對穿過長隧洞的用電設備供配電方案分析

喬艷春

（中國電建集團港航建設有限公司，天津 300467）

0.引言

對于低壓用電設備，電氣設計人員在設計供配電方案時，往往會根據用電設備的分布位置和容量大小選擇放射式、鏈式或樹干式配電方式。但對于穿過長隧洞的低壓用電設備，采用以上3種配電方式均不可取。筆者從施工難度和電能質量兩方面考慮，論述對其采用設置局部升壓、降壓變壓器供配電方案的優勢和可行性。

1.用電設備概況

杜伯華水電站位于巴基斯坦西北邊境，工程內有一條長約5km的飲水隧洞，洞高約4m，橫斷面積約14m2。

一電壓等級為380V、額定功率30kW的扒渣機位于隧洞的一端，給扒渣機供電時需要穿過隧洞。從最近的低壓配電柜到扒渣機的電纜全長約5.5km。

2.供配電方案選擇

2.1 常用配電方案

當從低壓配電柜到扒渣機采用常用的放射式配電時，選擇低壓電纜截面時需要注意滿足線路電壓降的要求。在計算電壓降時，要分正常運行工況和電動機啟動工況兩種情形。

依據GB 50052《供配電系統設計規范》5.0.4條：正常運行情況下，電動機端子處電壓偏差允許值為電動機額定電壓的±5%[1]。依據此條規范，整條扒渣機配電線路的電壓損失不能超過5%才能滿足電能質量的要求。

查《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》表9.4-3線路的電壓降計算公式可知：

線路電壓損失百分數：

上式中，△ua%—三相線路每1A.km的電壓損失百分數；I—電動機電流，A；l—電纜長度，km。

已知電動機額定功率P=30kW,則額定電流

In=P/√ 3Ucosφ=30/(√ 3＊0.38＊0.8)≈ 57A;

另外把電纜長度l=5.5km，△u%=5%，代入式1，則在正常運行情況下，當滿足線路電壓降要求時，

假設低壓電纜選擇1kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜，查《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》表9.4-19：當cosφ=0.8時，△ua%最小為0.054[2]，此時對應的電纜截面為240mm2。若采用放射式配電方式，在必須滿足式3的前提下，則至少要采取四根截面為240mm2的電纜并聯，才能使扒渣機端子處的電壓偏差在正常運行情況下滿足標準規范的要求。

另外，扒渣機在啟動時，一般要求電壓降不宜低于15%。若此時扒渣機啟動電流Ist按6倍額定電流考慮，則式2變為：

對于1kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜，若滿足式5，則需要至少7根截面為240mm2的電纜并聯。

綜上所述，當從低壓配電柜到扒渣機采用放射式配電方式時，在同時滿足電動機正常運行和啟動兩種電壓降要求下，扒渣機配電線路需要采用7根截面為240mm2、長度為5.5km的1kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜并聯供電。

2.2 本項目采用配電方案

針對穿過長隧洞的扒渣機，本項目實際采用的是在隧洞兩端分別設置升壓、降壓變壓器的配電方式，示意圖如圖1。

圖1 扒渣機供配電方案示意圖

2.2.1 選取變壓器容量

圖1中，變壓器選用防水防塵戶外式干式變壓器，掛裝于隧洞兩端出口處。鑒于扒渣機額定功率為30kW,計算視在功率S=P/cosφ=30/0.8=37.5kVA。

依據《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》第484頁表6.5-4注3，本項目中變壓器容量應大于電動機容量，且比電動機容量大15%～30%[2]。計算變壓器容量：

ST=37.5×1.15～37.5×1.3=43.125～48.75kVA

查變壓器樣本，升壓變壓器規格選為：0.4/6.3kV 50kVA；降壓變壓器規格選為：6.3/0.4 kV 50kVA。

2.2.2 選取低壓電力電纜截面

選擇低壓電力電纜截面時，先計算線路的電壓降。在工程中采取粗略計算，將從低壓配電室到升壓變壓器和從降壓變壓器到扒渣機的電纜長度均按0.3km考慮，按正常運行情況下核算線路電壓損失，則：

△ua%×57×0.3≤5→△ua%≤0.292

查《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》表9.4-19，當cosφ=0.8時，電纜截面S=35mm2時，△ua%=0.249[2]滿足要求。

核算扒渣機啟動時的電壓降：

△ua%×57×6×0.3≤15→△ua%≤0.146

查《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》表9.4-19，當cosφ=0.8時，電纜截面S=70mm2時，△ua%=0.134[2]滿足要求。

2.2.3 選取高壓電力電纜截面

對于在隧洞內敷設、連接升壓、降壓兩臺變壓器的高壓電力電纜，在選擇截面時除了要滿足電壓降的要求，還要進行短路熱穩定校驗。由于本項目變壓器容量僅為50kVA，且電纜長度只有5km，根據以往項目經驗，只要高壓電力電纜的截面通過了熱穩定校驗，即可滿足電壓降的要求。

按短路熱穩定條件計算電纜允許的最小截面：

上式中：Ik—短路電流周期分量起始有效值；t—短路持續時間；C—電纜的熱穩定系數。

本項目400V低壓母線處短路容量約為93.5MVA。鑒于從低壓配電柜到扒渣機專用升壓變壓器之間的電纜長度較短，忽略此段線路的電抗和電阻，進行高壓電力電纜短路熱穩定校驗時，按低壓母線處的短路容量進行短路電流粗略計算。

則升壓變壓器高壓側的短路電流Ik=93.5/(√3×6.3)=8.57kA。查《工業與民用供配電設計手冊（第四版）》表5.6-7，銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜C值為137×102；短路持續時間按1s考慮，將以上數據代入式6：

則高壓電力電纜的截面選為70mm2。

3.供配電方案比較

在設計階段，筆者查詢電動機樣本發現30kW電動機電纜進線接口尺寸僅適用于外徑為φ22mm～φ32mm的電纜進線。而截面為240mm2的7根1kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜并聯，顯然無法直接接線。若采用放射式配電方式，則可在扒渣機附近設置就地控制柜。但就地控制柜進線端和低壓配電柜出線端都需要特殊定制接線端子。另外，7根5.5km長的五芯240mm2低壓電力電纜并聯敷設至扒渣機，無論是電纜及其安裝材料的采購成本，還是電纜施工所需的人工成本均是一筆很大的花費。而且多根大截面電力電纜在隧洞內并聯敷設安裝，施工難度超出想象。

當采用設置局部升壓、降壓變壓器的供配電方案時，低壓配電柜和扒渣機接線端無需進行特殊定制。低壓配電柜到升壓變壓器之間和降壓變壓器到扒渣機之間都采用五芯70mm2低壓電力電纜，總長度約為0.5km。兩臺變壓器之間采用長度為5km的三芯70mm2高壓電力電纜，再加上兩臺50kVA升壓、降壓變壓器的設備采購費和安裝費，所有投資成本合計起來還不及7根5.5km長的五芯240mm2低壓電力電纜的采購和安裝費用。另外采用此方案時，僅需要在隧洞內敷設一根高壓電纜，大大降低了施工難度。

4.結論

對于穿過長隧洞的用電設備宜采用設置局部升壓、降壓變壓器的供配電方案。

作為電氣設計人員，在進行供配電方案設計時要多方考量。針對比較特殊的用電設備，要在綜合評估方案的可行性、投資成本和施工難易的情況后選擇出最優的供配電方案。