張磊

（貴陽電氣控制設(shè)備有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

在高速公路特長隧道的供配電系統(tǒng)、隧道照明、通風(fēng)系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)中，首要考慮的是安全、高效、低成本等要素。設(shè)計(jì)工作較為復(fù)雜，既要保證符合國家規(guī)范要求，還要保證車輛行駛、施工的安全。為此，通過研究高速公路特長隧道供電照明通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置，從供電、照明、通風(fēng)系統(tǒng)三個(gè)角度分析，為高速公路特長隧道的施工設(shè)計(jì)指明優(yōu)化方向。

1 供電系統(tǒng)優(yōu)化配置分析

供電是高速公路建設(shè)完畢后的重要研究內(nèi)容，供電系統(tǒng)的建設(shè)需要遵循安全、經(jīng)濟(jì)等原則。為了保證高速公路的穩(wěn)定安全，要加強(qiáng)對(duì)外接電源供電、內(nèi)部供電的研究，編制科學(xué)有效的方案，才能符合配置優(yōu)化的要求。

1.1 外接電源供電

結(jié)合實(shí)際情況來看，高速公路供配電較為復(fù)雜，且目前采用的供配電方式大部分為傳統(tǒng)方案，通過建設(shè)十余座變電站來滿足公路的電能需求。在電能供應(yīng)方面，部分高速公路選擇外部電源接引的方式，將農(nóng)電電網(wǎng)作為基礎(chǔ)接入電網(wǎng)，并以柴油發(fā)電機(jī)來充當(dāng)應(yīng)急電源。雖然能夠降低經(jīng)濟(jì)成本，但是在運(yùn)營和維護(hù)方面較為困難。再加上大部分變電所長期無人監(jiān)管，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)、安全隱患極大。采用這種過于傳統(tǒng)的方案，無法滿足當(dāng)前高速公路特長隧道的電源需求，還為人力、資源帶來很大的壓力。所以需要加強(qiáng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過外接電源供電，采取集中式供電模式，可以有效替代傳統(tǒng)模式，并在安全、經(jīng)濟(jì)、性能等方面高于傳統(tǒng)模式。

在外部電源接引設(shè)計(jì)中，首先，可以結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐＼嚒⒎?wù)、收費(fèi)、隧道等不同功能區(qū)塊的需求及供電點(diǎn)分布進(jìn)行全面考察，制定綜合性方案，確定最佳供電電源坐標(biāo)；其次，將不同區(qū)塊科學(xué)劃分為數(shù)個(gè)集中供電區(qū)，通過專線接引調(diào)動(dòng)地方電網(wǎng)電能，建立不同功率的變配電所，利用中壓電能傳輸方法為不同功能區(qū)提供電能。采用這種方式，相較于傳統(tǒng)模式，具有安全性高、成本低、運(yùn)行維護(hù)簡單、電壓穩(wěn)定安全、便于管理等優(yōu)勢。

1.2 內(nèi)部供電

目前中壓電能傳輸是我國大部分高速公路特長隧道所提倡的傳輸模式，相較于傳統(tǒng)模式而言，中壓電能傳輸有成本低、耗能少、便于運(yùn)營維護(hù)等優(yōu)勢，不僅能夠降低特長隧道供電的難度，還能解決電能傳輸技術(shù)水平低的問題。

1.2.1 中壓電能傳輸系統(tǒng)

中壓電能傳輸系統(tǒng)指的是10kV 的配電網(wǎng)電壓，通過將電能傳輸至負(fù)荷點(diǎn)，利用埋地式的變壓器，把電源和電壓逐步轉(zhuǎn)換為設(shè)備需要的電壓，從而就近為設(shè)備供電。在電能配置工程中，大部分特長隧道出于經(jīng)濟(jì)等方面考慮，都會(huì)加大低壓的傳輸距離。在實(shí)際工程中，可以縮短0.4kV 的低壓傳輸距離，并將電壓上升至10kV，采用相同的電纜線，減少電流損失，并延伸電路線，縮短配電距離。同時(shí)，隧道洞口等照明區(qū)域在500m 左右設(shè)置埋地式變壓器、變電所，實(shí)現(xiàn)供電方案的優(yōu)化。

1.2.2 中壓電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成

傳輸系統(tǒng)是決定電壓、電能穩(wěn)定供應(yīng)的關(guān)鍵，中壓電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成裝置主要包含了10kV 的配電裝置、10kV 的電力輸送線路以及10kV/0.4kV 的埋地式變壓器。同時(shí)，在線路輸送容量條件充分的情況下，可以配置10kV 地式分路器、0.4kV 配電箱等，有效優(yōu)化中壓電能傳輸系統(tǒng)。

