（交通信息工程及控制专业论文）中压电能传输技术在公路隧道中的应用.pdf

摘要 通过对传统配电网降低损耗措施的分析和比较，得出了采用变压器“小容量、多布 点”的配电模式，使得电能损耗、电压损耗较常规降损措施低。在低压线路供电半径过 大情况下，应该从改变配电模式，缩短低压供电距离入手，再在此基础上采用其他降损 措施才能收到很好的效果。 本文将改变传统的在隧道口修建变电站并将低压引入隧道内的配电方式，采用中压 电能传输技术，以秦岭隧道为例进行分析与设计，将中压引入负荷点并采用“小容量、 多布点的埋地式变压器的供电模式，缩短低压供电半径，减小低压电缆截面，减少电 缆初期投资；系统节能，电压质量高，特别有利于隧道照明系统对电压的要求，埋地式 变压器的应用，很大程度上减少了地面变配电站对隧道景观造成的影响；通过合理划分 供电区域，并将供电网络相互连接起来，在一定程度上互作备份，提高系统的供电可靠 性。 应用c o n t r o l l e rl i l l l ( 网络的供配电监控系统，充分发挥c o n t r o l l e rl i n k 网络的优势， 实现高速数据通信的现场控制网络，可有效的提高p l c 的控制能力及控制范围，同时也 便于使用计算机对现场单元进行有效的管理和对各种采集到的数据进行及时有效的处 理，实现公路隧道供配电系统的远程监控。 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，能产生较好的经济效益，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：供电监控：节能 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ea n a l y s i s e sa n dc o n t r a s to ft h et r a d i t i o n a lc o m m o nm e t h o d sf o rr e d u c i n g t h el o s so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kh a v eb e e ng i v e nf i r s t ，w ec a ng e tt h a ts h o r t e n i n gl o w v o l t a g e l i n ea n dp l a c i n gt h et r a n s f o r m e r sn e a rt h el o a di sb e t t e rt h a nc o m m o nm e t h o d sf o rr e d u c i n g t h el o s so f p o w e ra n dv o l t a g e i np r e s e n td i s t r i b u t i o nm o d e lt h a tt h et r a n s f o r m e rs u p p l ya r e ai s t o ob r o a da n dt h el o w v o l t a g el i n ei st o ol o n g , w es h o u l ds t a r tw i t ht h ec h a n g eo fd i s t r i b u t i o n m o d e l ，s h o r t e n i n gl o w v o l t a g el i n e ，a tt h eb a s i co fi t ，t h eo t h e rm e a s u r ec a l lh a v e9 0 0 de f f e c t s s ot h ep a p e rc h a n g e st h et r a d i t i o n a lm o d e lt oc o n s t r u c tt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na n d c o n n e c t st h el o w v o l t a g ei n t ot h et u n n e l ，t h et u n n e lo fq i n l i n gi s e x p l a i n e di nt h i sp a p e r , a d o p t sm e d i u m - p r e s s u r ee l e c t r i c i t ys u p p l y , a n dc o n n e c t si tt ot h eb u f f e dt r a n s f o r m e r , r e d u c i n g t h es e c t i o no ft h el o w v o l t a g ea n dt h ei n v e s to fi n i t i a ls t a g e s t h es y s t e ma c h i e v e se n e r g y s a v i n g ，h i g hv o l t