隧道横洞变电所环境的降温设计与实现

摘要 高速公路隧道内环境恶劣，由于各类粉尘、油污等污染物的附着，隧道横洞变电所通风系统故障频发，从而导致环境温度过高，进一步加速了各类供配电设备及通信设备的损坏，对隧道运营造成了极大的安全隐患。文章分析了高温环境对设备的主要影响，研究设计了隧道横洞变电所的通风降温系统。该系统通过设置机械通风过滤设备，实现隧道变电所内环境净化及降温等功能，已在G5京昆高速秦岭2号隧道变电所内进行实际应用。

关键词 高速公路隧道;通风过滤;变电所降温

中图分类号 U453 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）12-0044-03

收稿日期：2022-04-15

作者简介：石静文（1989—），女，硕士研究生，工程师，从事交通工程机电设计工作。

0 引言

高速公路隧道通常在洞口以及洞内横洞处设有隧道变电所或者箱式变电站，保障隧道机电系统如监控系统、通风系统、照明系统以及消防系统等的日常供电。隧道内横洞变电所由于其特殊地理位置，变电所内粉尘污秽较多，环境污染严重。现有横洞内变电所多设置简单的通风设备，隧道内多种污染物造成变电所的通风设备损坏，未经过滤的空气直接进入变电所，造成室内设备快速损坏[1]。同时，通风设备的损坏造成隧道横洞变电所内通风不畅，夏天温度较高，高温环境对变电所设备的散热很不利，加速设备的老化，严重影响设备的使用寿命。因此，该文结合工程实际，对隧道横洞变电所的通风降温方法进行介绍。

1 变电所现状及分析

1.1 隧道洞内横洞变电所现状

某隧道内横洞变电所距离隧道出口约150 m，面积约146.5 m2，变电所两侧入口大门上方对称设置2套风机，风机采用微电脑时控开关直接控制，开启间隔为1 h。变电所内设干式变压器、开关柜、组合型低压开关柜、UPS柜、EPS柜、蓄电池柜、机电设备服务器以及柜式七氟丙烷气体灭火装置等，如图1所示。

经现场调研，隧道的行车环境较为恶劣，空气中含有油污、灰尘、汽车尾气等，污染物的长期附着造成隧道横洞变电所的通风设备全部故障，如图2所示。冬季实测隧道横洞变电所室内温度均在25℃左右，夏季变电所内温度可达40℃以上。

1.2 变电所的环境要求

根据《20 kV及以下变电所设计规范》（GB 50053—2013）[2]，“6.3.1变压器室宜采用自然通风，夏季的排风温度不宜高于45 ℃，且排风与进风的温差不宜大于15 ℃。当自然通风不能满足要求时，应增设机械通风。”、“6.3.4 配电室宜采用自然通风。设置在地下或地下室的变、配电所，宜装设除湿、通风换气设备;控制室和值班室宜设置空气调节设施”。

变电所主要放置隧道机电设备的供电设备，各设备对运行环境的温湿度要求如表1。

1.3 变电所环境分析

隧道变电所内由于风压差及粉尘污秽较多（金属颗粒物、汽车尾气、轮胎粉尘等），造成现有变电所的排风机在这样的工况状况下快速损坏，导致隧道变电所内通风不畅，温度过高。高温的主要影响如下：

1.3.1 对设备的影响

设备在使用过程中内部损耗使设备本身具有一定的温度。周围环境温度过高，或空气流动性差，设备的热量不能及时散开，导致设备由于过热跳闸，甚至烧坏设备。配电箱内的电子产品如电流动作保护器、电子型计量表，在高温下运行会严重影响产品的使用寿命，影响保护器性能的稳定性和动作的可靠性以及计量的准确性。在高温下运行的无功补偿电容器、熔断器也会缩短寿命。

1.3.2 对导体材料的影响

温度升高，金属材料软化，机械强度将明显下降。如铜金属材料长期工作温度超过200 ℃时，机械强度明显下降。铝金属材料的机械强度也与温度密切相关，通常铝的长期工作温度不宜超过90 ℃，短时工作温度不宜超过120 ℃。

1.3.3 对电接触的影响

电接触不良是导致许多电气设备故障的重要原因，而电接触部分的温度对电接触的良好性影响极大。温度过高，电接触两导体表面会剧烈氧化，接触电阻明显增加，造成导体及其附件（零部件）温度升高，甚至可能使触头发生熔焊。由弹簧压紧的触头，在温度升高后，弹簧压力降低，电接触的稳定性变差，容易造成电气故障。

13.4 对绝缘材料的影响

温度过高，有機绝缘材料将会变脆老化，绝缘性能下降，甚至击穿，材料的使用寿命也将缩短。例如，A级绝缘材料在一定温度范围内，每增加8～10 ℃，材料的使用寿命约缩短50%。因此对电机类设备存在较大影响。

1.3.5 对电子元器件的影响

高温影响电子元器件工作，如高温可使半导体元件热击穿，因为温度升高，电子激活程度加剧，使本来不导电的半导体层导通。高温使电子元器件的性能变差，如在偏高的温度下，电子元件的反向导向导电电流增加、放大倍数减小等。

2 改造方案

2.1 总体方案

为了保证变电所内机电设备的正常运行，首先需要对变电所内部环境进行清洁。同时对变电所进行防尘堵塞，确保防尘效果。同时，为了改善隧道横洞变电所设备的使用环境，须对变电所内通风降温设备进行改造。

