有：（1）通风系统（2）照明系统（3）监控系统（4）消防系统（5）生活用电
　　
　　1.4公路隧道供配电系统构成
　　
　　公路隧道供配电系统一般由变电站、供电系统、低压配电线路、不间断电源系统（UPS）、防雷和接地系统、无功补偿装置组成。
　　2中压电能传输技术
　　
　　2.1各种配电网络损耗分析
　　
　　长期以来，对于配电网降损采取的常用措施有：采用节能型变压器，提高负荷功率因数，增大导线截面等。通过比较，发现尽管采取以上措施短期内对降低配电网损耗、提高电压质量有一定好处，但在现有配电模式下满足负荷发展的能力差。其原因在于现有配电模式中配电变压器供电范围过大，低压线路供电半径过长。采取变压器小容量、多布点、缩短低压线供电距离的供电模式比采取上述降损措施更具优越性，且能较好的满足负荷发展的需求。
　　
　　现以如图2.1所示的简单典型配电网络，变压器、线路参数为例进行降损措施计算比较，计算结果如表2.1所示。
　　
　　图2.1简单典型配电网络
　　
　　变压器小容量，多布点配电模式。如图2.2，将原来的400kVA变压器更换成2台200kVA变压器分别置于LJ-95线路段首端，即延长10kV线路，靠近负荷点；将图2.1网络中的LJ-120导线增大到LJ-150。
　　
　　图2.2采用新的配电模式后的网络
　　
　　两种配电方式各项指标对比见表2.1。
　　
　　表2.1负荷200kV时不同措施各指标对比
　　