a g eq u a l i t y , i ti sp r o p i t i o u st ot h el i g h t i n gs y s t e mo ft u n n e l ，u s eo fb u r i e d t r a n s f o r m e rh a sl o we f f e c to nt h es i g h to ft u n n e l ，a c c o r d i n gt op a r t i t i o nt h er e g i o no f p o w e r s u p p l y ，c o n n e c t si ta n db a c k u pb e t w e e ne a c ho t h e r , i m p r o v i n gd e p e n d a b i l i t yc a nb ea c h i e v e d s u p e r v i s i o no fe l e c t r i cs u p p l y i n gb a s e do nt h ec o n t r o l l e rl i l l l 【n e ti sa p p l i e d ，e x e r t i n gi t s s u p e r i o r i t y , i m p l e m e n t i n gt h el o c a lc o n t r o ln e to ft h eh i g hs p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o n sa n d ， c a ne n h a n c et h ea b i l i t ya n dr e g i o no fc o n t r o lo fp l c ，m a k ei te a s yt om a n a g et h el o c a lw i t h c o m p u t e ra n dd e a lw i t h t h er e a l - t i m ed a t e ，r e m o t e s u p e r v i s i o na n dc o n t r o lo fe l e c t r i c s u p p l y i n ga n dd i s t r i b u t i o nc o m et r u ei nh i g h w a y t u n n e l m e d i u m p r e s s u r ee l e c t r i c i t ys u p p l yi st h ee f f e c t i v em o d ei nt h el o n gd i s t a n c e ，s e p a r a t e l o a d ，i th a sa d v a n c e dt e c h n i q u ea n dl o wc o s to ff u n c t i o na n dm a n a g e ，i so nt h es a f es i d e ， a n y w a y , i th a sc a p a c i o u sf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：h i g h w a yt u n n e l ，m e d i u m v o l t a g ep o w e rt r a n s m i s s i o n , s u p e r v i s i o no f e l e c t r i cs u p p l y i n g ，e n e r g ys a v i n g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：未崩 砷年多月7 e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：幕斛加7 年阴7 日 导师签名：电芝么力为7 年月7 日 长安人学顾l ：学位论文 第一章绪论 随着公路建设的飞速发展，我国公路隧道建设已取得长足的进步，隧道在山区地形 内可以克服地形限制、改善线型、缩短行车距离，以及保护生态、节省燃料、节省时间、 提高经济效益诸多优点，越来越多的高速公路建设选择修建隧道束解决这些问题。目前， 我国公路隧道总数已达1 7 8 2 座，总长度7 0 4 公里，分别是改革开放之初的4 7 倍和1 3 5 倍， 是世界上公路隧道最多的国家，其中长度超过3 0 0 0 米的特长隧道达到1 8 处，总长6 6 万米 【1 l ，而且在建的隧道无论是数量还是长度上都有较大的发展。由于隧道是一个封闭的环 境，其运营条件与外界截然不同，如何保障隧道的运营安全，是我们一直关心的问题。 通常我们通过通风、照明、消防等相关设施来保障其安全运营，但随着隧道修建的越来 越多，长度越来越长，对于隧道或多个隧道组成的隧道群，则是整个所处路段的主要电 力消耗单位，其电力供应将是一个至关重要的因素，供电的安全性、可靠性和经济性是 确保高速公路安全运行、提高经济效益的重要环节。