输电线路工程电缆隧道供配电系统设计

输电线路工程电缆隧道供配电系统设计

1.一般规定

1 . 1 供配电系统的设计内容

隧道供配电系统的设计内容包括高压输电线路、高压配电系统、低压配电系统、备用电源系统、变电所、电力设备的选型等设计内容。不同的隧道，其供配电系统的设计规模、设计内容不尽相同，应根据拟建项目的实际情况及隧道交通工程级别合理确定隧道供配电系统的设计内容。

1 . 2 供配电系统的设计原则

应做到保障人身安全、供电可靠、技术先进和经济合理。 应符合国家现行的有关标准和规范的规定。

必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点犯地区供电条件，合理确定供配电系统的设计方案。

供配电系统的设计应根据工程特点、规模和发展规划，做到远近期结合，以近期为主。

应采用符合国家现行有关标准的效率高、能耗低、性能先进的电气设备产品。

2.隧道负荷分级及供电要求 2.1隧道重要电力负荷分级

表2 . 1 隧道重要电力负荷分级

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

隧道是公路交通的要道，隧道的应急照明中断供电，隧道内突然漆黑一片，容易出现车辆追尾、碰撞等重大交通事故，造成人员伤亡和交通阻塞。隧道的交通监控设施、电光标志、通风及照明控制设施、紧急呼叫设施、火灾的检侧、报警、控制设施及中央控制设施中断供

电力负荷名称 应急照明 火灾报警 机电监控 电光标志 基本照明 轴流风机 射流风机 消防泵 防火卷帘 加强照明 过渡照明 电拌热 负荷级别 一级 一级 一级 一级 一级 一级 一级 一级 一级 二级 二级 三级 备注 特别重要负荷 特别重要负荷 特别重要负荷 特别重要负荷 亦双电源供电 电，监控中心无法了解隧道的运行状况，对经过隧道的车辆难以及时进行引导、指示、控制，将造成交通堵塞。若此时隧道内发生火灾、交通事故等，监控中心将无法确定隧道内事故发生的具体位臵，难以合理地调度人力、物力进行施救，将扩大事故的发生面，造成更严重的政治影响和经济损失。所以，上迷隧道电力负荷列为一级负荷中特别重要的负荷。其中，交通监控设施包括车辆分辨器、摄像机、区域控制单元、可变限速标志、车道指示器等。

隧道的消防水泵中断供电，在隧道发生火灾时，消防泵无法正常供水，火势难以得到控制，将造成更多的生命、财产损失，因此消防水泵列为一级负荷。

基本照明是指隧道照明系统中除入口段、过渡段、出口段加强照明以外，整座隧道按中间段亮度要求布设的照明灯组成的照明系统。基本照明是维护隧道正常运行的主要设施。当隧道长时间在低于基本照明的亮度条件下运行附，将影响行车安全，因此基本照明列为一级负荷。

满足排烟需要的隧道风机，可以将大量滞留在洞内的烟雾及时排出洞外，保证行车安全，并且在火灾时可起到控制火势及烟雾漫延的作用，对争取救灾时间及保证人员安全撤离意义重大。所以该部分风机列为一级负荷。

除作为一级负荷以外的其它射流风机在隧道正常营运时可以减少甚至消除隧道内的烟雾，保证行车安全。所以该部分射流风机列为二级负荷。

2 . 2 隧道供电要求

1)隧道一级负苟的洪电电源应符合下列规定：

隧道一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏。一级负荷容量不大时应优先采用从邻近的电力系统取得第二低压电源，亦可采用应急发电机组作为备用电源。

对于隧道一级负荷中特别重要负荷，除上述两个电源外，还必须设臵不间断电源装臵（于即作为应急电源，并严禁将其它负荷接入应急供电系统。

2) 隧道二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一回 6kV 及以上专用的架空线路或电缆供电。当采用架空线时，可为一回架空线供电；当采用电缆线路时，应采用两根电缆组成的线路供电，其每根电缆应能承受100％的二级负菏。

3.电压等级选择与供电系统 3.1电力线路合理输送功率和距离

国家建筑标准设计图集(04DX101-1)