1.2.3 中壓電能傳送系統(tǒng)的設(shè)備與技術(shù)

傳輸設(shè)備及技術(shù)需要按照高速公路隧道的電能負(fù)荷情況來劃分。在傳統(tǒng)配電中，需要考量未來的備用容量，所以增加了建設(shè)的成本。但是采用中壓電能系統(tǒng)，無須過多考慮備用容量，因?yàn)橄到y(tǒng)在容量及線路方面有延伸性，通過加強(qiáng)布點(diǎn)，可以解決類似問題。

在劃分供電區(qū)塊方面，以往多是根據(jù)0.4kV、500m 左右傳輸距離劃分。采用中壓電能傳輸，可以采用10kV 電纜，為通風(fēng)機(jī)和照明分別提供電能。例如，在為射流風(fēng)機(jī)供電時(shí)，分別設(shè)置小容量的埋地式變壓器，提供專用供電電源。并在隧道的不同階段各配置1 臺(tái)埋地式變壓器，距離為500m 左右，為隧道的燈具提供電能。選擇埋地式變壓器是因?yàn)槠渚哂蟹浪?、防火、防爆炸等多種特性，相較于傳統(tǒng)的箱式、干式變壓器，可以最大化滿足超長隧道的要求。

1.2.4 中壓電能系統(tǒng)的優(yōu)勢

中壓電能系統(tǒng)主要在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面具有優(yōu)勢。應(yīng)用在高速公路特長隧道中，相較于傳統(tǒng)0.4kV 設(shè)備，絕緣效果更佳，有效降低設(shè)備故障出現(xiàn)的頻次。同時(shí)，中壓電能系統(tǒng)通過減少輸電電纜的截面，增加連接的便利性，減少對(duì)資源的消耗，并在電能質(zhì)量、安全性、靈活性等方面更有優(yōu)勢。在經(jīng)濟(jì)性方面，相較于傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)，能夠減少電纜截面、變電所數(shù)量，所以減少了很大一部分的成本、運(yùn)營、維護(hù)等方面的費(fèi)用。

同時(shí)，在運(yùn)行管理過程中，中壓電能傳輸系統(tǒng)屬于新型、環(huán)保、低能耗的工程配置方案，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)布線困難、能耗大等問題。

2 照明系統(tǒng)優(yōu)化配置分析

照明系統(tǒng)是高速公路特長隧道必不可少的內(nèi)容，相較于常規(guī)隧道照明，在設(shè)計(jì)、安全、亮度、適應(yīng)性等方面有更高的要求。結(jié)合當(dāng)前高速公路隧道的施工標(biāo)準(zhǔn)，考慮到眩光性、照明度、路面亮度的均勻性等要素，采用綠色照明設(shè)計(jì)最符合特長隧道照明系統(tǒng)的配置需求。

2.1 特長隧道照明的最佳配光

結(jié)合某高速公路特長隧道建設(shè)來看，在不同的隧道階段采用了寬光帶照明、逆光照明、普通照明三種照明方案。通過研究不同的照明方案在路面和墻面的平均亮度、失能眩光增量、平均照度得出結(jié)果，寬光帶照明是特長隧道照明的最佳配光，在亮度、功率方面都有極大的優(yōu)勢，并且采用寬光帶照明后，可以容許隧道內(nèi)使用高反射性材料裝飾，在安全、性能、經(jīng)濟(jì)、美觀等方面具有優(yōu)勢。

2.2 特長隧道內(nèi)的照明器

在高速公路特長隧道中，照明器的燈具選擇、附件選擇、光源等都是關(guān)系照明效果的關(guān)鍵。首先，所有光源的特性和性能都不同。在大部分情況下，光源是體現(xiàn)綠色照明高效節(jié)能的關(guān)鍵，要依據(jù)發(fā)光效率、顯色性、調(diào)光性等多種參數(shù)使用光源。高速公路的超長隧道大部分會(huì)選擇無極燈、熒光燈、低壓鈉燈等燈具，不同的燈具光源有不同的優(yōu)勢和劣勢。例如，低壓鈉燈雖然光效較好，但是在壽命、顯色性等方面稍差；熒光燈的壽命及光效較好，且顯色性高，經(jīng)常被應(yīng)用在高速公路、標(biāo)志燈等方面；無極燈是近年來研究出的較為新穎的燈具，有環(huán)保節(jié)能、顯色安全、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可以取代部分隧道用燈，提升隧道通行的安全性。