电力事故、供电中断将给整个隧道 甚至所处的高速公路营运的收费、监控、通信等系统造成管理混乱，给国民经济造成重 大损失，因而对隧道用电点进行合理的供电方案设计，对后期运营的可靠性、经济性起 到相当重要的作用。 中压电能传输起初j ：是在市政工程中采用，在隧道供电中应用较少，它对长距离、 分散性的隧道用电负荷i r d 样能体现出系统能耗小，供电呵靠性高的优点，把中压电能传 输技术应用到隧道的供电中，就近取电的分散供电模式剑自建专用供配电系统的中压集 中供电模式1 2 1 ，较好的解决了对隧道如何进行供电的问题，同时也改变了高速公路的供 电理念，以全新的供配咆方式确保了隧道用电的可靠、稳定。 同时针对隧道的供i l 三可靠性要求高和电力参数采集量大等特点，对其供配电自动化 监控则同等的重要，供配电计算机监控系统是现代供配电领域的大势所趋，它利用计算 机技术、网络技术、控制技术、显示技术与电力变配电设备相结合，系统采用自下而上， 汇接成多级监控，最低：l ：i 控级孑被监控设备相连，实现了分散监控、分级集中管理的功 能。通过对传统供电系统中变电站内二次设备( 继电保护、安全自动装置、测量仪表、 操作控制、信号系统) 的功能进行重新组合，进行系统保护、控制测量、信号采集、谐 波分析、电能量管理、负荷控制和运行管理，取消了常觇的仪表盘，操作控制屏和中央 信号系统等二次设备【3 1 。本文不仅采集负荷的电力参数而且考虑供配电所内的环境、 以及动力参数在系统中所起的作用。 第一章绪论 1 ，1 国内外研究概况 1 1 1 国内研究概况 高速公路隧道供电是隧道机电工程的基础，也是隧道运营安全的保障之一，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，再者 对于分布比较密集的长隧道而言，对其供配电要求更高，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，其总长度增加，相应通风、照 明、控制等用电负荷增加较大，供配电设备的数量也同时增加。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。隧道供配电自动化系统是 一个复杂的系统，事故有相当大的随机性和突发性，而且一旦发生事故，将严重影响隧 道其它系统的正常运营，所以快速准确的了解隧道供配电系统的运营情况，及时处理各 种可能出现的问题，对整个隧道的安全运营非常重要。国内目前对f 隧道这种长距离、 负荷分散的用电负荷，常用的供配电方式就近修建1 0 k v 变电所，然后采用0 4 k v 低压进 行配电，而对于超出供电半径时，则增大0 4 k v 电缆截面，延长0 4 k v 低压输送距离，因 而增大了一次性设备投资，也给施工带来了一定困难，同时供电可靠性降低，运行管理 不便1 4 1 。对于整个隧道的现场电力设备和环境所要采集的参数较多，很难进行统一的控 制和沦调，并且对其所采集信息传输距离较远，对供配电系统的监控并不是很完善，国 内大多数已经投入使用的隧道很多都没有一个完整的隧道供配电监控系统，更何况对于 长隧道供电监控系统的研究，其当供配电系统处于故障时，只是人 采取相应的措施， 无法完成自动化管理，所以有关隧道供配电自动化系统的研究工作仍需进一步完善。 1 1 2 国外研究概况 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，同时国外供配电系统是庄一次网络规划合理，变电设备本身可靠并具有遥 控和智能功能，在信息系统的普及的甚础上建立配电管理系统和配电自动化依靠配电 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 1 3 发展趋势“。 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喟中压电能传输技术，在负荷棚对集中点采用小容 2 长安人学硕i ：学位论文 量、能耗较低的埋地式变压器代替传统的在隧道端口设置配电室或箱式配电站等能耗较7 大的低压供配电方式。在隧道供配电自动化系统中，各种用电设备是否在正常状态下工 作，各个供配电回路是否出现线路故障，对于各项电力参数的采集、传输、处理，以及 变电站内的电力参数，环境，智能设备和动力设备的参数需要进行实时检测、管理和自 动控制【5 1 。因此隧道的供配电监控系统则显得至关重要，因为隧道的电力事故有相当大 的随机性和突发性，而且一旦发生事故，整个隧道内所有的供电将中断，严重影响整条 线路的正常运营，所以快速准确的了解整个供配电系统的运行情况，及时处理各种可能 出现的突发问题，对整个隧道所处的线路非常重要。 随着微机技术、网络通讯技术和各种检测技术的发展，隧道供配电系统必定向着综 合自动化系统的方向发展。为这种负荷较多、负荷容量不大，但是分布比较分散的供配 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 2 本论文主要的研究内容 结合隧道供配电的特点和实际需求，技术上实现的可能性以及经济合理性，得出一 种适合隧道这种特殊负荷的供配电模式，在其运营过程中，可靠性和安全性是我们首先 要考虑的因素，降低电力成本和建立可靠的供配电自动化系统也是重要目标，整个供电 系统是保证了其机电设备正常运行，而配电自动化是其他设备正常运行的基础，同时许 多设备的控制也是靠供配电自动化系统来实现。 