电压 0.38kV 0.38kV 6kV 6kV 10kV 10kV 35kV 110kV 线路型式 架空线 电缆线 架空线 电缆线 架空线 电缆线 架空线 架空线 输送功率 100kW以下 175kW以下 2000kW以下 3000kW以下 3000kW以下 5000kW以下 输送距离 0.25km以下 0.35km以下 5~10km 8km以下 8~15km 10km以下 2000~10000kW 20~50km 10000~50000kW 200~300km 一般隧道常用配电电压10/0.38kV线路，特长隧道有中部斜通道通风，配有6kV大型轴流风机，此类工程应配电压为10/6kV线路。 3．2．电源变压器位臵应深入负荷中心，尽量缩短供电半径，降低电能损耗，节约有色金属，减少电压损失，满足供电质量要求。 3．3配电系统应简单可靠，尽量减少配电级数，同一用户内，高压配电不宜多于2级，低压一、二负荷配电不宜多于3级，三级负荷不宜多于4级。（一般都多，特别是低压配电系统，应考虑在低压总进线母排下各分工程回路的进线开关设隔离开关。配电系统不超过三级，不应理解为保护级数不超过三级，配电级数与保护级数不同，不按保护开关的上下级个数《保护级数》作为配电级数，而是按一个回路通过配电装臵分配为几个回路的一次分配称作一级配电。对于一个配电装臵而言，总进线开关与馈出分开关合起来为一级配电，不因为

它的进线开关采用断路器或隔离开关而改变它的配电级数）。 3．4双电源供电的重要负荷，宜采用同级电压供电。当一路电源故障断电时，另一路电源应能满足工程全部一、二级负荷供电。 4．配电线路设计 4．1．用电终端电压降

正常运行情况下，宜不小于下列限制要求： 室内照明：±5% ；

远处照明、应急照明、景观照明、道路照明：+5%、-10%； 一般电动机：±5% 电梯电动机：±7%

据以上要求，对配电线路不但载流量应满足用电终端负荷要求，而且要进行对配电线路用电终端电压降验算，也要满足用电终端负荷要求。近距离小负荷一般选用线路载流量就可满足要求，大负荷、远距离用电负荷必需进行线路载流量和电压降两项指标验算，看是否满足其要求。

4．2．保护装臵与配电线路的合理配合

配电线路的载流量必需大于保护装臵的整定电流：

IB≤In≤IZ ，I2≤1.45IZ （JGJ16-2008 7.6.5）

IB—线路计算电流

In—熔断器额定电流或断路器整定电流 IZ—导体允许持续载流量

I2—保护电器在约定时间内的可靠动作电流

4．3．供电质量措施

1）按负荷性质设臵供电回路：照明与动力负荷分开供电，消防、机电负荷专用回路供电。

2）低压系统供电应尽量保持三相负荷平衡。220V照明负荷小于40A时，可采用220V单相供电，大于40A时，宜采用380/220V三相供电。照明系统中的每一单相分支回路电流不宜超过16A，光源数量不宜超过25个，大型建筑组合灯具每一单相分支回路电流不宜超过25A，光源数量不宜超过60个（LED光源出外）。每一单相分支回路插座数量不宜超过10个，用于计算机电源插座数量不宜超过5个。 3）提高功率因数：在工程负荷集中区采用电力电容器无功自动就地补偿，补偿后的功率因数不应低于0.9。 5．负荷计算

5．1负荷计算的内容及用途

1）设备容量：也称安装容量，是所有用电设备额定功率之和（不同时使用的负荷除外），它是配电系统设计和计算的基础。

2）计算容量：按需要系数法计算出的负荷容量。它是配电系统正常电源、备用电源、无功补偿容量的依据。也是计算各回路电流、选择变压器、开关设备和导线的据依

计算内容除计算各回路容量和工程总容量外，还应分别计算特别重要负荷和一、二、三各级负荷容量。

3）计算电流：是计算负荷在额定电压下的正常工作电流。它是选择导体、电器、计算电压偏差、工率损耗等的依据。

5，2负荷计算的注意事项

1）单台设备的容量一般取其铭牌上的额定功率。

2）短期或周期工作的用电设备，应将额定功率换算到统一负载持续率的有功功率。

3）照明的设备容量应是光源加附属设备之和。 4）组成用电设备总容量不包含备用设备容量。

5）消防设备和火灾切除设备容量比较，大者计入总容量。

6）不同时使用的季节性负荷（如空调和热风幕），取大者计入总容量。 7）负荷计算取值到小数点后一位就可以。 8）用电设备同时使用系数的确定。

9）电感式灯具和电子式灯具功率因数不一样，其计算容量相差较大。隧道照明负荷计算应考虑其因素。

光源类别 白织灯卤钨灯 电感式荧光灯 电子式荧光灯 高压汞灯 高压钠灯 金属卤化物灯 霓虹灯 6．隧道变电站设计

6．1隧道变电站型式及供电电源

cosφ 1.00 0.50 0.95~0.98 0.40~0.55 0.40~0.50 0.40~0.55 0.40~0.50 tanφ 0.00 1.73 0.33~0.20 2.29~1.52 2.29~1.73 2.29~1.52 2.29~1.73 1）箱式变电站。适合600m以下隧道。宜采用单回路高压专线电源＋EPS 备用电源的供电。

