摘 要：在长距离隧洞施工过程中，设计合理、经济的洞内临时供电方案，配置相应的供电设备是保证隧洞正常稳定施工的重要保障，文中介绍了朝阳二标7#支洞工作面的供电特点、进洞供电施工方案的比选思路、变压器容量及台数计算及供电导线计算，供类似工程参考。
关键词：长距离隧洞；供电负荷；高压进洞；供电线路
1 工程概述
1.1 工程概况
朝阳二标项目引水隧洞为有压洞，全长约12km。开挖断面为圆拱斜墙，开挖面积约20㎡，属于小断面，平均坡度0.0076%，成洞直径3.9m。另外分别布置5#、6#、7#、8#四条施工支洞，长度分别为1245m、880m、1120m、1215m，支洞断面为圆拱直墙型，开挖断面尺寸为5.2m×5.25m (宽×高)，均为倒坡，坡度约11%～13.7%。
以7#支洞及上下游主洞为例，7#支洞上游长1300m，下游长1410m，单头供电达2530m。
1.2 洞口供电情况
发包人于施工前在7#支洞口附近提供由10KV接线点引至洞口附近变电站输出380V施工电源，容量1115KVA,箱式变压器315KVA+400KVA×2。
2 用电特点
2.1 耗电量大
隧洞施工设备功率大，如洞口通风机150KW、拌和站80KW、空压机135kw等，使用时间长，耗电量大。
2.2 负荷比较集中
洞口的供风站布置多台空压机、洞口布置的通风机、拌和站、加工厂等大功率设备集中布设，负荷比较集中。
2.3 供电的距离远
7#支洞长1120m，下游长1410m，单头供电达2530m，供电的距离远。
2.4 可靠性要求高
隧洞施工用电负荷属于电力系统中二类、三类负荷，且二类居多，由于停电可能造成重大损害，必须保证供电。
3 供电负荷估算
3.1 用电设备特性
为了合理确定施工电源容量，选择供配电变压器和电气设备，需要计算各施工阶段或逐月的高峰负荷。用电设备特性详见表1。
表1 主要设备用电功率特性表
3.2 供电负荷估算
隧洞施工用电量，含动力和照明需要的总量，用下列公式估算：
P=K(?K1?K2+∑Pb?K1)
式中 P—总用电量（KVA）；
K—电线路能力损耗系数，采用1.05～1.10；
A—全部电力功率因素，采用0.5～0.6；
∑Pa—动力用电总量；
∑Pb—照明用电总量；
η—电动机及其他动力之效率，采用0.83～0.88；
K1—同时用电系数，通风机0.8～0.9, 电动机械0.65～0.75；
K2—动力负载系数，为0.75～1.0。
经过计算7#支洞工区总用电量P=872KVA，变压器承受的用电负荷达到额定容量的78.2%，满足供电需求。
4 变电站
4.1 变电站设置原则?
变电站位置应选在便于运输、运行、检修和地基稳固、安全可靠的地方，同时满足以下几个方面的要求。?
（1）隧洞洞外变电站，应设在洞口附近，并尽可能靠近负荷集中地点和设在电源来线同一侧。
（2）洞内变压器应安设在干燥的避车洞或横向通道处，变压器与周围及上下洞壁的距离不小于30㎝（涌水风险较大隧洞施工，应增加变压器距地面高度以应对突发涌水），四周设反光标志、警示灯、防护标识标牌并设2m高以上的围栏安装门锁。
（3）洞内高压变电站采用井下高压配电装置或相同电压等级的油开关柜，不使用跌落式熔断器。洞内变压器优先采用厢式组合变压器，高、低压侧采用成套组合开关柜。
4.2 进洞供电方式比选?
供电方案主要方法有三种:
（1）采用低压进洞方式，通过增大线路截面面积、减少线路电压降来满足施工需求。
（2）采用高压进洞方式，在洞内固定位置或移动向前将高压变为低压来满足供电需求。
（3）采用低压补偿的方式，通过低压补偿设备来满足供电需求。
4.2.1 低压进洞?