主要内容： 1 通过与传统供配电方式进行的比较，结合长隧道的特点以及用电负荷的线性分 布，按其沿线的地理位置，选择出一个合理i l 实用的中压供电模式，其具体模式是应用 l o k v 或者更高等级的电压直接送至负荷中心的埋地式变压器，与埋地式变压器相连接， 并组成坏网，再将中压转换为低压对负荷供电。这种供电方式，缩短低压供电半径，减 少低压传输损耗，可以避免布线困难等一系列问题，同时可靠性也比较高。 2 通过对隧道负荷特点的研究，建立起甚 = c o n t r o l l e rl i n k 网络的供配电监控系统， 充分发挥c o n t r o l l e rl i n k 网络的优势，实现高速数据通信的现场控制网络，可有效的提 高p l c 的控制能力及控制范围，建立适合于公路隧道安全、可靠的供配电监控方式，人 机界面功能及各种数据的显示、存储、统计实现公路隧道供配电系统的远程监控。 3 以秦岭特长隧道为工程实例，对其原供电方案做出了分析与修改，采用基于中压 电能传输技术的供电方案，并完成了供配电峪控系统的设计，利用组态王k i n g v i e w 开发 第一帝绪论 上位机监控界面实现报警报表的设计，通过比较得出中压传输技术与传统的供配电方式 相比的优势。 本章小节 1 介绍了中压电能传输技术在我国隧道供电系统中应用的前景和意义。 2 介绍了集中供电和中压电能传输在国内外研究现状和发展趋势，以及本论文所要 做的主要内容。 4 长安人学硕i ：学位论文 第二章公路隧道供配电系统 公路隧道作为公路上的特殊路段与普通路段相比具有：洞内外亮度差大、空气污染 严重、侧向净宽较小且高度有限、没有扩展活动的余地和噪声高的特点，通行能力、行 车速度、交通安全性能等比正常路段差，交通事故发生率、交通能耗及对环境的污染成 倍增加。为保证来往车辆的安全通行，避免交通事故发生，就得保证隧道内机电设备正 常运行，所以必须设置安全可靠的隧道供配电系统。 2 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，为确保这些设施的j 下常运 行，要求供电系统无故障运行以保证隧道运营的高度的安全。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。 2 1 1 公路隧道供配电系统要求 为了能充分发挥公路隧道的优势，达到有效使用的目的，必须根据工程特点合理地 选择安全、可靠、安装维护方便的设备。供电系统应做到安全、可靠、优质、经济并满 足生产需要，同时系统接线要简单并有一定的灵活性，操作安全、检修方便等。此外， 应合理处理局部与全局、当前与长远的关系，既要满足当前用电负荷的要求，又要适应 将来的发展。因此，隧道供配电系统应满足以下要求： 1 安全 供配电系统的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。因此，供配电系统应具有 自身完善的安全保护系统。 2 可靠 供配电系统的可靠性是指电能的供应与分配满足隧道各机电系统对供配电可靠性 即不中断供电的要求。一旦供配电系统发生突然停电故障，将会引起隧道的通风、照明、 监控、消防等系统瘫痪，从而失去对隧道交通运行的监视与控制功能。因此，为满足隧 道对供配电系统的要求，提高供配电系统的可靠性，隧道供配电系统一般按一级负荷配 置，必须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u p s 电源等。 3 优质 第。二章公路隧道供配电系统 供配电系统的优质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。供电部门对电力系统中用户的电压波动幅度( 对额定电压的偏差值) 有以 下的规定： 1 0 k v 及以下的低压电力用户为士7 ；而对于照明系统则要求更高，因为电压直接 影响灯具的发光效率，因此其电压偏差应在士5 l 引。 4 经济 供配电系统的经济性是指在满足隧道负荷用电要求的i i 提下，系统的建设成本和运 行费用要低，利用效率要高，并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。 2 1 2 公路隧道供配电系统设计原则 公路隧道供配电系统设计与工矿企业供配电系统设计有所区另i j ，但总的原则应按国 家标准工业与民用供电系统设计规范、1 0 k v 及以下变电所设计规范、低上l i 配电 设计规范及供配电系统设计规范等的规定执行。公路隧道供配电系统设计又具有 自身的特点，设计时应遵循以下原则： 1 供电系统应满足负荷对供电可靠性和电能质量的要求，同时应注意接线简单，操 作方便安全，并具有一定灵活性。 2 单相用电设备应适当配置，力求达到三相负荷基本平衡。 3 应根据公路隧道供配电系统的特点、规模和发展规划，处理好近期建设与远期发 展的关系，做到远近结合，酎有余地。 