邢榮軍，徐 湃, 蔣樹屏，陳 豪

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

交通隧道遠(yuǎn)程變頻通風(fēng)技術(shù)研究*

邢榮軍1，徐 湃1, 蔣樹屏2，陳 豪2

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

交通隧道通風(fēng)的主要作用是以最小的能耗達(dá)到隧道運(yùn)營(yíng)的安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，并且保持風(fēng)機(jī)壽命的最大化。通過(guò)分析變頻調(diào)速技術(shù)的電能消耗理論與節(jié)能原理，從該技術(shù)存在問(wèn)題入手，詳細(xì)研究了存在問(wèn)題的本質(zhì)，提出了遠(yuǎn)程變頻通風(fēng)節(jié)能的新技術(shù)。試驗(yàn)分別驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)某兩種品牌變頻器加裝濾波裝置驅(qū)動(dòng)射流風(fēng)機(jī)，結(jié)果表明：濾波裝置抑制過(guò)電壓和波形整形效果明顯。在變頻器輸出端加裝濾波裝置可使變頻器長(zhǎng)距離在任意頻率下驅(qū)動(dòng)射流風(fēng)機(jī)，從而達(dá)到隧道風(fēng)機(jī)節(jié)能、可靠、平穩(wěn)地運(yùn)行，不但降低了噪聲和振動(dòng)，還延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)的使用壽命。最后，通過(guò)1∶1實(shí)體隧道試驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。

隧道工程；遠(yuǎn)程變頻；通風(fēng)節(jié)能；濾波；實(shí)體試驗(yàn)

我國(guó)的公路隧道事業(yè)在進(jìn)入21世紀(jì)的10年來(lái)，逐漸穿越崇山峻嶺，向離岸深水區(qū)延伸[1]。經(jīng)過(guò)十多年大規(guī)模的建設(shè)，隧道運(yùn)營(yíng)管理的任務(wù)變得十分艱巨，其節(jié)能問(wèn)題也越發(fā)突出[2-5]。研究既能夠保障行車安全，又可以降低隧道運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，特別是降低高速公路隧道通風(fēng)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的運(yùn)營(yíng)策略，成為眾多專家、科研人員和高速公路建設(shè)與管理人員亟待解決的技術(shù)難題。

變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，為解決這一問(wèn)題提供了有效的方法。變頻調(diào)速技術(shù)能夠保證隧道通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性、可靠性和節(jié)能性。在降低運(yùn)行噪聲和振動(dòng)，減少通風(fēng)設(shè)備機(jī)械沖擊的同時(shí)，又延長(zhǎng)了通風(fēng)設(shè)備的使用壽命。

近年來(lái)相關(guān)學(xué)者開(kāi)始嘗試將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在公路隧道領(lǐng)域。趙忠杰等[6]在隧道通風(fēng)控制中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)設(shè)備的變頻無(wú)級(jí)調(diào)速和軟啟動(dòng)；結(jié)果表明：變頻調(diào)速技術(shù)在公路隧道通風(fēng)設(shè)備中具有較高的適用性[7-8]。劉春成等[9]結(jié)合公路隧道通風(fēng)風(fēng)阻特性曲線和風(fēng)機(jī)特性，分析了變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能的基本原理，并討論了其應(yīng)用的可行性。相關(guān)學(xué)者雖然嘗試將變頻器應(yīng)用于隧道通風(fēng)中，但在實(shí)際隧道中卻少有應(yīng)用。究其原因，變頻器很難長(zhǎng)期在隧道內(nèi)惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行?？紤]將變頻器置于隧道外的配電室中，由于驅(qū)動(dòng)電纜過(guò)長(zhǎng)，將對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)和電纜造成損壞，嚴(yán)重時(shí)可能擊穿風(fēng)機(jī)內(nèi)部絕緣層和電纜爆裂。

因此，筆者針對(duì)隧道中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)存在的問(wèn)題及解決方法進(jìn)行了研究，以達(dá)到通風(fēng)控制的無(wú)級(jí)調(diào)速，高效、節(jié)能的目的。