常规施工隧洞在独头掘进1200m～1500m，可以适当通过增大线路线径、减小电阻来降低电压损失，同时调节变压器分接开关档位以提高输出电压等方式，基本上可以保证洞内用电设备的正常使用。
4.2.2 高压进洞?
当超过1200m或采用移动供风或接力风机等大负荷用电时，可采用高压进洞的供电方式，固定位置或每800～1000m移动一次变压器。
4.2.3 低压补偿进洞?
当超过1200m且用电负荷不大时，可采用三相全自动补偿电力稳压器来满足供电需求。?
通过上述三中方案比选，结合现场隧洞实际情况，选择高压进洞的供电方式。
4.3 变压器容量及台数确定?
4.3.1 确定原则?
（1）变压器容量应适应各施工阶段负荷变化，必要时还应考虑扩建的可能。变压器应尽量选用相同的阻抗值，以便各配电点的通用和并列运行。并联运行变压器的容量比一般不宜超过3:1，使均衡电流不超过容量较小变压器额定电流的5%～6%。
（2）生产与生活用电的变压器应尽可能分开（生产设备用电一般负荷较大，启动关闭时对线路冲击较大，生活设备用电一般负荷较小，易受生产设备影响），以于便管理。
（3）变电站一般设置1～2台（最多不超过3台）变压器，其单台容量一般不超过1000KVA。
4.3.2 容量及台数确定?
根据估算的施工总用电量来选择变压器，其容量应等于或略大于施工总用电量，且在使用过程中，一般使变压器承受的用电负荷达到额定容量的80%左右为佳。
通过上述4.2公式估算，洞外施工用电总量P外=576KVA，选择1台400KVA和1台315KVA，合计715KVA，变压器承受的用电负荷达到额定容量的80%，满足供电需求，其中315KVA变压器主要负责生活区、加工厂、支洞照明，400KVA变压器负责其他设备供电。洞内施工用电总量P内=296KVA，选择1台400KVA，变压器承受的用电负荷达到额定容量的74%，满足供电需求。
4.4 备用电源
为保证隧洞内设备及人员安全，必须保证隧洞抽排水及照明供电以及营区的生活用电需求，因此系统电源停电时，必须启用备用电源。
通过上述4.2公式估算，施工用电总量P备=240KVA，选择1台300KW的柴油发电机当做备用电源，发电机承受的用电负荷达到额定容量的80%，满足需要。备用电源与主电源安装双电源自动转换开关，确保自动切换。
5 供电线路
隧洞供电线路，一般采用三项五线制TN-S系统供电，供电电压为400/230V。低压电机的额定电压380V；洞内照明电压：作业地段不大于36V，成洞和不作业地段可用220V。
采用高压进洞方式的在成洞地段敷设高压电缆引入10KV高压电，在适当位置设置变压器降压至400/230V低压电以供洞内使用。
5.1 低压导线?