4 结合我国国情，在进行隧道供配电系统设计时应有选择地采用国内外先进技术， 选取技术先进，经济合理的力案，不仪要满足用户的使用要求，而且要做到安全和经济 用电1 6 l o 2 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 隧道通风系统主要是为了降低洞内一氧化碳和烟雾浓度，提高隧道洞内能见度，保 证车辆和人员安全、顺畅通行，特别是在火灾事故中，通风系统可及时排出烟雾，保证 6 长安人学硕i 学位论文 人员和车辆顺利疏散和救援。通风系统的供电主要是对射流风机或轴流风机的供电。 2 照明系统 隧道照明系统是根据人的视觉特点和公路交通状况所设计的。为了避免黑洞效应。 因此应该根据不同的视觉现象，分别设计相应的人工照明，使路面的亮度达到必要的水 平。照明系统的供电主要是对照明灯具的供电。 3 监控系统 隧道监控系统主要是针对隧道内偶发事故的及时发现及处理，使系统可迅速感知事 故发生的地域、类型，解决因偶发事故而产生的交通阻塞现象。隧道监控系统丰要由计 算机控制系统，闭路电视系统，交通信号控制系统，火灾报警系统等组成。监控系统的 供电主要是指对上述各种监控设备的供电。 4 消防系统 隧道消防系统主要以水消防为主，辅以化学消防。消防系统的供电主要是对水泵和 维修设备的供电。 5 生活用电 生活用电指隧道管理所( 站) 为管理人员提供水、暖、照明、餐饮等所用电能1 7 1 。 2 2 公路隧道供配电系统构成和负荷计算 2 2 1 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 ( u p s ) 、防雷和接地系统、无功补偿装置组成。 1 变配电站 变配电站的任务是接受电能、变换电压和分配电能。变配电站的设计内容应包括： 变( 配) 电站负荷的计算及无功功率的补偿、所址的选定，变电所主变压器台数和容量、 形式的选定，变( 配) 电站主接线方案的选择，进出线的选择，线路架设方式的选择， 系统短路计算，开关设备的选择，二次网路办案的确定及继电保护系统的选择j 整定， 防雷保护与接地保护的设计等。 2 供电系统 在本文中，供电系统主要是1 0 k v 或更高电压等级的供电系统，隧道属于一级负荷， 通常采用双回路( 来自不同的供电匹j l 路) 供咆。 3 低压配电系统 7 第- 二章公路隧道供配电系统 低压配电装置，由组合式抽屉柜或封闭式开关柜组成。低压配电采用3 8 0 2 2 0 v 、 + 5 0 h z 变压器中性点直接接地系统。隧道内通风、照明、监控、消防及生活用电设置单 独的回路。 4 静态交流不停电电源系统( u p s ) 按公路隧道和地道照明指南( c i e ) 规定，在断电时应设置应急照明且亮度至少 为基本照明的十分之一，这是为了尽可能减少驾驶人员在突然停电时，出于本能反应而 急刹车，造成尾撞事故的可能，或当洞内发生事故时，能尽快展开救援工作。u p s 通常 有两套系统构成，利用蓄电池贮能和直接利用交流电网对负荷供电，二者之间可以自动 切换，以确保应急照明的供电。除此之外，隧道的计算机营运管理系统及信号、通讯等 设备，亦要求可靠电源供电。总之，所有列为一级负荷的交通监控设备和通信设备均应 由u p s 供电。 在确定u p s 容量的选择时，先计算设备的负载容量，从而得到u p s 的额定输出容 量，再有公式 s = n m p ( 2 1 ) 式中s 为u p s 容璧；p 为实际负载容量；n 为u p s 安全系数，一般为1 2 1 5 ；m 为余量系数，通常为1 1 5 1 2 。 u p s 最大启动负载应控制在u p s 额定输出功率的8 0 以内。实践证明，u p s 将其 负载控制在3 0 - - 7 0 以内为最佳方式。u p s 容量选择过大或过小都会对u p s 产生不 良影响，容量过大，过度轻载，虽然降低了逆变器的损坏概率，但也可能造成市电停电 时蓄电池放电电流小，放电时间偏长，因而造成蓄电池深度放电，造成电池组永久损坏。 而容量过小，虽然节约一部分资金，但u p s 长期处于重载状态，输出波形发生畸变， 也容易造成逆变器的损坏。因此，u p s 的选择对于提高u p s 的工作效率，改善u p s 的 工作状况是非常重要的。 5 防雷和接地系统 ( 1 ) 对于隧道变电站( 所) 的防雷措施主要为甩避雷针或避雷网来保护，在进线 处装设避雷器，以免雷电冲击波沿进线侵入变电站损坏电气设备，其应以最短的接地线 与变电站的主接地网连接。对于变压器主要是在高压侧装设阀型避雷器作为变压器的防 雷保护，在供配电系统中，对于。接线的变压器般把外壳、中性点与避雷器共 同接地，如图2 1 所示，为了防止雷电流流过接地电阻时，接地电阻上的压降与避雷器 k 女人学硕l ：学位论文 的残压叠加以后作用在变压器绝缘上，应将避雷器的接地与变压器外壳共同接地，使得 变压器一次侧主绝缘上只有阀型避雷器的残压。但此时，接地体和接地引下线上的压降， 将使变压器外壳电位大大提高，可能引起外壳向低压侧的闪烙放电，因此，必须将变压 器低压侧中性点与外壳共同接地，这样中性点与外壳等电位，就不会发，闪烙放电了。 哗 v 图2 1 燹压器保护矮地图 ( 2 ) 将电气设备或电气装置的某一部分经接地线连接到接地极称为“接地”。