高鐵隧道長(zhǎng)距離施工供電技術(shù)

代炯

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，山西 太原 030024）

隧道施工中，大型用電設(shè)備多、負(fù)荷大、供電質(zhì)量要求高，采用380/220V 供電系統(tǒng)時(shí)，因電力傳輸存在壓降的特性，當(dāng)隧道掘進(jìn)到較長(zhǎng)距離時(shí)，電壓降超過(guò)用電設(shè)備的允許范圍，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常使用，從而影響了隧道正常施工。對(duì)長(zhǎng)大隧道施工而言，如何制定一套方便快捷、經(jīng)濟(jì)適用的供電方案，克服長(zhǎng)距離供電電壓過(guò)低造成的影響，對(duì)施工尤為關(guān)鍵[1]。

1 工程概況

廣湛高鐵大脊山隧道全長(zhǎng)9606m，為全線第二長(zhǎng)隧道，是全線的控制性工程。隧道劃分為隧道進(jìn)口、隧道出口、隧道斜井三個(gè)施工區(qū)段，分別為隧道進(jìn)口負(fù)責(zé)DK137+035～DK139+220 長(zhǎng)度2185m 施工，斜井負(fù)責(zé)1433m 斜井及主線DK139+220～DK140+100（斜井與正洞交叉里程）～DK142+441 長(zhǎng)度3221m 施工，隧道出口負(fù)責(zé)DK142+441～DK146+641 長(zhǎng)度4200m 施工，本文對(duì)大脊山隧道進(jìn)口及出口施工用電進(jìn)行分析。

2 施工用電負(fù)荷

隧道施工主要用電負(fù)荷為空壓機(jī)、通風(fēng)機(jī)、地泵、濕噴機(jī)、電焊機(jī)等設(shè)備，另根據(jù)隧道涌水量情況配備水泵，為加強(qiáng)隧道內(nèi)空氣流動(dòng)配備射流風(fēng)機(jī)，滿足隧道照明布置照明燈具等。

大脊山隧道進(jìn)口用電負(fù)荷為洞外設(shè)置壓入式風(fēng)機(jī)2臺(tái)功率220kW、空壓機(jī)6 臺(tái)792kW，洞內(nèi)設(shè)置射流風(fēng)機(jī)2 臺(tái)74kW、地泵1 臺(tái)90kW、濕噴機(jī)1 臺(tái)70kW、其他用電50kW，總負(fù)荷共計(jì)1296kW。

大脊山隧道出口用電負(fù)荷為洞外設(shè)置壓入式風(fēng)機(jī)2臺(tái)功率264kW、空壓機(jī)7 臺(tái)924kW，洞內(nèi)設(shè)置射流風(fēng)機(jī)6 臺(tái)222kW、地泵1 臺(tái)90kW、濕噴機(jī)1 臺(tái)70kW、其他用電150kW，總負(fù)荷共計(jì)1720kW。

3 出現(xiàn)電壓不足的原因

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，用電設(shè)備端子電壓偏差允許值為額定工作電壓的±5%[2]。實(shí)踐表明，當(dāng)隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到800m 左右時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的狀況，可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法啟動(dòng)甚至電機(jī)燒壞。

式中：Δu——電壓降，V；P——負(fù)載功率，KW；Un——額定電壓，kV；I——負(fù)荷電流，A；Cosφ——負(fù)荷的功率因數(shù)，取0.8；R——線路電阻，Ω；P——線路電阻率，銅0.0175，鋁為0.0283；L——線路的長(zhǎng)度，m。

當(dāng)隧道掘進(jìn)到800m 時(shí)，假設(shè)末端負(fù)荷約為210kW，同期率為0.8，變壓器低壓出線端供電線路原始電壓U 為0.38kV，功率因素Cosφ 取0.8，額定電壓Un 為0.38kV，供電線路電纜型號(hào)為YJLV3*240+2*120，通過(guò)計(jì)算隧道供電線路末端的電壓降為30.09V，計(jì)算如下：

R=ρL/S=0.0283*800/240=0.0943Ω

線路電壓降Δu=IR=398.84*0.0943=30.091V

用電設(shè)備允許電壓降低值Δu1=380*5%=19V

實(shí)際壓降大于允許壓降，故此時(shí)電壓不滿足用電設(shè)備工作要求。

4 解決壓降過(guò)大的幾種途徑

目前用于解決隧道施工用電電壓降過(guò)大的途徑主要有以下三種。

4.1 低壓穩(wěn)壓

低壓穩(wěn)壓是在洞內(nèi)供電線路末端直接加裝穩(wěn)壓設(shè)備，在不改變電壓等級(jí)的情況下直接進(jìn)行穩(wěn)壓，使電壓滿足供用電設(shè)備使用，穩(wěn)壓長(zhǎng)度可達(dá)1.5km 左右。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需高壓進(jìn)洞，安裝方便快捷，節(jié)省成本。