主要技术措施：

针对横洞变电所的现状，该次设计通过以下措施实现变电所环境的改善：

（1）采用机械通风方式为横洞变电所通风降温，通风系统设置灰尘过滤装置。

（2）加强设备柜及变电所门框防尘密封效果。

2.2 通风过滤系统的改造

2.2.1 通风过滤系统配置

该设计在各变电所安装一套通风过滤系统，通过将配电室外部（主洞环境较好的隧道端）冷空气经进风口[3]及除尘装置过滤后通过送风机直接送入配电横洞，通过通风管道直接到达配电室高温区域（如变压器柜所在区域），在变电所内循环降温，再经排风口排风。

通风过滤系统包括进风过滤装置、除尘引风机、送风管道、出风口、现场控制器以及温度传感器等。其中进风过滤装置含两级过滤装置，一级气动斡旋过滤装置主要针对灰尘颗粒较大的空气进行处理，二级滤芯过滤装置针对颗粒较小的微粒进行吸附，滤芯定时更换，达到送风净化的效果。通风过滤设备采用机械和静电净化双重净化装置，使进入室内的空气达到90%的净化。温度传感器安装在设备容易发热的位置。

为避免通风过滤装置导致横洞变电所内风压过高的问题，在隧道横洞墙壁上开孔后安装排风机作为通风过滤系统的排风口，排风口排风机可根据变电所内外风压差自动开启或关闭（变电所内风压>隧道主洞风压时，排风机打开，否则关闭），也可通过手动控制的方式开启或者关闭。

横洞变电所在隧道环境较好的方向设置进风口，对向方向设置排风口。

2.2.2 通风过滤系统控制

通风过滤系统采用全自动温控系统管理，支持远程控制、现场自动控制以及手动控制三种方式，实时对比变电所内外环境温度。隧道管理站可实现横洞内的通风过滤系统的启停;现场控制器根据现场温度传感器启停，在隧道变电所外和变电所内均设置温度传感器，室外温度高于室内温度时，通风过滤装置停止工作;室内任意1组温度传感器检测温度超过35 ℃（可调，回差±5 ℃）时，通风过滤装置开始工作，将隧道主洞空气经过滤后回注变電室内，内部风机循环到整个变电所内部，改善变电所内部环境。

隧道管理站管理计算机上安装对应通风过滤系统的控制软件，实现隧道横洞变电所通风过滤系统的远程控制。控制系统具备以下功能：

（1）多路采集：周期性读取各路传感器的采集数据。

（2）数据转换：按照所测量的物理量要求支持数据转换。

（3）数据存储：上位机对读取的数据全部保存，建立相应数据库，并支持报表输出。

（4）操作权限：通过设置口令实现软件操作的分级权限。

（5）数据回查：支持历史数据以曲线图形式显示，便于查询高、低温的时间周期。

（6）数据监测：监测进风口温度及室内环境温度差，支持实时温度变化曲线。

（7）报警功能：提供温度超限等越限预警;提供系统界面弹出、蜂鸣等多种告警方式。

（8）控制方式：远程设置和现场手动控制温控装置预警阈值、工作阀值和告警方式。

同时，通风过滤系统与隧道火灾探测报警系统实现联动，隧道主洞发生火灾时，该系统关闭通风过滤系统，避免隧道主洞内火灾烟雾侵入变电所。

2.3 变电所内及设备清洁和门缝隙封堵

变电所原有风机工作时，并未进行有效空气过滤，两侧隧道的灰尘、汽车尾气进入变电所内，造成室内设备严重污染，灰尘较大，需进行如下工作：

（1）对变电所内部空间以及室内电力设备、应急电源设备及通信设备等设备灰尘清洁。

（2）根据变电所实际情况采用防火密封条（或材料）对变电所门框周边以及电缆沟进行密封处理，防止灰尘进入。

3 系统实际应用与效果

该方案在京昆高速西汉段秦岭2号隧道3号变电所已试点使用，设备实际安装图如图3所示。设备在夏季温度较高的时间中启停规则采用时间控制，上午开启时间9：00—11：30，下午开启时间14：00—17：30。后期使用中主要根据现场环境采集的温度数据调整设备的启停逻辑，根据室内外温度进行启停。经实际调研，夏季变电所温度可达到40 ℃，开启该通风过滤系统之后，变电所平均温度可保持在26 ℃左右，且后期持续降温效果显著。

4 结语

隧道横洞变电所作为隧道内机电设备供配电的基础设施，为隧道的安全运营提供了保障。横洞变电所内环境温度过高会导致变电所内多类设备的加速损坏，存在一定的安全隐患。

该文基于隧道横洞变电所内夏季高温的现状和变电所现有的房建条件及室内设备的运行情况，充分利用隧道横洞变电所现有物理条件，在横洞变电所内增设通风过滤系统，利用隧道主洞风压，将过滤后的冷空气送入变电所，在隧道变电所内实现循环降温效果，为隧道横洞变电所内的设备正常运行提供了环境保障。同时，在运营管理过程中，该系统对横洞内变电所环境的监测提供了科学的管理手段。

参考文献

[1]程达仁， 李振海. 市区高压变电站房封闭式降温系统理论探讨[J]. 建筑节能， 2016（1）：
22-25.

[2]20kV及以下变电所设计规范：
GB50053—2013[S]. 北京：中国计划出版社， 2013.

[3]王林. 户内变电站降温通风数值模拟研究[D]. 南昌：
南昌大学， 2014.

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