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摘 要：公路隧道机电系统的设计，一般都是参照国家有关规范并结合现场斟测的实际情况进行的。但由于系统较庞大，并且每一条隧道都有其地理环境的特殊性，加上所选用设备技术上的局限性与应用中的适应性，因而希望一次设计就把所有问题都解决往往不现实。经过调研，笔者发现不少公路隧道都存在以下问题：1、因电网质量欠佳，造成照明触发器、光源频繁损坏；2、因隧道两端落差较大，造成消防给水管严重漏水；3、因所在地区雷暴强烈，引起机电系统的控制经常出现故障。本文结合盐田坳隧道的维护实践，对以上常见问题提出了技术改造措施：4、采用“三相自动补偿”技术，有效改善电源质量；5、采用新型“减压阀”，有效降低消防水静压；6、实施重点防雷，有效提高控制接口的抗干扰能力。关键词：电网质量 三相补偿 隧道两端高差 减压阀 雷电干扰
- 公路隧道有效地缩短行车里程，提高车辆的通行速度，极大地促进了地区经济的发展。在公路隧道高速发展的同时，在运营管理中也逐步暴露了一些问题。本文从设备维护的角度，结合盐田坳隧道运营管理的实践，对隧道机电系统运行中的若干存在问题谈一些个人的看法，供同行探讨。
1. 照明系统设计中的问题与对策
1.1 基本情况
盐田坳下行隧道在1993年底建成通车。其照明系统由安装在隧道内的2个照明控制箱、9个照明配电箱、883盏高压钠灯，以及设在隧道监控中心的照明控制台组成。在监控中心，可对隧道内照明灯进行睛天、阴天、午夜、傍晚四种方式的照明控制。在隧道内，使用现场照明控制箱也能实现上述四种方式的照明控制。
隧道是高等级公路的特殊路段，当车辆驶入、通过和驶出隧道的过程中，会出现一系列的视觉问题。为适应视觉的变化，《公路隧道设计规范》认为：隧道内不管是白天或夜间均需设基本照明；白天车辆进入隧道时，路面亮度应逐渐下降，使司机的视觉有一个适应过程。按照规范，在选择隧道照明时应考虑4个因素：（1）路面亮度；（2）路面亮度的均匀性；（3）闪烁的防止；（4）眩光的控制。为保证盐田坳下行隧道照明系统的质量，照明灯具选择上，业主方最终选用了当时质量最好的RT3型灯具，并选择了相配套的"亚明"高压钠灯光源。
1.2 故障现象
1994至1996两年间，隧道内的高压钠灯每月都要坏相当数量的一批，维修电工几乎每天都要进隧道更换损坏的钠灯。有时，一个高压钠灯晚上才换上，第二天又损坏了。一个高压钠灯的正常寿命一般是三年，如此频繁损失，业主方的维护费用受不了。RT3灯具结构上分：灯体、侧盖、玻璃、密封件、反光器、灯口、电器室、连接件) 部分。我们从隧道内取回一经常损坏钠灯的灯具，进行研究，发现电器室与钠灯的连线已烧焦。初步断定是连线的绝缘护套质量不过关，从而影响了钠灯的寿命。针对这种情况，我们认为是灯具的质量影响了钠灯的寿命。为此，邀请了设计院与灯具厂家一起就问题进行会诊。厂家对我们的工作相当配合，马上承诺要换掉所有的连线。在厂家支持下，我们对隧道内883盏灯具的连线，全部进行更改。之后，钠灯的使用情况虽然有改善，但仍然有较多的损坏。经过进一步的分析，我们终于发现隧道的供电系统对灯具的性能有很大的影响。盐田坳隧道变配电系统中的400kV.A变电所10kV主接线的受电进线为两路电源同时供电。一路专线引自横岗220kV变电站，另一路引自沙头角110kV变电站。设计上两路电源同时工作，互为备用。横岗专线为农电，费用较贵，我司一般用沙头角方向的供电。但沙头角供电电压不太稳定，白天因一路上负载过多，造成电压偏低（只有180V），而夜间却电压偏高（达240V）。因而，长期使灯具处在非正常工作状态。当电压偏低时，导致触发器频繁产生误触发；当电压偏高时，灯管的功耗倍增。这两方面都严重影响了钠灯的寿命。
1.3 技改对策