缺點(diǎn)：不適用于長(zhǎng)大隧道，大負(fù)荷使用時(shí)電壓波動(dòng)大。

4.2 1kV 升降壓進(jìn)洞

利用升壓器將380V 電壓升高到1140V，并通過(guò)洞內(nèi)既有的0.6/1kV 低壓電纜輸送到用電部位，再通過(guò)降壓器把電壓轉(zhuǎn)換成380V 電壓，供給前端的用電設(shè)備使用，供電半徑可達(dá)3km 左右。

優(yōu)點(diǎn)：（1）利用既有低壓電纜，無(wú)需購(gòu)買高壓電纜，節(jié)省成本。（2）升降壓器安裝和普通配電箱安裝步驟一致，可跟隨開挖深度同步向前移動(dòng)，方便快捷。

缺點(diǎn)：（1）升壓器與降壓器之間電壓為1140V，用電需降壓器先降壓。（2）對(duì)電纜線路耐壓要求高。

4.3 10kV 高壓進(jìn)洞

從洞外預(yù)留的10kV 接線端利用高壓電纜將10kV電壓延伸到隧道內(nèi)，在洞內(nèi)設(shè)置10/0.4kV 變壓器將10kV電壓變?yōu)?.4kV，供施工設(shè)備使用，供電半徑可達(dá)10km～15km 左右。

優(yōu)點(diǎn)：供電電壓穩(wěn)定，輸送距離長(zhǎng)，適用于長(zhǎng)距離大負(fù)荷施工。

缺點(diǎn)：（1）需要購(gòu)置高壓電纜，配備專用變壓器，成本高。（2）電壓等級(jí)高，電纜頭制作、電纜、變壓器安裝復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高、周期長(zhǎng)。（3）供電部門監(jiān)管嚴(yán)格。

5 實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)決解決壓降過(guò)大的幾種途徑的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合大脊山隧道進(jìn)口及出口的實(shí)際情況，制定了相適應(yīng)的供電方案，并進(jìn)行了分析對(duì)比，具體如下。

5.1 大脊山隧道進(jìn)口供電方案及分析對(duì)比

5.1.1 供電方案

10kV 高壓進(jìn)洞供電方案：采用1685mYJLV22 3*35型高壓電纜從洞外直接將10KV 電壓引入洞內(nèi)，洞內(nèi)設(shè)置1 臺(tái)315kVA 型箱式變壓器，箱變隨隧道掘進(jìn)不斷向前移動(dòng)，與掌子面保持500m 以內(nèi)距離。

1kV 升降壓供電方案：采用1685m 采用既有YJLV 3*240+2*120 低壓電纜通過(guò)1kV 電壓升降壓進(jìn)洞，設(shè)置1 臺(tái)500kVA 升壓器、1 臺(tái)500kVA 降壓器，降壓器隨隧道掘進(jìn)不斷向前移動(dòng)，與掌子面保持500m 以內(nèi)距離。

5.1.2 費(fèi)用對(duì)比

10kV 高壓進(jìn)洞供電方案費(fèi)用：購(gòu)置315kVA 箱變1臺(tái)（8 萬(wàn)元/臺(tái)），購(gòu)置并架設(shè)YJLV22 3*35 高壓電纜1685m（38 元/m），費(fèi)用共計(jì)14.433 萬(wàn)元。

1kV 升降壓進(jìn)洞供電方案費(fèi)用：購(gòu)置500kVA 升壓器1 臺(tái)（2 萬(wàn)元/臺(tái)）、降壓器1 臺(tái)（2 萬(wàn)元/臺(tái)），費(fèi)用共計(jì)4 萬(wàn)元。

5.1.3 進(jìn)度對(duì)比

在不考慮設(shè)備及材料影響的情況下，10kV 高壓進(jìn)洞供電方案每次施工周期為5 天，1kV 升降壓高壓進(jìn)洞每次施工周期為0.5 天，1kV 升降壓供電方案更節(jié)省時(shí)間4.5 天。

5.2 大脊山隧道出口供電方案及分析對(duì)比

5.2.1 供電方案

10kV 高壓進(jìn)洞供電方案：采用3700mYJLV22 3*35型高壓電纜從洞外直接將10kV 電壓引入洞內(nèi)，洞內(nèi)設(shè)置2 臺(tái)315kVA 型箱式變壓器，箱變跟隨隧道掘進(jìn)不斷向前移動(dòng)，與掌子面保持500m 以內(nèi)距離。