　　从理论上来讲前三种措施都只是对原有网络做局部的调整，效果都不及采用新的配电模式后明显。采用新的配电模式后大大降低了整个网络的损耗，而且对提高负荷节点电压有显著效果。
　　
　　通过对常规降损措施和采用变压器“小容量，多布点”的配电模式进行比较[2]，发现采用变压器“小容量，多布点”的配电模式不仅电能损耗、电压损耗较常规降损措施低，再在此基础上采用其他降损措施才能收到很好的效果。
　　2.2中压电能传输
　　
　　2.2.1低压供电模式
　　
　　高速公路隧道放射式低压供电是一种传统的供电模式，即在隧道洞口设置变电站，然后分出若干0.4kV回路到隧道内。在隧道较长的情况下，电能的传输距离相对较远，由于电流大，故电压降和电能损耗都较大。为了减少线损，电缆截面不得不选择较大，影响了其经济性。同时由于受输电半径和容量的限制，采用放射型供电，这样电缆数量较多布线困难。由于低压供电距离有限，一般是采用每个隧道设置变电站，或在较长隧道两端和隧道内横洞设置变电所，人员成本及电费成本增加较大。
　　
　　2.2.2中压供电模式
　　
　　（1）中压电能传输系统原理
　　
　　所谓中压电能传输系统，就是将全工程范围内的所有低压负荷按路段（或负荷类型）划分为若干个负荷区域，把传统的设置在隧道洞口的大容量变压器分成若干小容量的变压器，采用配电网电压10kV或者将35kV（20kV）配变为10kV，将电能输送到隧道内部，在负荷点处设置与负荷相匹配的10kV/0.4kV埋地式变压器，将电源电压转换为用电设备所需低压，分别对隧道通风、照明、监控等负荷供电。其组成原理如图2.3，该方式具有技术先进、性能稳定的特点。
　　
　　图2.3中压供配电系统原理图
　　
　　（2）集中供电的具体方式
　　
　　长隧道或连续的多个隧道采用集中供电方式，其主要是指隧道及沿线其他设施都由相对独立的供配电系统提供电源，具体做法是将长隧道或多个隧道分成几个大的供电区域，把分散用电点集中到35kV变电站或10kV开关站与附近的高压供电干线网连接。集中供电的主要优点：供电质量稳定，克服了农村电网不稳定、电能质量低的缺点；有利于与供电部门协调，减少停电和供配电故障的次数；以大宗工业用电的低电价交纳电费，降低营运管理成本，提高经济效益。
　　
　　（3）集中供电与中压供电技术相结合的供电方式
　　
　　由于传统分散式供电方式存在的缺陷难以满足长隧道用电要求，于是出现了集中供电与中压电能传输相结合的供配电方式，中压电能传输技术是当前国际比较流行的供电方式，取代传统的供电方式是一种趋势。
　　
　　中压供电技术是针对长距离、分散性负荷供电特点的一种新的设计理念，是一种能将配电终端深入到负荷中心的长距离电能传输系统。采用相对集中供电的方式，在中心变电站引入稳定可靠的外部电源，在隧道沿线铺设中压电缆(10kV、20kV、35kV)送至各负荷点，隧道中的埋地式变压器根据供电区域分散安装在隧道侧壁的预留配电洞室内，建立起相对独立的专用中压内部供电网络。
　　2.3中压电能传输系统构成
　　
　　整个道路工程范围内的所有用电设备的供电电源由一个中压电源系统提供，中压传输线路贯穿于整个道路工程。根据工程规模，只设一至二个中压配电中心，作为供电电源点，沿线配以若干埋地式变压器作为变配电设备，从而构成中压供配电站、中压电能传输线路、埋地式变压器的中压传输系统，为工程范围内的所有用电设备的供电。
　　
　　2.3.1埋地式变压器
　　
　　埋地式变压器电气一次接线简单，安装方便，减少了维护工作量，采用低损耗变压器，可以减少电能损耗。埋地式变压器建设周期短，投资相对较少，有较好的经济效益和社会效益，尤其适用于长距离，大范围的供电工程[3]，其与传统配电室和箱变的比较如表2.2所示。
　　
　　表2.2埋地式变压器、常规配电室和箱式变电站的比较
　　 　　
　　中压输变电系统中的中压电缆参照欧洲设计标准，国内生产后经国外设备供应商认可后使用。根据标准该种电缆导体部分长期允许最高温度为70℃，使用频率为50Hz，最大外径≤44.5mm，直埋允许最大载流量为120A，相线中性线短路电流为800A/s，20℃时最大铜阻为0.811Ω。
　　
　　由于中压输入的埋地式变压器、分路器均是采用三相电缆终端的三相插入式插头连接，而插头额定载流量是80A，电力电缆最大允许外径为58mm。因此，电缆线径的选择也就决定了在应用中压输电技术时，每座开关站所能承担的最大供电距离。采用10kV作为中压输电电压，输送负荷在400～800kVA之间，每30km～40km设为一个供电负荷区域。
　　
　　2.3.3中压保护柜
　　
　　对于中压系统中的中压保护柜，其系统原理图如图2.4所示，主要技术性能为：
　　
　　（1）可频繁操作达30万次以上，电气寿命长；
　　
　　（2）配电网络上下级保护具有选择性；
　　
　　（3）配电网络的过电流保护灵敏度高；
　　
　　（4）具有接地故障保护功能，防误操作锁，保护设备和人身安全；
　　
　　（5）具有智能化接口，可实现遥控、遥测、遥信。
　　
　　图2.4中压保护柜系统原理图
　　
　　2.3.4中压配电系统的保护与接地
　　
　　中压配电系统具有较完善的保护措施，具体如下所示：
　　
　　（1）采用负荷开关加熔断器环网柜，是把控制和保护两个功能分开，既发挥了设备的能力，又达到了经济、合理的目的。
　　
　　（2）设计断电保护、过电流保护与接地故障保护。接地故障保护主要是为了防止电网发生接地故障引起火灾或人身安全事故。
　　
　　（3）配电系统的过载保护由设在变压器绕组内部的热敏元件实现，保护可靠有效。埋地式变压器一次侧熔断器熔体电流取变压器IN的2～16倍，视具体尖峰电流情况而定。
　　
　　（4）对于连续长隧道及其配套系列工程供电要求更高，因而，在中压输电系统中为了系统的可靠性和安全性，系统设置以下各级保护共有7级保护。
　　 　　2.4中压网络接线方式
　　
　　2.4.1电缆单环网
　　
　　电缆单环网是通过末端线路之间的直接连接，实现环网接线，如图2.5所示。电缆单环网接线简单、运行灵活，有利于配电网络扩展和配网自动化建设。适用于供电可靠性要求高、负荷密度较低的配电网络。
　　
　　2.4.2电缆双环网
　　
　　电缆双环网是电缆单环网的组合，利用二回电缆线路，通过同一开闭所的不同母线，形成“手拉手”供电网络，实行双环网接线，如图2.6所示。电缆双环网具有接线完善、运行灵活、供电可靠性高、但投资比单环网增加一倍，一般适用双电源供电的重要用户或供电可靠性要求较高的配电网络。
　　
　　图2.5电缆单环网

　　2.3.2中压电缆选择

     

       图2.6电缆双环网
　　
　　2.4.3双电源双T形接线
　　
　　双电源双T形接线方式10kV系统运行灵活，操作简单，如图2.7所示。10kV系统因是两个电源，有备用线路，能够保证不间断供电。但变压器及低压系统无备用电源，不能保障供电的可靠性。此种接线方式尽量地减少了电缆的使用量，减少了投资。
　　
　　2.4.4双电源双T形两变压器接线
　　
　　双电源双T形两变压器接线方式，这种接线方式既有T形接线的优点，节省电力电缆的用量，运行方式灵活，又可使变压器和低压配电系统有备用，是一种高可靠性的接线方式如图2.8所示[4]。
　　
　　图2.7双电源双T接