1997年底，我们在变电所低压柜的进线端加装了一台中南稳压设备制造公司生产的400kV.A三相自动补偿稳压器，极大地改善了供电电源的质量，彻底解决了高压钠灯寿命短的问题。其特点是：当外界供电网电压波动时，能自动保持输出电压的稳定，无波形畸变、电压调节平衡、控制功能强，负载广泛、能承受瞬时超载，可长期连续工作，设有过压、欠压、相序、缺相等自动保护装置。其结构由三相补偿变压器TB、三相调压变压器TUV、隔离变压器、传动机构、电刷接触系统、箱体和控制系统组成。其工作原理如图1所示：调压变压器TUV的一次绕组接成Y形，连接在稳压器的输出端，二次绕组连接补偿变压器TB的一次绕组，而补偿变压器的二次绕组串联在主电路中。以A相为例，如图2所示。若不计补偿变压器阻抗压降，则UAO=UAI+UAC, UAI是稳压器A相输入电压，UAO是稳压器A相输出电压，UAC是稳压器A相补偿电压。当A相输入电压UAI增加ΔUAI时，补偿电压UAC也相应改变ΔUAC，且UAC=-UAI，使A相输出电压UAO保持不变，B相、C相原理相同。从1997年底至今，因电网质量得到有效改善，盐田坳隧道照明系统彻底解决了钠灯光源频繁被损坏的现象。 -
图1 相补偿电路原理图 图2 三相自动补偿稳压器原理图 -
2. 消防给水设计中的问题与对策
2.1 基本情况
盐田坳下行隧道原消防给水系统包括三部分：
1）设在距高端洞外约350m处山坡上200m3 消防水池；
2）消防给水干管，其中隧道内干管长1420m；
3）隧道内每相隔50m设置有消防栓（配有水枪）。 - 消防给水干管在当初施工时，先是一节一节连成一段，然后再整段放到电缆沟中，最后再将各段干管上的法兰拉紧。没有考虑到干管的膨胀问题。
为保证隧道消防安全，我司要求山上水池的水必须注满。在实际使用中，200m3的水一二天就被漏光。经检查，我们发现干管上一些地方的法兰被拉裂了；并且，低端办公、生活区的水龙头经常损坏；另外，在清洗隧道时，消防栓处的水枪，两三个人都抱不住。
2.2 故障分析
法兰无法密封，是导致漏水的主要原因。法兰之所以难以密封，与干管的膨胀有关系，与消防水的静压也有关系。最根本的原因应该是静压太大，使法兰难以密封，造成消防水严重渗漏。隧道纵坡达3%，两端高差达42m，加上山上水池也有38m高，结果低端办公、生活区的用水静压就达0.8MPa，隧道内消防栓处的供水静压也有0.6~0.7MPa。一旦出现水锤现象，对阀门与水龙头就产生巨大的冲击力，结果造成给水设备很容易损坏。 -
图3 减压阀原理结构图 -
2.3 技改对策
降低消防给水静压，是解决给水干管漏水的关键。在有关专家的指导下，我们大胆采用新型“减压阀”的减压措施。首先，在距高端洞口约300m处加装一个减压阀。该种减压阀是冠龙公司的产品，其特点是：既减动压，又减静压，出口压力不因上游进口压力的变化而改变，也不受下游出水量变化的影响。在高楼分区供水中，这种减压阀被大量使用。其原理结构如图3，所谓减静压，并不是增加能量损失，而是利用减压阀上游和下游的压差，通过水力平衡原理使减压阀处于关闭状态来隔断上下游的联系，从而维持一个较低、稳定的下游压力值。其次，每250m为一段（即每5个消防栓）设一个检修阀门，配波纹膨胀节。目的是为缓冲管路轴向的变化。第三，每段设U型弯头，弯头局部高点设微型排气阀。目的是有效消除水锤冲击。第四，消防栓与干管连接处设置调压板。该技术改造已于1999年完工，我们创造性的技改措施，彻底根治了消防水渗漏的问题。
3. 机电系统防雷设计中的问题与对策
传统的隧道机电设备是采用开关按钮控制方式，这种控制方式，造成隧道电缆沟中敷设了大量的电缆，不仅使相互间干扰增强，也使工程成本上涨。随着计算机技术的发展，人们对隧道机电设备普遍采用计算机技术控制。计算机控制优点明确，只需一条控制总线，就能实现对隧道主要设备的控制，大大节省了电缆的费用。但是，计算机控制也有其缺点，由于其电路板采用大规模、超大规模集成电路元件，在雷电过电压情况下使系统非常脆弱。为了隧道的安全营运，机电系统控制电路的雷电防护问题已显得日益突出。在实施防雷设计中，以下问题要引起重视。
3.1 隧道设备防雷接地方案需优化