10kV 高壓進(jìn)洞+1kV 升降壓供電方案；前部1200m采用YJLV22 3*35 型高壓電纜從洞外直接將10kV 電壓引入洞內(nèi)，設(shè)置1 臺(tái)315kVA 型箱式變壓器；后部3000m采用既有YJLV 3*240+2*120 低壓電纜通過(guò)1kV 電壓升降壓進(jìn)洞，設(shè)置1 臺(tái)800kVA 升壓器、2 臺(tái)500kVA 降壓器，降壓器隧道掘進(jìn)不斷向前移動(dòng)，與掌子面保持500m 以內(nèi)距離。

5.2.2 費(fèi)用對(duì)比

10kV 高壓進(jìn)洞供電方案費(fèi)用：購(gòu)置315kVA 箱變2臺(tái)（8 萬(wàn)元/臺(tái)），購(gòu)置并架設(shè)YJLV22 3*35 高壓電纜3700m（38 元/m），費(fèi)用共計(jì)30.06 萬(wàn)元。

1kV 升降壓進(jìn)洞供電方案費(fèi)用：購(gòu)置315kVA 箱變1 臺(tái)（8 萬(wàn)元/臺(tái)），購(gòu)置800kVA 升壓器1 臺(tái)（4.2 萬(wàn)元/臺(tái)）、500kVA 降壓器2 臺(tái)（2 萬(wàn)元/臺(tái)），費(fèi)用共計(jì)20.76 萬(wàn)元。

5.2.3 進(jìn)度對(duì)比

在不考慮設(shè)備及材料影響的情況下，10kV 高壓進(jìn)洞供電方案每次施工周期為5 天，1kV 升降壓高壓進(jìn)洞每次施工周期為0.5 天，10kV 高壓進(jìn)洞+1kV 升降壓供電方案節(jié)省時(shí)間4.5 天。

5.3 方案選擇

由此可見，大脊山隧道進(jìn)口選擇1kV 升降壓供電方案，大脊山隧道出口選擇10kV 高壓進(jìn)洞+1kV 供電方案費(fèi)用更省，對(duì)施工影響小。在隧道施工長(zhǎng)度小于3000m 時(shí)采用1kV 升降壓供電方案、隧道施工長(zhǎng)度大于3000m 時(shí)采用10kV 高壓進(jìn)洞+1kV 供電方案更加合理。

5.4 施工用電布置圖

根據(jù)上述結(jié)論以及洞內(nèi)用電負(fù)荷情況，大脊山隧道進(jìn)口及出口施工用電布置圖如圖1 所示。

圖1 大脊山隧道進(jìn)口及出口施工用電布置圖

6 安全技術(shù)措施

1.洞內(nèi)低壓采用TN-S 供電系統(tǒng)，三級(jí)配電、二級(jí)保護(hù)配電系統(tǒng)，開關(guān)箱滿足“一機(jī)一閘一漏一保護(hù)”原則[3]。

2.洞內(nèi)供電線路應(yīng)分層架設(shè)，高壓線路掛設(shè)高度為3.5m，低壓線路掛設(shè)高度為2.5m。

3.隧道內(nèi)臺(tái)車及開挖面應(yīng)采用不高于36V 安全照明電壓[4]。

4.變配電設(shè)施設(shè)置防護(hù)柵欄、安全鎖、安全標(biāo)識(shí)及警示燈，并由專職電工負(fù)責(zé)管理，嚴(yán)禁無(wú)關(guān)人員進(jìn)入。

5.電線電纜應(yīng)采用國(guó)標(biāo)電纜，出具檢驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告，并進(jìn)行復(fù)檢合格后方可使用。

6.變配電設(shè)施應(yīng)做好工作接地和保護(hù)接地，工作接地電阻不大于4Ω，重復(fù)接地電阻不大于10Ω[5]。

7.電工應(yīng)持證上崗，每天做好變配電設(shè)施進(jìn)行巡查，檢查設(shè)施運(yùn)行是否正常，消除安全隱患。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著隧道施工機(jī)械化程度越來(lái)越高，施工設(shè)備用電量也越來(lái)越大，供電質(zhì)量已經(jīng)成為影響隧道施工的一個(gè)重要因素，本文基于廣湛高鐵大脊山隧道進(jìn)口及出口的施工用電實(shí)踐，分析了電壓降出現(xiàn)的原因，提出了解決問題的思路，制定了供電方案，并進(jìn)行了比選，最后得到了合理的解決方案，有效解決了供電電壓不足對(duì)隧道施工造成的影響，確保了施工進(jìn)度和用電安全，降低了施工成本。