城市隧道电气设计探讨认识实践

陈平安

西城工程设计集团有限公司 浙江 杭州 310000

近年来，我国的城市隧道工程建设在不断地增加，给人们的出行带来了极大的便利，并且有效地提升了城市的交通运输效率，降低了交通运输的压力，对城市的经济发展有着极其重要的作用。但是现下我国城市隧道的电气设计上还存在着一定问题，需要不断的进行优化和改进，特别是现行的城市隧道建设缺乏专业电气设计标准，城市隧道建设条件多样，特别是城市长隧道对电气要求更高。在设计和施工时要加强对各个环节的控制，确保城市隧道内的供电系统正常运行，为城市隧道的交通安全提供最基础的保障。城市隧道电气配电需求多为通风、供电、照明、通信、给排水、监控、消防等，在设计时须严格按照工程需求和标准设计，确保隧道供电系统合理性和科学性，如图1所示。

图1 隧道供配电系统

1 供配电系统的设计

对于城市隧道中的电气供配电是整个隧道安全运行的基础，一般城市隧道根据设施重要程度对电力负荷等级分级，涉及安全、稳定、应急、防灾要求的设备多为一级负荷，供电系统多引入城市双独立10kV电网并按要求设置变配电所，保障供电可靠性。但是隧道在运行的过程中会受到一些因素的干扰，导致城市隧道中的用电设备因为供电影响处于不稳定的状态，如供电电源故障、触发器误操作、线路开断、高能耗运行等，这些都会影响隧道正常运转。所以，在保障供配电系统可靠性和安全性对电气设计合理优化和故障响应，提升隧道整体电力系统的运行质量[1]。隧道供配电主要构成为：电网接引的10kV电源线路、10/0.4kV变电所、高低压电力线路、隧道照明设施、隧道用电设备、管理用房、电气设备防雷接地等。

1.1 负荷等级可靠供电

隧道供配电系统应满足安全、可靠、经济、运行灵活的要求。确保隧道能安全可靠维持正常运行，并满足国家供配电设计规范中各类负荷的供电要求。供电系统接线应尽量简单、统一，以利于工程实施及以后运营管理的方便。隧道动力、照明的供电基本由供电系统中的独立回路配出，大功率设备必要时采用降压启动措施，以减小设备的起动对其他回路的影响。对重要设施按电力负荷等级可靠供电，一级负荷电源引自变电所两段母排各一回路，一用一备并末端自切，特别重要一级负荷采用双电源切换+在线式不间断电源（UPS）的方式供电。

表1 城市隧道设备负荷等级表

1.2 电气火灾监控保护装置

电气火灾是影响隧道安全和正常运行的极大危险因素，对电气火灾监控保护有效阻断危害发生。积极避免因电弧、火花、接触不良、漏电以及接地故障引发的绝缘破损等引起的火灾，城市隧道多采用电气火灾监控系统，准确监控电气线路的故障和异常状态，发现电气火灾的火灾隐患，及时报警提醒相关人员消除这些隐患[2]，如图2所示。

图2 电气火灾监控系统

1.3 应急电源

应急电源也是城市隧道供配电系统设计中需要重点考虑的问题，城市隧道在运行的过程中不可避免地会出现停电等突发事故，为了提升隧道使用的安全性，需要对应急电源科学合理地设计到供配电系统中，当出现停电等突发事故时可以利用应急电源去为城市隧道的内部进行照明、监测、控制等工作，以此保障这些用电设备的正常运行。在进行应急电源的设计时，对用电设备位置、用电需求等进行合理分析，选择适用的应急方案，目前城市隧道常用的应急电源主要有柴油机发电设备、EPS或UPS集中供电、蓄电池备用电源等。

1.4 电缆设计

城市隧道供配电系统中的电缆选择、敷设方式和电缆连接器需合理设计，直接关系到隧道电力系统的运行。电缆选型考虑交通隧道消防条件及安全运行要求，多采用低烟无卤型阻燃电缆，中药设备电缆可采用耐火电缆或矿物绝缘电缆。电缆设计时应按温升条件或最不利条件选择电缆截面，并进行校验。电缆的敷设可以采用挂钩、支架、桥架、托架敷设。各电缆沿墙或埋地敷设时穿钢管保护，重要设备的不同电缆建议分开敷设，穿越伸缩缝、沉降缝时应采取相应的保护措施。最后设置电缆连接器，避免连接性、密封性不足导致损坏，由于电缆连接器安装较为困难，可以根据需要选择高压连接器，降低电缆连接器损坏影响[3]。

1.5 隧道电气节能

近年来，随着节能环保理念的不断深入，城市隧道的供配电系统也在不断地进行节能优化。首先在进行城市隧道供配电系统时，在确保隧道安全性和质量的基础上，响应低碳减排目标，在设计和选择各种电器设备时，尽可能地使用节能的电气设计和设备；其次，要对设计和施工的每个环节进行把控和优化，确保节能降耗可以融入到城市隧道各个环节中，根据隧道建设的实际情况去优化并选择相应的电气设备，对设备的功率进行控制，从而降低整个隧道供配电系统的能耗；最后，在节能的基础上要保障供配电系统的安全性和质量，并且提升城市隧道建设的经济效益，为工程成本的降低提供有效的支撑。