結(jié)合高速公路特長隧道的照明要求、標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)內(nèi)容來看，大部分工程對(duì)燈具的安全性、使用壽命、性能、節(jié)能效果等都有較高的要求。采用無極燈可以有效滿足以上要求。主要體現(xiàn)在：無極燈的燈管無絲，不會(huì)出現(xiàn)因發(fā)黑、斷絲等報(bào)廢的問題；燈管采用硬玻璃，氣密性良好，光衰率低，有超長的使用壽命；閃爍是很多燈具都無法避免的問題，但是無極燈采用了有源功率因數(shù)校正電路，光通量波動(dòng)深度較低，無閃爍，相較于熒光燈等燈具，是一種舒適、健康的光源；在節(jié)能、電壓范圍、顯色性等方面，因?yàn)椴捎昧薃PFC 電路，電壓范圍為85～277V，應(yīng)用三基色熒光粉，相較于其他光源，具有更強(qiáng)的優(yōu)勢。

選擇燈具電器附件需要充分考慮節(jié)能，其中整流器對(duì)節(jié)能效果的影響最大。隨著綠色照明施工要求的提升，電力學(xué)進(jìn)入光源領(lǐng)域后，使用電子整流器替代電感整流器已經(jīng)成為趨勢。一般情況下電源使用的額定功率在15%～20%之間。電子整流器相較于電感整流器，具有穩(wěn)定、功率小、低溫節(jié)能、噪聲低、可調(diào)光等特點(diǎn)，是推進(jìn)綠色照明優(yōu)化的關(guān)鍵。

2.3 特長隧道照明的最佳計(jì)算行車速度

行車速度是高速公路隧道照明配置優(yōu)化非常關(guān)鍵的參數(shù)，對(duì)整體照明系統(tǒng)的運(yùn)營和投資成本影響很大。國外曾經(jīng)對(duì)此做過研究，在其他參數(shù)相同的情況下，隨著高速公路的車速標(biāo)準(zhǔn)、長度提升，設(shè)備費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)提升，所需的電能量也會(huì)增加。

結(jié)合相關(guān)研究實(shí)踐來看，在通過隧道的過程中，大部分車速會(huì)下降30%左右，而這一現(xiàn)象對(duì)隧道照明的配置影響也非常大。例如，在我國某高速公路超長隧道中，全路段車速為100km/h，相應(yīng)的照明設(shè)計(jì)也會(huì)按照100km/h 進(jìn)行配置，燈具一般為400W，距離1m。全部開啟后，隧道內(nèi)的燈具亮度將會(huì)超過隧道外的露天亮度。在常規(guī)情況下，運(yùn)營單位僅開啟應(yīng)急、基本照明回路，就可以滿足車輛安全運(yùn)行的需求。因?yàn)闊艟哌^多，所以理論負(fù)載、電纜截面都會(huì)加大，而大部分燈具處于長期閑置狀態(tài)，造成了嚴(yán)重的資源和資金浪費(fèi)。

基于此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)隧道照明計(jì)算行車速度的優(yōu)化，采用最佳車速計(jì)算。在公路的主線設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)車速為100km/h，照明設(shè)計(jì)的車速計(jì)算就應(yīng)當(dāng)降低一個(gè)檔次，如采用80km/h，不能超過此檔次設(shè)計(jì)。如果主線的行車速度設(shè)計(jì)為80km/h 或60km/h，需要考慮隧道車流量、小型車速度等多種因素，所以行車速度應(yīng)當(dāng)保持當(dāng)前檔次，不應(yīng)當(dāng)降低速度檔次，并采取主線路段設(shè)計(jì)作為隧道照明的最佳車速設(shè)計(jì)。

2.4 照明控制方式

高速公路超長隧道的照明控制方式主要包含了亮度、照明要求、節(jié)能等要素。應(yīng)當(dāng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求及運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用要求，優(yōu)化照明的控制方式。

結(jié)合我國當(dāng)前隧道照明的實(shí)際情況，主要分為兩種方式：第一種是根據(jù)基本亮度需求，全程布置隧道，將回路分為基本、應(yīng)急回路兩種：第二種是根據(jù)加強(qiáng)照明需求，將附加燈具劃分為多個(gè)獨(dú)立的回路小組，并結(jié)合具體情況排列布置，從而滿足不同區(qū)段的亮度需求。在很多高速公路隧道設(shè)計(jì)中，為保證照明控制方式的優(yōu)化，采取第一種與第二種方式穿插的形式。根據(jù)隧道外亮度的變化來劃分照明的控制等級(jí)，分別接通及關(guān)閉不同回路控制隧道內(nèi)的亮度效果。并且在隧道內(nèi)的車流量減少時(shí)，大部分隧道采用交錯(cuò)間隔的方式開啟單側(cè)燈具，有效保證行車安全。