1 隧道變頻通風(fēng)原理及存在的問(wèn)題

1.1 基本原理

變頻調(diào)速技術(shù)相比傳統(tǒng)的臺(tái)數(shù)控制方式，具有如下優(yōu)點(diǎn)：① 可使得電機(jī)進(jìn)行連續(xù)調(diào)速，并且操作者可選擇最佳運(yùn)行速度；② 電機(jī)啟動(dòng)電流小，不會(huì)對(duì)電機(jī)的絕緣層造成損傷，因而可增加設(shè)備的使用壽命，低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)還可定轉(zhuǎn)矩輸出；③ 運(yùn)行的最高速度不受電源因素的影響，即最大工作輸出能力不會(huì)受到電源頻率及諧波等因素的影響。

在各種變頻調(diào)速技術(shù)中，變壓變頻調(diào)速技術(shù)由于其具有性能好、效率高等特點(diǎn)，因而應(yīng)用十分廣泛。同時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)定子通過(guò)電流的頻率和電壓，是變壓變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)形式。其在轉(zhuǎn)差功率不變的情況下，機(jī)械性能又能得到平行的移動(dòng)，因而成為當(dāng)前交流調(diào)速技術(shù)主要的發(fā)展方向。輸入電源頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系可用式(1)表示：

(1)

式中：f為輸入電源頻率，Hz；s為轉(zhuǎn)差率；p為電極對(duì)數(shù)；n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；n0為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；Δn為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速之差。

由上述原理可知：只要平滑的改變輸入電機(jī)定子繞組電流的頻率f，就可使得電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n得到平滑的調(diào)節(jié)。

由電機(jī)學(xué)和流體力學(xué)原理出發(fā)，可得出風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)與輸入電流頻率之間的關(guān)系如式(2)：

(2)

式中：Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，H為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，P為風(fēng)機(jī)功率，f為輸入電源頻率。

風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量與輸入電流的頻率成正比，風(fēng)壓與輸入電源頻率的平方成正比，風(fēng)機(jī)消耗的功率與輸入電源頻率的立方成正比。通過(guò)變頻技術(shù)改變風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)量為80%時(shí)，功率為72%；當(dāng)風(fēng)量為40%，功率為25%。顯然，節(jié)能效果顯著。

圖1為上述兩種運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的電力消耗對(duì)比結(jié)果；其中曲線1所閉合的空間即使傳統(tǒng)臺(tái)數(shù)控制模式下的通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)能耗，而曲線2閉合的空間則是變頻控制模式下的運(yùn)營(yíng)能耗，其差值即陰影部分就是兩種控制方法之間的能耗差，即節(jié)能的效益。由此可見(jiàn)，目前國(guó)內(nèi)通常使用的有級(jí)調(diào)節(jié)風(fēng)量控制模式有著較大的節(jié)能潛力可以挖掘。

圖1 電力消耗對(duì)比Fig. 1 Comparison diagram of power consumption

1.2 隧道通風(fēng)變頻調(diào)速存在的問(wèn)題

1.2.1 變頻器無(wú)法適應(yīng)隧道內(nèi)運(yùn)行環(huán)境

作為一種特殊交通形式的公路隧道，由于隧道內(nèi)的灰塵大、空氣潮濕、流通不暢且?jiàn)A雜各種汽車尾氣的惡劣環(huán)境，無(wú)法使機(jī)電設(shè)備(變頻器)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行[10]。如甬臺(tái)溫高速公路大溪嶺隧道于1998年建成通車，運(yùn)行時(shí)間不到10年，由于監(jiān)控設(shè)備的大面積損壞不得不在2005年進(jìn)行升級(jí)改造。上三高速盤龍嶺1號(hào)隧道、盤龍嶺2號(hào)隧道、任胡嶺隧道于2011年對(duì)通風(fēng)控制系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)及交通監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)備改造，距離建成通車的2000年也僅僅為10年時(shí)間。從以上工程實(shí)施的情況來(lái)看，如果將變頻器直接置于隧道中，受隧道內(nèi)惡劣的環(huán)境影響，變頻通風(fēng)設(shè)備無(wú)法滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

1.2.2 變頻器遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)存在負(fù)面效應(yīng)