“电气 装置”是一定空间中若干相互连接的电气设备的组合。隧道供配电装置的工作接地和保 护接地共用一个接地系统，采用t n s 系统。变电所内和隧道内的所有电气设备外壳、 所有金属管路等，都应与接地网可靠连接，构成等电位接地系统。 6 无功补偿装置 ( 1 ) 无功补偿容量的选择和接线 把具有容性功率的装置与感性负荷连接在同一电路，当容性装置释放能量时，感性 负荷吸收能量，而感性负荷释放能量时，容性装置吸收能量，能量在相互转换，感性负 荷所吸收的无功功率可由容性装置输出的无功功率中得到补偿，要使功率因数由c o s q ， 提高到c o s 9 ，就必须装设人工补偿设备，使得补偿后的功率因数能够达到0 9 以上。 通常是装设并联电容器，其补偿容量应为 q = q 3 。一q ! 二= ( t a n 缈- t a n ( p ) 或q = 吼 ( 2 2 ) 式中t a n q ，为补偿前的功率因数角c o s 缈对应的正切值；t a i l 缈为补偿后的功率因数 角c o s 驴。对应的正切值：口。为无功功率补偿系数k v 噘。 对于补偿电容器接线方式的选择，有三角形接法和星形接法两种。当电容器额定电 压等于系统线电压时，两种接法均可采用；当电容器额定电压等于系统相电压时，只能 采用星形接法。 对于电容量c 相同的电容器，采用三角形接法时，可提供的补偿容量为： 9 第r 章公路隧道供配i 乜系统 q f a - 3 u 2 , v a ，c ( 2 3 ) 当采用星形接法时，可提供的补偿容量为： 1 q y = u 2 n 们= q a ( 2 4 ) j 因此并联补偿电容器常采用三角形接法，i 一时在三角形接法中，若出现某相断线时， 断线相仍能得到补偿，而星形接法则不然。 ( 2 ) 并联补偿电容器装置的装设地点 在中、低压供配电系统中，并联补偿电容器通常有三种安装方式：就地补偿、低压 集中补偿、中压集中补偿。 就地补偿是指补偿设备装设在需要补偿的设备旁边，与该设备一起投切。这种补 偿方式的特点是：补偿范围大，从补偿装置安装点到电源的设备及线路上的功率因数都 得到补偿，但电容器利用率低。由于小容量电容器单位容量价格高，维护、管理不便， 在用电设备旁也容易受到不良环境的影响，因此，这种补偿方式只有在无功功率需求量 大，运行时间长，需补偿设备距变配电场所较远的场合。 低压集中补偿是将补偿装置集中装设在0 4 k v 母线上进行补偿的方式。这种补偿 方式的特点对补偿装置安装点到负荷一段的设备及线路上功率因数不能补偿；但可对变 压器及以前的设备和线路上的功率因数进行补偿，维护、管理方便，补偿装置可以与低 压配电装置一起安装在变配电室内。这是目日订常用的一种补偿方式。 中压补偿方式是将补偿装置集中装设在1 0 k v 母线上进行补偿的方式。这种补 偿方式的特点是：装设集中，便于维护、管理、投资较少；但补偿范围小，对其装设点 以后的变压器和低压线路上的功率因数都没有补偿作用。 2 2 2 隧道供配电系统负荷计算 负荷计算的闷的是为了合理地选择供配电系统中的导线、开关、变压器等设备i 使 供电系统能够在l f 常条件下可靠运行。计算负荷确定得是否正确合理，将直接影响到变 压器、供配电设；奇和导线的选择是否经济、合理。如果计算负荷确定得过大，将使缦备 及导线的选择余鼍过大，造成投资和有色金属的浪费：相反，如果计算负荷确定得过小， 又将使各种设备运行时增加电能损耗，并产生较大的热量，引起绝缘的过早老化，严重 时会烧毁变f k 器、供配电设备或导线而引起火灾。由此可见，正确确定系统的计算负荷 对隧道供配电系统的设计有重要意义。 计算负荷是通过负荷的统计计算求出的，用来按发热条件选择供电系统中各元件的 l o k 安人学硕l ：学位论文 负荷值，计算负荷也称需要负荷或最大负荷。实际中，常采用以3 0 r a i n 为时间间隔求出 来的最大平均负荷只。作为按发热条件选择电气设备或导线的依据。我国目前普遍采用 的确定计算负荷的方法有需要系数法和二项式系数法。本论文主要以需要系数法为例进 行说明。 1 按需要系数法确定计算负荷( 多组和单组) ( 1 ) 基本公式 需要系数就是用电设备组在最大负荷时需要的有功功率与其设备容量e 的比 值，即 髟专 眨5 ， 式中用电设备组的设备容量e 是指用电设备组所有设备( 不包括备用设备在内) 的 额定容量r 之和，即 只= ( 2 6 ) i = l 由此可得按需要系数法确定三相用电设备组有功计算负荷的基本公式为 民= 巧只 ( 2 7 ) 在求出有功计算负荷只。后，可按下列各式分别求出其余的计算负荷， 无功计算负荷 q 3 0 = t 柚伊 ( 2 8 ) 式中t a l l 缈对应于用电设备组c o s 缈( 用电设备组的平均功率因数) 的正切值( 参考 相关表) 。 视在计算负荷 s 。：鱼：压再孬 ( 2 9 ) c o s 口 。 计算电流 = 惫 他 第- 二章公路隧道供配电系统 式中u 为用电设备组的额定电压。 ( 2 ) 多组用电设备计算负荷的确定 针对隧道用电负荷的多样性，需要确定多组用电设备的计算负荷。