1999年，盐田坳上行隧道机电设备的安装进入方案设计阶段。鉴于盐田坳下行隧道在1993年设计时对设备防雷问题未引起重视，系统在投入使用后，从1994至1998年，5年间，隧道机电设备因雷暴破坏，有较严重的损坏。其中闭路电视控制主机MV500，被打坏5次，控制键盘被打坏4次，摄像头被打坏7个，解码器每年都被打坏好几次。通信计算机、火灾报警器、情报显示牌、车辆检测器等都被打坏过。盐田坳收费广场还曾落下罕见的球形雷，随着雷声应落，闭路电视图解闪烁，雷声过后，有几个图解信号消失。所以，在上行隧道设计中，设计院特别强调防雷接地系统必须做好。方案是：隧道内电缆沟每隔30m，打一根深5m的接地极，再用40×4热镀锌扁钢全部进行牢固焊接。因盐田坳隧道所在位置都是花岗岩石，要打5m深度的接地极，施工非常困难，且费用很高，概算就有约200万元。并且，防雷接地还需与保护接地保持一定距离，在狭窄的电缆沟中，这是很难做到的。因而，我司提出隧道内防雷接地借用保护接地的方案。此方案在隧道两端洞口外绿化带下按规范打垂直接地极，并用40×4热镀锌扁钢将两端牢固焊接，中间的扁钢全部焊接在电缆沟内电缆支架上，低端接地极与隧道监控大楼接地装置连接。此方案花费仅需十几万元。上行隧道设备目前已运行一年多，至今未受到强雷暴的破坏。实践证明，防雷接地只是雷电流对地的一个泄放通道，防雷是综合性的，单纯强调防雷接地的重要性，防雷的性能价格比效果并不明显。
3.2 实施"重点防雷"，而非面面俱到
因盐田坳下行隧道机电系统中弱电设备有较多的损坏，我们曾请具有工程与设计资格的专业防雷公司为我们做解决方案。他们作出了一个全面防雷的方案。对电缆沟中进线电缆全部加屏蔽槽，另外接地系统要重新处理，还要安装较多的避雷器。整个方案费用高达170多万元，而我们的闭路电视主机、摄像头、通信计算机等设备费用也只是200万元左右。防雷的造价占了设备造价的80%多，我们自然不能接受。其实，雷电流的串入，主要有三条通道：其一是电源线；其二是信号线；其三是地电位反击。因而，盐田坳上行隧道在考虑防雷方案时，主要重视电源端的防护。在电源进线串接性能较好的进口避雷器，作为一级防雷。在各楼层配电箱处加装国产防雷器，作为二级防雷。重要设备的前端还加装第三级国产电源防雷器。另外，针对机电系统的控制口容易遭雷击损坏，我们在信号线上加装ACD-108/109型光隔离转换器。价格才几百元，却起到很好的防雷作用。这种转换器的特点是：内置的光电隔离器及DC/DC直流变换器，能够提供3500V的隔离电压，内置的快速瞬态电压抑制器（TVS）能有效地抑制闪电和ESD，提供每线600W的雷击浪涌保护功率，有效防止雷击和共地干扰，为点到点、点到多点的通信提供可靠的连接。
3.3 需特别注意系统间的干扰
2001年盐田坳上行隧道机电系统开始投入运行，计算机子系统通信口即遭遇雷击破坏。计算机通信口我们已安装了避雷器，但仍然遭到雷击。究竟是什么原因使避雷器没发挥作用？从受损设备的迹象看，受到了雷电感受就而被损坏。我们翻开防静电地板认真查看，不留意碰了一个计算机子系统的地线，我们发现该地线靠近金属屏蔽槽处产生了约半分钟的电弧放电现象。为什么该地线会带感应静电呢？原来监控中心机房除了新建的隧道机电系统设备外，还有已建好的全线电脑收费系统设备，两系统的地线靠得太近，一旦其中一个系统受到雷电感应，立刻使其地电位抬高，从而对另一系统产生地电位反击。这就形成系统间的干扰。具体原理结构如图4所示。我们的技改措施是：在监控中心机房设均压排，电脑收费系统与隧道机电系统间加装了盾牌防雷公司的等电位连接器，再与均压排可靠连接，确保系统间互不干扰。
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图4 地电位反击 -
我们的经验是，今后凡是存在多个机电系统设备混杂使用情况，要保证设备的安全营运，必须重视等电位设计。
4. 结论
隧道机电系统投资额一般较大，因隧道地理环境的特殊性，往往对系统今后的可靠性影响较大。因此，在方案设计阶段，业主应积极介入，特别是对老隧道的改造设计，业主更应充分发挥主动性，凭借丰富的维护经验，优化方案设计。 -
参考文献
- 1.中华人民共和国行业标准, 公路隧道通风照明设计规范（JTJ 026.1-1999）, 北京：人民交通出版社，1999
2.上海中南稳压设备制造有限公司产品资料
3.上海冠龙阀门机械有限公司产品资料
4.国际电工委IEC1312（防雷电波侵入保护规范）
5. 深圳盾牌防雷技术公司资料 -
（张进县）