若將變頻器置于隧道外的配電室內(nèi)，能夠很好地解決由于運(yùn)行環(huán)境問(wèn)題導(dǎo)致的變頻器功率開(kāi)關(guān)器件損壞問(wèn)題。此時(shí)，變頻器和通風(fēng)機(jī)之間必須安裝足夠長(zhǎng)的電纜來(lái)為風(fēng)機(jī)提供電能，這將使得電機(jī)端存在過(guò)電壓從而損壞風(fēng)機(jī)，變頻器輸出端存在過(guò)高dv/dt，零序電壓、共模漏電流嚴(yán)重，高次諧波污染電網(wǎng)等問(wèn)題。

2 隧道遠(yuǎn)程變頻通風(fēng)問(wèn)題的本質(zhì)

2.1 變頻器輸出過(guò)高的dv/dt

在電壓源型兩電平交流變頻系統(tǒng)中，變頻器輸出的PWM電壓信號(hào)，為一系列近似方波的脈沖信號(hào)，其寬度呈周期性變化。對(duì)于隧道變頻通風(fēng)系統(tǒng)來(lái)講，由于變頻器和風(fēng)機(jī)距離過(guò)長(zhǎng)，由此產(chǎn)生的dv/dt=20 000 V/μs；過(guò)高的dv/dt不僅會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的內(nèi)部絕緣系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，而且還會(huì)使得傳輸電纜產(chǎn)生爆裂。

過(guò)高的dv/dt對(duì)電動(dòng)機(jī)造成的危害主要體現(xiàn)在：① 在電機(jī)鐵芯疊片中產(chǎn)生渦流，增加熱損耗；② 高頻電磁振蕩頻率與零部件固有頻率相近時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械共振和噪聲。

2.2 三相電壓U，V，W之和不為0

在PWM的控制模式下，盡管變頻器的三相輸出ABC之間相位相差120°，其和并不為0，從而導(dǎo)致產(chǎn)生很高的共模電壓，也稱為零序電壓。其幅值為±UDC/6和±UDC/2，且隨著開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通狀態(tài)的不同而不斷跳變。這種跳變導(dǎo)致零序電壓為一種高頻信號(hào)，其頻率為變頻器開(kāi)關(guān)頻率的6倍。

由于這種高頻的共模電壓存在，給變頻調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)如下兩種危害。

1)由于高頻寄生電容在電機(jī)內(nèi)部廣泛存在，這種零序電壓和寄生電容的相互耦合作用，使得電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生軸電壓。當(dāng)電機(jī)接地不良時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電擊事故的發(fā)生。此外，當(dāng)軸承潤(rùn)滑劑的絕緣電壓閾值小于軸電壓時(shí)，會(huì)感應(yīng)出軸電流從而使得電機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑劑發(fā)生不利的化學(xué)變化。這種化學(xué)變化會(huì)導(dǎo)致軸承座圈的壽命降低。

2)由于雜散電容和寄生耦合電容的存在，將產(chǎn)生共模漏電流。這種共模漏電流通過(guò)相互之間的耦合作用流入大地，稱之為漏電流。這種漏電流不僅造成電能的浪費(fèi)，而且一旦通過(guò)接地導(dǎo)體進(jìn)入電網(wǎng)中，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成共模電磁污染。

2.3 長(zhǎng)線電纜帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)

當(dāng)變頻器遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)隧道風(fēng)機(jī)時(shí)，由于傳輸電纜長(zhǎng)達(dá)3 km。因此，可將變頻器端輸出的脈沖PWM信號(hào)看作在長(zhǎng)線電纜上傳輸?shù)男胁?。這種行波在風(fēng)機(jī)端產(chǎn)生反射并返回至變頻器端，入射波和反射波的反復(fù)疊加，使得在風(fēng)機(jī)端的電壓加倍，從而使得風(fēng)機(jī)端產(chǎn)生過(guò)電壓。產(chǎn)生過(guò)程如圖2。

圖2 射流風(fēng)機(jī)端產(chǎn)生的波動(dòng)電壓Fig. 2 Fluctuation voltage diagram of jet fan side