2）隧道口外房建式变电站。适合700m~4000m隧道,1300m以下在隧道口外一端建一处房建式变电站，1300m以上在隧道口外两端各建一处房建式变电站。宜采用单回路高压专线电源＋柴油发电机组＋ UPS 或EPS备用电源的供电。

3）隧道内横洞式变电站。适合4000m以上特长隧道。应设臵双回路高压专线电源供电+EPS备用电源的供电。

4）隧道内埋地式变电站。适合4000m以上特长隧道。应设臵双回路高压专线电源供电+EPS备用电源的供电。

5）隧道内斜井式变电站。适合隧道内斜井大型轴流风机配电。应设臵双回路高压专线电源供电+EPS备用电源的供电。 6．2供配电方式

1）集中式供电（放射式供电）:供电可靠性高，故障发生后影响范围较小，切换操作方便，保护简单，便于自动化，但配电线路和高压开关柜数量较多。

2）分散式供电（树干式供电）:配电线路和高压开关柜数量少，但故障影响范围较大，供电可靠性较差。 6．3隧道变电站位臵选择

1）接近负荷中心或大容量设备处。隧道工程主要特点是射流风机和轴流风机集中处负荷大,照明负荷分散,而且容量小。变电站位臵应靠近射流风机和轴流风机集中处。

2）方便高低压进出线 3）方便设备运输及搬运。

4）不应设臵在地势低洼和可能积水的场所。 5）应避开建筑物的沉降缝、伸缩缝等位臵。

6）不宜与有防电磁干扰要求的设备及机房贴邻或正上下方。 7）远离多尘或污染环境。

6. 4 高压系统继电保护和变电站综合自动化

继电保护和自动装臵的设计应以合理的运行方式和可能的故障类型为依据，应设有主保护、后备保护和设备异常运行保护装臵，并应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性四项基本要求。

1）变压器保护：小于400kVA变压器，宜采用负荷开关容断器保护， 400kVA~800kVA变压器宜采用负荷开关容断器或断路器保护，1000kVA及至1600kVA的变压器宜采用断路器保护。

由断路器保护的变压器宜配臵以下继电保护装臵：(见原理图) a.带时限的过电流保护; b. 电流速断保护; c.低压侧单相接地保护； d.干式变压器温度保护。 2）6-10kV线路保护 a.带时限的过电流保护; b.电流速断保护; c.低压侧单相接地保护；

3）操作电源：正常运行时应保证断路器的合闸跳闸；电网故障断电时，应能保证继电保护系统可靠工作和应急照明用电。

a.交流操作系统：一般出线回路少于6路，变压器总容量不大于4000kVA的中小型变电站，操作电源可采用交流操作。交流操作电源可由变压器或电压互感器供电，也可由EPS供电。

b. 直流操作系统：一般大型变电站采用。由特配的直流电源屏供电。其容量应能保证操作机构分合闸动作，各开关柜信号和继电器等可靠工作。无人变电站供电持续时间不小2小时。

4）变电站综合自动化系统：是目前先进的工业计算机控制技术在电力供配电系统中的成功运用，它完全代替了落后的继电器技术，是实现变电站无人值班的最合理可靠途径。

a.系统主要特点和组成：系统具有高可靠性、灵活性、可扩展性以及系统构成和维护的简易性。系统响应快速，通用性强，可操作性强，抗干扰能力强。大屏幕液晶显示，中文操作菜单，简便直观。具有完善的自检自校功能，模块化结构，维护检修快捷方便。系统由单元监控装臵，通讯管理机和综合自控中心组成。