      

       图2.8双电源双T形两变压器接线
　　 3中压电能传输技术在工程实例中的应用
　　
　　3.1秦岭特长隧道原供配电系统概况
　　
　　以秦岭特长隧道为例进行分析，秦岭特长隧道包括Ⅰ号，Ⅱ号，Ⅲ号特长隧道，是西汉高速公路的关键工程。
　　
　　为了保证秦岭隧道的供电，秦岭隧道架设两路110kV独立电源供电，秦岭隧道负荷为一级负荷，在Ⅰ号和Ⅱ号隧道之间的七亩坪建一个终端型变电站，总变电站负责Ⅰ号，Ⅱ号，Ⅲ号三座特长隧道及道路沿线所有设施的供电，并负责隧道管理所及生活设施的供电。总变电站共负责15座变电所的10kV供电，变压器总容量18690kVA[5]。
　　
　　由于电力变压器不宜轻载运行，电力变压器一次侧功率因数不仅与负荷的功率因数有关，而且与负荷率有关。所以电力变压器在负荷率为60%以上运行时才较经济，一般在75%～80%比较合适。隧道用电负荷主要为照明系统和通风系统，且其并不是一直满负荷运行，致使变压器经常处于轻负荷运行，即所谓的大马拉小车，同时考虑到原方案为了降低电压损失，而增大电缆截面，使得系统损耗和投资费用增大,考虑中压电能传输技术较传统低压供配电方式的优越性，因此应用中压技术进行设计。
　　
　　3.2中压供电方案设计
　　
　　新方案使用原方案的输变电系统，应用原总变电站，对秦岭Ⅰ号，Ⅱ号，Ⅲ号统一考虑，统一划分供电区域，进一步简化了中压连接电路，采用可靠稳定的环网供电结构，中压电缆在隧道全线敷设，将低压回路的供电半径控制在200m以内。结合实际工程情况，做出具体供电方案如下，其配电系统图如图3.1所示。
　　
　　（1）该方案将全线用电负荷分为两个区域，沿用原输变电系统，在Ⅰ号，Ⅱ号隧道之间的建一个终端型变电站，经110kV/10kV降压变电所降压后，引出10kV线路，10kV配电母线采用单母线分段连接，中间设联络开关，联络开关考虑手动操作，具有自动投入功能，自动投入功能也考虑在计算机监控范围内，系统保护元件采用真空断路器。
　　
　　（2）在两区域中间设环网柜，环网柜具有电动/自动操作机构，配上RTU后即可实现远动及配电自动化，使得去Ⅰ号和Ⅱ号两个方向的电源互为备用，平常运行过程中，环网柜是开环运行，作为联络开关，这样当某路电源故障时，通过智能开关设备将故障段隔开，由另一路10kV电源作为备用电源为故障电源所辖区域用电设备供电，用电设备的可靠性也较高。
　　
　　（3）取消隧道车行横洞内的变电所洞室，将大容量变压器分割为多个小容量的埋地式变压器，将埋地式变压器放置在隧道侧壁的预留配电洞室内，引出10kV电缆并与埋地式变压器连接，埋地式变压器间通过手拉手方式形成单环网供电方式，该方案中的两个区域供电是相对独立的，所外引的各自用电负荷容量仅仅考虑各本区域用电负荷及另一区域一级用电负荷的容量，而不是分别为另一个负荷区域内所有用电负荷做一对一的完全备份。
　　
　　（4）电缆线路接线方式采用电缆单环网，简化系统接线，对于相邻环网线路中任一段电缆线路或环网单元故障时，可通过短时间的分段开关切换，很快恢复环网单元供电，提高了配电网络供电可靠性。在两个供电区域中只是对一级负荷作备份，并不是对全部负荷做备份，10kV电力电缆传输容量将大大减少，电缆截面可以适当减小，节省电缆初期投资，两个供电区域有一定程度的互相备份。
　　
　　图3.1中压配电干线系统图
　　
　　3.3中压供电与传统低压比较分析
　　
　　采用中压供配电系统，并配以供配电监控管理系统后，取消整个隧道全线隧道内变电所，取消变电所内的值班人员，通过监控管理系统对电力负荷实现统一调度。对于低压供电与中压供电的比较，不管是从前期投资情况，还是后期的运营费用，中压供电技术都有其优势，对于采用中压技术后，秦岭隧道内变电所土建费用则可以节省，从变电所到配电点的部分低压电缆等也可以节省，表3.1为低压和中压供电的后期运行费用的比较。
　　
　　表3.1低压和中压供电的后期运行费用比较