确定拥有多组用 电设备的变电站低压母线上的计算负荷时，应首先计算出每一设备组的计算负荷，同时 还应考虑各组用电设备的最大负荷不同时出现的因素，因此在确定低压母线上的计算负 荷时，可结合具体情况对其有功功率和无功功率分别计入一个同期系数( 又称参差系数 或综合系数) 。 总的有功计算负荷 总的无功计算负荷 & = 椎民， ( 2 1 1 ) 己 i f f i l 瓯2 麓q t i f f i l 瓯- ， ( 2 1 2 ) 以上两式中的p 3 甜和鲸，分别表示所有各组设备的有功和无功计算负荷之 和；k 和k 。分别为有功和无功功率的同期系数。 吼 卢i，i 总的视在计算负荷 总的计算电流 k = 惫 、j l j ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 2 单棚用电设备组计算负荷的确定 在隧道各种电气设备中，除了三相设备外，还有各种单相设备。单相设备接在三相 线路中，应尽可能地均衡分配，使三相负荷尽可能地平衡。如果单相设备的总容量不超 过三相设备总容量的1 5 ，则不论单相设备如何分配，均可按三相平衡负荷计算。 由于确定计算负荷的目的，主要是用束选择线路上的设备和导线，使线路上的设备 和导线在计算电流通过时不致过热损坏，斟此在接有单相用电设备的三相线路中，不论 单相设备接于棚电压还是接于线电压，j 要三卡h 负荷不平衡，就应以最大负荷相有功负 长安人学硕i ：学位论文 荷的3 倍作为等效三相有功负荷，以便满足三相线路中所选设备和导线安全运行的要 求。 ( 1 ) 单相设备接于相电压时的负荷计算 首先按最大负荷相所接的单相设备舯乘以3 求得其等效三相设备容量只，即 e = 3 胂 ( 2 1 5 ) 然后按式( 2 7 ) ( 2 1 0 ) 分别计算其等效三相计算负荷只。、纵、墨。1 3 。 ( 2 ) 单相设备接于同一线电压时的负荷计算 由于容量为只矿的单相设备接在线电压上产生的电流，= 赢p ，这一电流应与其 等效三相设备容量产生的电流i = ，二一相等，因此其等效三相设备容量 4 3 u c o s 6 p 只= 3 口 ( 2 1 6 ) 然后按式( 2 7 ) 式( 2 1 0 ) 分别计算其等效三相计算负荷、瓯、s 和，o 。 ( 3 ) 单相设备分别接于线电压和相电压时的负荷计算 首先应将接于线电压的单相设备容量换算为接于相电压的设备容量，然后分相计算 各相的设备容量和计算负荷。而总的等效三相有功计算负荷就是最大有功负荷相的有功 计算负荷的3 倍，即 只。= 3 b 。忡 ( 2 1 7 ) 总的等效三相无功计算负荷就是最大有功负荷相的无功计算负荷的3 倍，即 q 3 。= 3 q 3 。伽 ( 2 1 8 ) 总的和厶则分别按的面式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 计算。 2 3 中低压设备的选择 为保证中低压供配电系统帕可靠运行，所用设备应按正常工作条件下的额定电压、 电流等进行选择，并按短路电流校验动稳定和热稳定性能，对断路器和熔断器还要按三 相短路容量校验其断流能力。此外，还要根据电器的安装、使用环境( 如温度、空气介 质及海拔高度) 等，选用不同类型的设备。 第一：章公路隧道供配电系统 各种电气设备的功能尽管不同，但都在供电系统中工作，所以在选择时必然有相同 的基本要求。在证常工作时，必须保证工作安全可靠、运行维护方便、投资经营合理。 在短路情况下，能满足动稳定和热稳定的要求。 2 3 1 按正常工作条件的选择 1 环境 产品制造上分户内型和户外型，户外型设备工作条件较差，选择时要注意。此外针 对隧道内的恶劣环境，还要考虑腐蚀、防爆、防尘、防火等要求。 2 电压 选择设备时应使装设地点的电网额定电压小于或等于设备的额定电压u 科，即 叽鲥芝u ， ( 2 1 9 ) 但设备可在高于其铭牌标明的额定电压1 0 - - 1 5 情况下安全运行。 3 电流 电气设备铭牌上给出的额定电流是指周围空气温度为o o 时电气设备长期允许通过 的电流。选择设备或载流导体时应保证满足以下条件： l 。甜，一 ( 2 2 0 ) 式中，m 为设备铭牌标出的额定电流；一为该设备或载流导体长期通过的最大工 作电流。 h 前我国规定电器产品的o o = 4 0 。c ，如果电气设备或载流导体所处的周围环境温 度是q 时，则设备或载流导体允许通过电流，。曰可修正如下： l 。凡隔 ( 2 2 1 ) 式中吼、q 为分别为设备或载流导体在长期工作时允许的最高温度和实际环境温 度。 2 3 2 按短路情况下的校验 1 短路情况下的动稳定 即以制造厂的最大试验电流幅值与短路电流的冲击电流相比，且 1 4 长安人学硕i 学位论文 2 0 ( 2 2 2 ) 式中为设备极限通过电流的幅值；为冲击电流。 某些电气设备( 例如电流互感器) 由制造厂家提供动稳定倍数屯，选择设备时要 求： 彘 晓2 3 ) 式中如为电流互感器一次侧的额定电流。 2 短路情况下的热稳定 热稳定应满足 i t _ 心靴l 再 ( 2 2 4 ) 式中为设备在t 时间内允许通过的热稳定电流值：，。为稳态短路电流有效值，单 位为a ；0 短路电流作用的假象时间。 对电流互感器则要满足下面的热稳定关系 ( 屯凡m ) 2 f l 2 t ( 2 2 5 ) 式中t 为产品目录中给定的热稳定倍数：，。