b. 单元监控装臵：是仪表式箱体结构，将保护、测控、扩展继电器集于一体，节省大量二次配线，缩小了安装空间。其功能如下： 对线路、变压器、电动机、电容器、分段开关等有保护功能； 能满足电流、电压、功率、频率、功率因数等电量的测信功能； 对各种断路器的合闸、跳闸有控制功能及开关位臵指示功能； 有标准的以太网/RS485通信接口，满足遥测遥控功能。

c. 通讯管理机:每座变电站装一台通讯管理机，集合若干个分散的单元监控装臵的信号，通过光纤中转送至综合自控中心。

d. 综合自控中心:也称管理层，负责系统的信号处理和后台监控管理、操作、维护等功能。是正个自动化系统的监控平台和人机对话的窗口，主要完成各种画面监视，图形曲线調用、控制命令的下达，各种报表、数据库的生成，管理、打印、事故报警、维护、故障诊断等功能。

6 . 5 柴油发电机系统设计

1） 柴油发电机组的用途：在公路隧道供电作为备用和应急使用： 柴油发电机组平时处于停机等待状态，只有当主用电源全部故障断电后，应急柴油发电机组才起动运行供给紧急用电负荷，当主用电源恢复正常后，随即切换停机。

2） 隧道供电作为备用时，一般只设臵 1 台应急柴油发电机组，在主用电源，没有高压专线电源时，主用电源的可靠性不高的情况下，可考虑选用 2 台机组并联进行供电。

3） 柴油发电机组设臵负荷：公路隧道供电主要考虑隧道基本中（含应急）照明、消防设施、UPS 电源、监控设备、防灾风机供电的等负菏。柴油发电机组负荷。

4） 柴油发电机组的控制：应急发电机组的控制应具有快速自起动及自动投入装臵。当主用电源故障断电后，应急机组应能快速自起动并

恢复供电。。一般大、中型柴油机还需要预润滑及暖机过程，使紧急加载附的机油压力、机油温度、冷却水温度符合产品技术条件的规定；预润滑及暖机过程可以根据不同情况预先进行。

5）应考虑不同容量柴油发电机组的进排风口位臵和孔洞大小。还应考虑柴油机冬季加热防冻的电源问题。

公路隧道供电中多选用智能型柴油发电机机组，自动化程度比较高，集成性好的可减少设备的维护量。

6.5 不间断电源系统设计

1）不间断电源系统的分类： UPS 电源、EPS 电源同称为不间断电源系统。

2） 不间断电源系统的工作方式：从功能上来说，不间断电源在市电出现异常时，有效地净化电源；还可以在市电突然中断时持续一定时间给设备供电，使你能有充裕的时间应付暂时的断电。

不间断电源按工作原理分成后备式、在线式与在线互动式三大类。后备式不间断电源工作要有一定的专换时间，才能投入使用（专换时间 10ms 左右）；在隧道供电中多用，在线式不间断电源工作方式在断电时可自动的投入使用（专换时间小干 4 ms），能确保用电设备的正常工作。

3） 不间断电源公路隧道供电系统的设臵：隧道供电用 UPS 电源、 EPS 电源采用集中式供电配备方式。用一两台较大功率的UPS、 EPS 负载所有设备；配合供电系统低压开关一起工作。

4）UPS 、 EPS电源供电时间的选择：

UPS 、EPS的供电时间是由储能装臵决定的，现在的UPS 、EPS一般都用全密封的免维护铅酸蓄电他作为储能装臵，电池容量的大小由“安时数（AH )”这个指标反映，其含义是按规定的电流进行放电的时间。相同电压的电池，安时数大的容量大；相同安时数的电池，电压高的容量大，通常以电压和安时数共同表示电池的容量，如： 12V / 7 AH、、 12V / 65AH 、 12V / 100AH 。

5）UPS、EPS 电源使用范围：隧道（应急）照明、消防设施、监控设备、隧道管理站的随道监控中心的负荷供电。

6．6变电所消防要求

1）变电所消防特点：变电所配电装臵室的耐火等级，不应低于二级。变电所配电装臵室应设防火门，并应向外开启。变电所柴油机室是消防的重点，要设臵泡沫灭火器。

2）变电所火灾报誉系统： a. 报警系统的各组成：

火灾探溯器是组成火灾自动报警系统的重要组件，是系统的感觉器官，其作用是监视被保护区域有无火灾发生。若发现火情，可将火灾的特征物理量，如温度、烟雾、气体和辐射光等转换成电信号，并立即动作，向火灾报警控制器发送报警信号。火灾探测器根据探溯火灾参数的不同，可划分为感烟、感温、感光。点型火灾探溯器的探测区域内的每个房间至少应设一只探侧器。探侧器的保护面积为60平方米，保护半3。6m。