這個(gè)過(guò)電壓包括共模過(guò)電壓和差模過(guò)電壓，共模過(guò)電壓使上述負(fù)面效應(yīng)加重，差模過(guò)電壓使電機(jī)絕緣提前老化，電纜爆裂，長(zhǎng)電纜負(fù)面效應(yīng)如圖3。

3 隧道遠(yuǎn)程變頻通風(fēng)問(wèn)題解決方案

變頻器遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)隧道風(fēng)機(jī)將產(chǎn)生一系列的危害。一種解決方法是采用適用于PWM的特殊電動(dòng)機(jī)，顯然這在實(shí)際應(yīng)用中是不現(xiàn)實(shí)的；另一種方案是在風(fēng)機(jī)端加裝濾波器，即在風(fēng)機(jī)端并聯(lián)一組一階電阻電容濾波器。電容對(duì)于快速變化的脈沖信號(hào)呈現(xiàn)短路狀態(tài)，可以過(guò)濾掉高頻的雜散信號(hào)。按照電纜理論，在電纜被它的特征阻抗中斷的情況下，電纜的末端電壓將和電源電壓相等。但由于這種濾波裝置接在電動(dòng)機(jī)端，變頻器輸出的雜波仍然存在，屬于治標(biāo)不治本的辦法。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者采用了一種新型的濾波裝置。該濾波裝置為低通濾波器，由阻尼電阻、旁路電容和輸出電感組成。該濾波裝置使得低頻的基波電流傳送至電動(dòng)機(jī)端，而將高頻的諧波電流旁路，從而達(dá)到濾波的目的。在風(fēng)機(jī)端的電流和電壓波形接近于正弦波，不但瞬時(shí)過(guò)電壓沒(méi)有在電動(dòng)機(jī)的繞組上發(fā)生，不會(huì)產(chǎn)生額外的損耗，而且降低了電動(dòng)機(jī)的噪聲。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析研究

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)采用某兩種型號(hào)變頻器；公路隧道用射流風(fēng)機(jī)，功率：15 kW，出風(fēng)方向：雙向。試驗(yàn)原理如圖4。利用上述兩種型號(hào)變頻器，電纜長(zhǎng)度分別為100，200，500，1 000 m，變頻器輸出頻率分別為20，30，40，50 Hz時(shí)，加裝新型濾波裝置驅(qū)動(dòng)射流風(fēng)機(jī)。

圖4 試驗(yàn)原理Fig. 4 Experiment principle diagram

4.1 距離對(duì)系統(tǒng)電參數(shù)的影響

試驗(yàn)對(duì)兩種變頻器不同距離和頻率的電壓、泄漏電流、波形等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)測(cè)電壓參數(shù)如表1，不同距離的電壓參數(shù)如圖5。

表1 不同距離的電壓特性參數(shù)

圖5 不同距離的電壓參數(shù)Fig. 5 Voltage parameters of different distances

由表1及圖5可見(jiàn)，對(duì)于試驗(yàn)中選定的兩種變頻器，當(dāng)距離風(fēng)機(jī)分別為100，300，1 000 m時(shí)，不同頻率(20，30，40，50 Hz)對(duì)應(yīng)電壓參數(shù)在±5 V間波動(dòng)，在系統(tǒng)容許的誤差范圍之內(nèi)，能夠滿足系統(tǒng)的需求。

4.2 距離對(duì)泄漏電流的影響

實(shí)測(cè)電壓參數(shù)如表2。

表2 不同距離的泄漏電流特性參數(shù)

由表2可知：隨著距離的增加，兩種變頻器的泄漏電流呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在距離為1 000 m時(shí)兩者均達(dá)到最大值。兩者的最大值均小于2.3A，在系統(tǒng)的容許范圍之內(nèi)，因此能夠滿足系統(tǒng)的需求。

4.3 電壓波形分析

濾波器輸入端和風(fēng)機(jī)端波形如圖6。

圖6 變頻器30 Hz電壓波形Fig. 6 30 Hz voltage waveform diagram of the inverter

由圖6(a)可見(jiàn)：曲線1為電動(dòng)機(jī)端電壓波形圖；曲線2為變頻器輸出端電壓波形圖。變頻器輸出端電壓毛刺嚴(yán)重，尖峰電壓最大值超過(guò)工頻電壓的3倍。而電動(dòng)機(jī)端電壓則為波形較好的正弦波。