所以，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體特點(diǎn)，根據(jù)隧道內(nèi)的燈具亮度來控制，減少部分燈具的亮度，從而降低能耗，同時(shí)確保隧道內(nèi)亮度的均勻性，加強(qiáng)智能化系統(tǒng)控制。結(jié)合我國當(dāng)前高速公路特長隧道的照明控制方式來看，目前先進(jìn)的技術(shù)主要采用感光電池、電子整流器以及電位器等來配置智能化燈具系統(tǒng)。高速公路超長隧道通過應(yīng)用分布式的智能照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算為基礎(chǔ)的全智能化、數(shù)字化系統(tǒng)，通過光纖技術(shù)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化配置分析

3.1 特長隧道的火災(zāi)特征

高速公路特長隧道通風(fēng)系統(tǒng)的作用在于將隧道內(nèi)的污染物、有害氣體濃度降低到安全濃度以下，確保車輛行駛的安全性與舒適度，保持隧道的空氣質(zhì)量。在設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)的過程中，需要考慮通風(fēng)效果、土建費(fèi)用、設(shè)備投入等多種因素，并以防火防災(zāi)思想為原則。制約設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵因素在于經(jīng)濟(jì)成本，相較于普通隧道，特長隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)可占據(jù)施工成本的30%，且后期的運(yùn)行維護(hù)成本更高。為此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)科學(xué)經(jīng)濟(jì)的方案，既滿足功能需求，還要盡量減少經(jīng)濟(jì)成本的投入。

結(jié)合實(shí)際情況來看，隧道機(jī)械投入成本和隧道長度有直接關(guān)系，所以特長隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)根據(jù)隧道的具體情況，結(jié)合國家施工標(biāo)準(zhǔn)，采取實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的方案。目前我國大部分高速公路特長隧道采取的是半橫向、全橫向、分段縱向等通風(fēng)模式。不同的模式有不一樣的優(yōu)缺點(diǎn)。例如，分段縱向通風(fēng)模式，后期運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用少、土建施工少，可選方案多，但是防火防災(zāi)性能低。隨著高速公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的不斷完善，當(dāng)前我國大部分公路隧道都采用縱向通風(fēng)模式，主要包括射流風(fēng)機(jī)、豎井送風(fēng)，加強(qiáng)防火救災(zāi)設(shè)計(jì)，可以有效優(yōu)化通風(fēng)配置。

3.2 火災(zāi)事故的通風(fēng)

特長隧道的火災(zāi)事故通風(fēng)較為復(fù)雜，因?yàn)樗淼谰嚯x長、空間有限，很容易發(fā)生交通事故和車輛起火。所以，火災(zāi)事故通風(fēng)要目的明確：一方面，要求人員能夠及時(shí)逃生，避免事故現(xiàn)場氣體的擴(kuò)散；另一方面，要避免火災(zāi)煙氣進(jìn)入相鄰隧道與人行橫道。在設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)的過程中，要充分考慮不同階段的風(fēng)速、風(fēng)向。例如，在人員撤離階段，風(fēng)速要從正常通風(fēng)改為事故通風(fēng)；在消防滅火階段，要求人員撤離完畢后，及時(shí)進(jìn)行滅火，風(fēng)機(jī)吹向要與自然風(fēng)相同。合理的設(shè)計(jì)可以為撲救火災(zāi)事故創(chuàng)造最大的便利條件，從而保障人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

4 結(jié)語

綜上所述，在加快城鎮(zhèn)建設(shè)的背景下，隨著高速公路隧道建設(shè)水平逐步提升，隧道建設(shè)要求也在不斷提高。特長隧道相較于普通隧道在配置方面更加復(fù)雜，所以需要加強(qiáng)對(duì)施工方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化。從供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及通風(fēng)系統(tǒng)三個(gè)角度出發(fā)，分別探討供電系統(tǒng)的內(nèi)外部電源、供電，照明系統(tǒng)的最佳配光、照明器、照明控制方式、最佳計(jì)算行車速度，通風(fēng)系統(tǒng)的火災(zāi)特征、事故通風(fēng)等。結(jié)合實(shí)際情況，研究高速公路特長隧道供電照明通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置，希望為高速公路特長隧道的配置指明優(yōu)化方向，促進(jìn)施工建設(shè)安全、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。