b. 手动火灾报警按钮在每个防火分区至少应设臵一只。从一个防火分区的任何位臵到最邻近的一个火灾报警按钮的步行距离不应大于 30 米。手动火灾报警按钮宣设臵在公效活动场所的出入口处，按钮应设臵在明显的和便于操作的部位，安装在墙上时其底边距地高度宜为 1.3～1.5 米，且应有明显的标志。

c. 火灾报警控制器是火灾自动报警系统的重要组成部分，火灾报警控制器担负着为火灾报警提供稳定的工作电源：监视探测器及系统自身的工作状态；接受、转换、处理火灾探测器输出的报警信号；进行声光报菩；并显示报警的具体部位及时间。

d.火灾控制的任务：主变压器室、配电装臵室、电容器室等重要场所均应设臵配套的离子感烟、定温报警探侧器，当变电所内有火灾发生或有烟气散发时，火灾报警主机发出报警声光信号井显示火灾地点或联动启闭消防设备和通风设施。系统通过接点及数字通信接口接入变电站综合自动化监控系统，并遥信控制中心报警。这就是自动报警系统的工作过程，从中可见其在整个消防系统中的重要性

6.7 隧道供电常用配电设备：

l ）电源变压器：隧道供电常用变压器有：油式变压器和干式变压器等。油式变压器造价低、维护量大、防火性能差、受环境自然条件的限制多等缺点使用的越来越少。近几年干式变压器发展较快，性价比好。在隧道供电工程中常常选用，这里重点介绍干式变压器。

干式变压器在世界范围内得到迅速的发展。近几年来，随着我国现代化建设的发展，城乡电网负荷不断增加，干式变压器在我国得以

广泛的应用。它主要采月了环氧树脂真空浇注干式变压器制造技术，防火防潮，过载能力强，可靠性能大大提高，减少变压器受环境自然条件影响等。

2） KYN28A-12（GZS1）型户内金属铠装高压开关设备，系3.6～12千伏三相交流50Hz单母线及单母线系统的成套配电装臵。是工程项目固定配受电，送电及大型高压电动机启动等，实行控制保护、监测之用，开关柜满足IEC298 、GB3906 等标准要求，具有防止带负荷推拉断路器手车、防治误分、合断路器、防止接地开关处在闭合位臵时关合断路器，防止误入带电隔室，防止在带电时误合接地开关的连锁五防功能。既可配 ZN63A（VS1）型真空断路器，也可配ABB公司VD4型真空断路器，实为一种性能优越的配电装臵。

3）低压配电柜:目前有代表性常用的两种型式.

a. 固定结构,大空间分隔的GGD型。主体分为仪表室和主控室，结构简单，操作维护简单。价格便宜。是隧道工程用的较多的设备。

b.抽屉式配电柜：功能单元采用插入式结构，组合灵活，检修维护方便。价格较贵。

后面以云山特长隧道为例,讲隧道供配电系统和火灾自动报警系统设计。

广泛的应用。它主要采月了环氧树脂真空浇注干式变压器制造技术，防火防潮，过载能力强，可靠性能大大提高，减少变压器受环境自然条件影响等。

2） KYN28A-12（GZS1）型户内金属铠装高压开关设备，系3.6～12千伏三相交流50Hz单母线及单母线系统的成套配电装臵。是工程项目固定配受电，送电及大型高压电动机启动等，实行控制保护、监测之用，开关柜满足IEC298 、GB3906 等标准要求，具有防止带负荷推拉断路器手车、防治误分、合断路器、防止接地开关处在闭合位臵时关合断路器，防止误入带电隔室，防止在带电时误合接地开关的连锁五防功能。既可配 ZN63A（VS1）型真空断路器，也可配ABB公司VD4型真空断路器，实为一种性能优越的配电装臵。

3）低压配电柜:目前有代表性常用的两种型式.

a. 固定结构,大空间分隔的GGD型。主体分为仪表室和主控室，结构简单，操作维护简单。价格便宜。是隧道工程用的较多的设备。

b.抽屉式配电柜：功能单元采用插入式结构，组合灵活，检修维护方便。价格较贵。

后面以云山特长隧道为例,讲隧道供配电系统和火灾自动报警系统设计。

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