由圖6(b)可見(jiàn)：曲線2為電動(dòng)機(jī)端電壓波形圖；曲線1為變頻器輸出端電壓波形圖。變頻器輸出端電壓毛刺嚴(yán)重，尖峰電壓最大值超過(guò)工頻電壓的3倍。而電動(dòng)機(jī)端電壓則為波形較好的正弦波。

由以上分析可知，筆者所采用的系統(tǒng)能夠很好地將變頻器輸出的電壓毛刺和尖峰電壓濾除，達(dá)到波形平滑的目的。

5 結(jié) 論

以最小的運(yùn)營(yíng)成本，保持隧道內(nèi)良好的衛(wèi)生條件，并且使得風(fēng)機(jī)壽命的最大化，一直以來(lái)是隧道管養(yǎng)部門最為關(guān)注的問(wèn)題。筆者針對(duì)此問(wèn)題展開(kāi)了系統(tǒng)研究，主要結(jié)論如下：

1)通過(guò)對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)電能消耗理論的分析，從理論上研究了隧道變頻通風(fēng)節(jié)能的可行性。

2)針對(duì)隧道遠(yuǎn)程變頻技術(shù)存在的問(wèn)題，研究了存在問(wèn)題的本質(zhì)，給出了解決此問(wèn)題的詳細(xì)思路。

3)通過(guò)1∶1實(shí)體隧道試驗(yàn)，分別驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)某兩種品牌變頻器加裝濾波裝置驅(qū)動(dòng)射流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效果。結(jié)果表明：濾波裝置抑制過(guò)電壓和波形整形效果明顯。

4)在變頻器輸出端加裝文中所述濾波裝置可使變頻器長(zhǎng)距離在任意頻率下驅(qū)動(dòng)射流風(fēng)機(jī)，從而達(dá)到隧道風(fēng)機(jī)節(jié)能、可靠、平穩(wěn)運(yùn)行的目的。不但降低了噪聲和振動(dòng)，且能夠在取得顯著節(jié)能效果的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)和無(wú)級(jí)調(diào)速，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的使用壽命。因而，該技術(shù)具有很好的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

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(責(zé)任編輯：劉 韜)

Ventilation Technology of Long-Distance Inverter in Traffic Tunnel

XING Rongjun1, XU Pai1, JIANG Shuping2, CHEN Hao2

(1.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 2. China Merchants Chongqing Communications Research & Design Institute Co., Ltd., Chongqing 400067, P. R. China)

The main function of traffic tunnel ventilation is to minimize the energy consumption to achieve the safety and health standards of tunnel operation, and to maintain the lifetime of the fan as long as possible. Firstly, the energy-consuming theory and the energy-saving principle of variable-frequency and speed-regulation technology were analyzed. And then, based on the problem occurred in the above technology, the essence of the problem was studied in detail. Therefore, a new technology of long-distance variable-frequency ventilation was proposed. Two kinds of inverters with domestic brands were equipped with the filter devices to drive the jet fan in the test. The results show that the filtering device can restrain the over-voltage and the waveform modification effect is obvious. Installing the filtering device at the inverter output can drive the long distance driving jet fan at any frequency, so as to make the tunnel fan operation energy-saving, reliable and stable. The new technology not only reduces the vibration and noise, but also prolongs the service lifetime of the fan. Finally, the feasibility of the proposed technology was verified by 1∶1 tunnel prototype test.

tunnel engineering; long-distance inverter; ventilation energy-saving; filter; prototype test

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.04

2015-12-21；

2016-02-28

重慶市前沿與應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃(cstc2015jcyjA40056)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1500536)；重慶市社會(huì)事業(yè)與民生保障科技創(chuàng)新專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(cstc2015shmszx30013;cstc2015shms-ztzx30001)

邢榮軍(1981—)，男，陜西渭南人，博士研究生，主要從事隧道遠(yuǎn)程監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)節(jié)能等方面的研究。E-mail：xingrong-12@163.com。

U453.5

A

1674-0696(2017)04-018-05