按允许载流量进行选择，按允许电压降和允许机械强度的条件进行校核。导线长度较短时，可不考虑电压降，但必须满足机械强度的要求。
洞内400/230V供电线路，规范要求宜采用橡皮绝缘铜芯绞线，实际施工中因考虑到经济成本问题多采用塑料绝缘铝绞线或橡皮绝缘铝绞线架设。根据电力施工规则规定，选用的导线截面应使末端电压降不超过额定电压的10％和国家对经济电流密度的规定。
线路电压降可按下式计算:
△U2=934li/1000liS
式中：△U2—按三相电路计算的电压降（V）；
l—送电距离（m）；
i—线路通过电流（A）；
li—经济电流密度（A/mm2）其中铜导线li=1.4、铝导线li=0.9；
S—导线截面（mm2）。
在隧洞供电中，一般不宜采用加大导线截面的办法来减少电压降和增加送电线路的距离，导线合理的最大截面见表2。
按照隧洞供电线路经济合理最大截面，结合现场隧洞实际长度，经过计算7#支洞低压侧动力线路采用三相五线制，火线采用185mm2塑料绝缘铝绞线，零线采用95mm2铝芯线，接地线采用25mm2铝芯线。
表2 隧洞供电线路经济合理最大截面（mm2)
根据变压器的容量和电压，变压器高压侧的最大电流Imax=P/U/1.732，式中，Imax为变压器高压侧最大电流（A），P为变压器容量（KVA），U为高压电压（KVA）。Imax=400/10/1.732=23.09A
电缆的经济断面S=Imax/J，式中，S为电缆经济断面（mm2），Imax为变压器高压侧最大电流（A）。7#支洞上下游主洞最大负荷是混凝土输送泵，按照一仓混凝土浇筑9h计算，最大负荷年利用小时为3285h，根据表6，高压电缆材质为铝芯时截面选择为, S=Imax/J=23.09/0.46=50.21mm2，取标称截面50mm2。
综合经济条件按经济电流密度选用YJLV22-8.7/10KV-3×50mm2交联聚乙烯铝芯铠装电缆。
在选用电缆时，必须确保电缆各部分损耗所产生的热量不使电缆温度超过其最高允许温度。根据按经济电流密度选择的标准截面为50mm2，査三芯电缆允许截流量表确定其长时允许电流Iy=141A,应不小于长时最大负荷电流Imax=23.09A，即Kcly≥Imax（Kc为不同设计条件下的载流量校正系数，空气中敷设温度小于40℃时, 校正系数均大于1），隧洞内温度选最热月日最高温度平均值加5℃即为25℃, Kc取值为1.09。
Kcly=1.09×141=153.69A≥Imax=23.09A,所选截面符合要求。
高压进洞段长度约1200m，并每隔5m安装悬吊点，电压损失和机械强度所选截面亦符合要求。
5.3 线路架设?
5.3.1 一般要求?
（1）输电干线或动力、照明线路安装在同一侧时，必须分层架设。架设原则为高压在上，低压在下；干线在上，支线在下；动力线在上，照明线在下。洞内电线路宜架设在与风水管路相对的一侧。
（2）电线路架设分两次进行。进洞初期，先用橡胶套电缆装设临时电路，随着工作面的推进，在成洞地段架设固定线路，换下电缆供继续前进工作面使用。
（3）洞内10KV供电线路，电缆线路终端应安装密闭和绝缘性能良好的接线盒。
5.3.2 线路架设?
（1）低压电力线路固定于角钢制作的支架上，支架通过焊接锚固钢筋固定在洞壁上电力线路支架纵向间距为20m，所有电力线路支架距地距离保持一致，高度为2.3m。
（2）电力线路角钢支架不小于∠63×63×6mm，长度700mm，角钢上固定绝缘瓷壶，绝缘瓷瓶间距为150mm。
（3）高压电缆线沿隧洞一侧边墙位置铺设，高度为3.5m，每隔5m设固定点一个作为安装高压线悬吊点，吊点安装好后，与电缆接触部位套上塑料绝缘管，防止刮伤电缆表皮。
6 结语
对于长距离隧洞，特别是支洞距离较长，支洞控制的上下游主洞距离也较长，洞内为多工序平行作业，负荷比较集中，供电可靠性要求高，施工用电耗电量大。随着洞挖的不断进行，距离越来越远，从而造成掌子面电压降比较大，同时掌子面又有较大功率设备使用，单一的低压进洞不能满足施工需要。而选择高压进洞的供电成为隧洞正常施工有效方式，合理的估算供电负荷、确定变压器容量和导线规格是隧洞高压进洞技术的关键。在朝阳项目隧洞施工中，应用高压进洞供电方式达到预期效果。
参考文献：
[1] 铁道部第二工程局.《铁路工程施工技术手册》[M].北京：中国铁道出版社，1995;
[2] 水利电力部水利建设总. 《水利水电工程施工组织设计手册》[M].北京：中国水利水电出版社，1997;
论文作者:郝利军
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2018/12/25
标签：隧洞论文; 变压器论文; 高压论文; 电压论文; 负荷论文; 截面论文; 线路论文; 《防护工程》2018年第28期论文;