2 照明系统的设计

隧道照明系统是电气设计中的重点内容，也是城市隧道运行中的重要组成，并且照明系统在城市隧道交通中可以为车辆的运行保驾护航，为出行的人员提供便捷。目前我国的城市隧道一般大于100米就需要设置照明系统，或通过模拟自然采光条件设置照明系统，降低司机驾驶车辆在经过隧道时其视觉影响，隧道照明则可以有效地避免交通事故的出现。在进行城市隧道的照明系统设计设计时，需要考虑到隧道环境条件、隧道自身条件和隧道交通条件，以此为隧道的照明系统设计提供有效的支撑[4]。

2.1 照明分区

隧道的照明系统根据隧道的内部的环境不同需要设置照明分区（如图3隧道照明分区）：洞外引道照明、出口段照明、临近段照明、中间段照明、过渡段照明、出口段照明。城市隧道的每一个照明分区的设计都有自身的要求，在开展设计的时候要严格按照标准进行计算和设计。部分城市隧道的接近段照明在进行设计的时候可以适当地种植一些常青树或加大周边的绿化面积，主要的目的是为了实现人工减光。还有一种方式是在隧道的上方设置一些天然的减光栅格，以此实现过渡，缓解隧道的“黑洞”和“白洞”效应。这两种方式可以降低照明灯具的安装，减少在隧道在运行过程中的能源消耗。

图3 隧道照明分区

2.2 灯具布置

隧道内部的灯具布置要保障驾驶员在对车辆进行驾驶时其视觉的舒适性，以此去消除因为视觉变化和刺激产生的交通安全事故。灯具的布置要根据照明的分区进行设置，中间段照明灯具可以采用带状分布的方式，将其安装在城市隧道的顶部，也可以采用两侧对称等布置方式，特别注意灯具的布置应该是贯穿隧道全程的，另外还要在这一区域设置一些应急照明的灯具，避免因为灯具损坏影响到驾驶员的视线。而隧道内部灯具的间距在进行设计时也要考虑到其闪烁的频率，要确保低于2.5赫兹或高于15赫兹。而出入口段照明和过渡段照明主要是由基本照明和加强照明组成，其中加强照明在进行灯具的选择和布置时需要选用大功率的灯具，并根据灯具的功率不同去设置安装的间距，从隧道口向中间照明区的灯具安装间距逐渐加宽，亮度逐渐降低，以此去保障行车的安全性。

2.3 灯具控制

照明灯具主要的控制方式是手动、定时、遥控等，而我国的隧道照明主要是通过光控的方式，也就是利用照明探测仪对洞外的亮度进行模拟，然后将其输送到pc监控机上，再由其对隧道内部的亮度进行调整。其中不同照明区域的调光要求也各不相同，例如，城市隧道与外界的过渡段照明需要根据隧道外的亮度进行分级调控，像夜间时过渡段照明的加强照明灯具可以不开，有效节省运行的能耗。主流的LED隧道照明智能控制系统有回路调光控制系统、RS485控制系统、电力载波控制系统。城市隧道对照明稳定性要求较高，多为长距离线性分布，采用回路调光控制系统较为常见（图4智能照明调光控制系统）。通过对外界光环境监测，车流量判断，按需求对灯具进行控制。

图4 智能照明调光控制系统

2.4 照明系统节能设计

城市隧道中照明系统处于长期运行状态，对照明系统的节能设计，是实现节能减排的措施方法。在进行城市隧道的照明系统的设计时，严格遵守照明相关标准，合理布置灯具、选择灯具功率，同时对灯具选择是，还需要从隧道特定环境下的光效、光通量、光衰减、寿命、光色和显色性、成本要求进行综合确定。在保障隧道照明可靠性的同时进行节能设计。目前多会应用节能LED灯，通过对节能灯具和灯源量的控制降低照明系统中的电能消耗。

3 隧道监控系统的设计

城市隧道监控系统的合理设计以确保隧道安全畅通的运营、人身安全，提高隧道防灾、消灾以及车辆通行能力和优化管理等为根本目的，并确立“以人为本”的隧道科学化使用、维护和管理原则，系统按照具有可靠性、先进性、开放性、扩展性、合理性的模式搭建，为将来的整座城市的智能交通系统实施做好技术准备。同时必须具有高速、实时、可靠地检测隧道内如交通、设备运行状态以及各种事故、灾害的能力，还能掌握各类管理信息，及时作出有效的措施。根据隧道等级条件及城市隧道运维、管理条件，对隧道监控系统（含交通监控系统、视频监控系统、设备监控系统）、火灾自动报警系统、电源及防雷系统等，并考虑信息上传及与其它系统联网接口的预留[5]。

4 结束语

城市隧道已经成为许多城市重要的交通建设组成，隧道电气设计在隧道的建设和运行中有着极为重要的作用，对供配电系统和照明系统进行优化节能设计，不仅可以提升隧道交通的安全性，保证隧道安全畅通还能降低城市运行及管理的成本。合理的隧道监控系统，对城市隧道安全管控，并能防灾及快速处理，防止灾情蔓延，保障生命及财产不受损害。城市隧道供配电及照明通过管理措施和技术措施节能，利用新设备、新工艺、新技术的设计技术措施，通过加强用电管理和考核工作，挖掘节电潜力，减少电能浪费等管理措施节能方法，提升城市隧道经济及社会效益，保障城市交通安全。