砌为电流互感器一次侧额定电流；t 为 由产品目录中给定的热稳定时间。 对于隧道的供配电系统中，电能传输的主要介质是电缆，正确的选择电缆截面，对 于保证供配电系统安全、经济、合理的运行有着重要的意义，对于节约有色金属消耗量 也很重要。 2 3 3 电力电缆截面的选择 在供配电系统中，电缆的用量较大，f 确选择电缆，对于保证系统安全、可靠、经 济、合理地运行有着重要的意义，因此本文将对此做出较详细的介绍，对于电缆和绝缘 导线，除了应满足工作电压的要求外，还应满足下列条件： 1 电缆截面选择必须满足的发热条件为，在选择三相线路中的相线截面时，应使其 允许载流量i a i 不小于通过相线的计算电流1 3 0 ，即 i 。仑1 3 0 。 ( 2 2 6 ) 第- 二章公路隧道供配电系统 所谓导线的允许载流量( a l l o w a b l ec u r r e n t c a r r y i n gc a p a c i t y ) ，就是在规定的环境温 度条件下，导线能够连续承受而不致使其稳定温度超过规定值的最大电流。如果导线敷 设地点的环境温度与导线允许载流量所采用的环境温度不同时，则导线的允许载流量应 乘以温度校正系数 = ( 2 2 7 ) 式中眈，为导线正常工作时的最高允许温度；o o 为导线的允许载流量所采用的环境 温度；o o 为导线敷设地点实际的环境温度。导线和电缆包括母线在通过j 下常最大负荷电 流( 即计算电流) 时产生的发热温度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。 2 电压损耗条件。线路输送电能时，由于线路存在阻抗，所以在负荷电流通过线路 时要产生电压损耗。按规定，配电线路的电压损耗，一般不超过线路额定电压的5 ； 从变压器低压侧到用电设备受电端的低压线路的电压损耗，一般不超过用电设备额定电 压的5 ，对视觉要求较高的照明线路，则为2 3 。如线路的电压损耗值超过了允 许值，则应适当加大导线的截面，使之满足允许的电压损耗要求。 在进行设计时，常常是按照给定电压损耗的允许值，选求导线和电缆的截面。计算 低压线路的电压损耗时，因三相线路的线间距离很近，导线截面小，电阻的作用大，因 此可忽略不计电抗。这样，计算电压损耗时，只考虑线路电阻、功率和功率因数。其计 算公式为 = 器l o o ( 2 2 8 ) 其具体计算过程详见第：三章中中压电缆的选择，式中为允许电压损耗，； p 为负荷的功率( 单相或三栩) ，k w ；z 为线路长度，小；s 为导线或电缆截面，m m 2 ： c 为由电路的相数、额定电j 丘及导线材料的电阻率等决定的常数，称为电压损耗计算常 数，可见相关手册。 3 经济电流密度。高压线路及特大电流的低压线路，一般应按规定的经济电流密度 选择导线和电缆的截面，以使线路的年运行费用接近最小，节约电能和有色金属。但对 很短的1 0 k v 及以下的线路和母线，可不按经济电流密度选择。 4 机械强度。导线的截面i 不应小于最小允许截面，对于电缆，不必校验机械强度， 1 6 长安人学硕f j 学位论文 但需校验短路热稳定性。 根据设计经验，低压动力线，因其负荷电流较大，所以一般先按发热条件来选择截 面，再校验其电压损耗和机械强度。低压照明线，因其对电压水平要求较高，所以一般 先按允许电且i 损耗条件来选择截面，然后校验其发热条件和机械强度。而高压线路因其 造价较高，一般先按经济电流密度来选择截面，再校验其它条件。 本章小结 本章主要讨论了隧道供配电系统的特点，供配电系统的构成，供配电系统的负荷计 算及电力电缆的选择。 1 7 第三章中胝电能传输系统 第三章中压电能传输系统 吸收了国内外先进的中压电能传输技术，逐步探索出一条新途径，即从就近取电的 分散供电模式到自建专用供配电系统的中压集中供电模式，成功地解决了隧道或相距较 近的连续多个隧道组成隧道群如何进行供电的问题，同时也改变了高速公路的供电理 念，以全新的供配电方式确保了隧道用电的可靠稳定。 3 1 各种配电网络损耗分析 在介绍中压电能传输系统之前，首先对各种配电模式做简单的比较。长期以来，我 们对配电网关注不够，配电网发展滞后，对于配电网降损采取的常用措施有：采用节能 型变压器，提高负荷点功率因数，增大导线截面等。本文通过比较，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。究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。改变现有配电模式，采取变压器小容量、多柿点、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。 其具体表现在：大量高耗能变压器仍在运行，线径小，尤其是低压线路供电半径长。 由电力系统计算基本理论可知线路损耗与电压平方成反比，因此通过相同的功率0 4 k v 线路损耗是同长度1 0 k v 线路的6 0 0 多倍( c o s 缈= 0 8 ) 。 现以如图3 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