摘要：从投入成本、供电质量、安装维护等方面对长大隧道洞内施工供电方式进行探究，列出了长大隧道洞内施工供电的三种解决方案，对其优缺点进行了分析，具有一定的参考价值，为同类工程施工提供了参考。
关键词：长大隧道 洞内施工供电
1 长大隧道洞内施工供电常用解决方案
随着隧道施工机械化程度的逐步提高，在长大隧道施工过程中，投入的凿岩台车、拱架拼装台车、混凝土湿喷机械手等大型用电设备逐年增多，洞内用电负荷逐渐增大，对供电质量的要求进一步提升。目前长大隧道洞内施工供电的解决方案主要有三种：高压进洞方案、无功补偿/稳压方案和升压/降压方案，现就此三种方案做探讨比较。
2 高压进洞方案
高压进洞是指在隧道施工过程中，低压动力电源因输送距离过长，电压降过大无法满足用电设备需求时，采用高压电缆从洞外接引10kv电源至洞内合适位置经10/0.4级变压器降压后供洞内用电设备使用的一种供电方式，具有供电质量好、电压波动小的优势，但其安装复杂，成本相对较高。京福铁路闽侯隧道出口洞内施工即采用此种供电方案。
2.1京福铁路闽侯隧道出口高压进洞方案
京福铁路闽侯隧道位于福建省闽侯县白沙镇和闽侯县荆溪镇交界处，起讫里程为：DK785+655～DK793+588，全长7933米；闽侯隧道出口承担3500米施工任务，洞内施工配有混凝土湿喷机械手、衬砌台车、混凝土输送泵等大型用电设备；最大功率用电设备为混凝土湿喷机械手，单台功率约80KW；最大同时用电负荷约200KW。
2.1.1隧道低压供电有效距离
在隧道内三项供电线路，在不考虑电抗和线路接头电阻的情况下，其电压降的简单计算公式为：
••••••••••••••••••••••••••（1）
式中 ——线路电压损失率，以百分数表示，要求不大于5%；
U——线路额定电压（KV）；
r——导线半径（mm）；
L——线路长度（Km）；
ρ——导线电阻率，铜芯电缆为0.0174Ω/mm2，铝芯电缆为0.0283Ω/mm2；
S——导线截面积（mm2）。
隧道内大型用电设备原动机均为电机，取功率因素cosΦ=0.8，则tanΦ=0.75。考虑投入成本原因，隧道进洞用低压电力线路一般为240mm2铝芯线（ρ=0.028Ω/mm2）。
当负载P0=200KW的情况下低压线路送电的最长距离：
电力线路电压变化在380V±5%内时，将数据代入式（1）计算可得
LMax=424m
当负载P0=80KW的情况下低压线路送电的最长距离：
电力线路电压变化在380V±5%内时，将数据代入式（1）计算可得
LMax=1060m
若电压降超过5%，电机将难以启动，无法使用。若考虑增大线径，则成本增加将直线上升，不具经济性。
根据上述计算可知，当超过1060m时，常规低压供电方式将无法满足洞内湿喷台车等大型施工设备用电。
2.1.2闽侯隧道出口洞内变压器选择
因洞内同时最大用电负荷约为200kw，则变压器容量为
P 变= P0/0.8= 1.25P0 ••••••••••••••（2）
式中, P变为变压器的容量(kVA) 。
则P变= 1.25P0=250kVA
根据上述计算，考虑变压器的经济运行区间和不可期需求，从变压器产品目录中选择变压器型号为315kVA 的电力变压器作为高压进洞变压器。
2.1.3高压电缆的选择
高压电缆的选择应满足四个条件：
1、导线的机械强度；
2、导线的最高允许工作温度；
3、经济电流密度；
4、线路电压损失。
一般按经济电流密度选择电缆截面,然后用电缆的机械强度、最高允许工作温度和电压损失进行校验。
闽侯隧道出口根据上述要求，本着成本节约（同等载流量情况下，铜芯电缆价格约为铝芯电缆价格的1.8倍）的原则，选择3×50mm2的高压铠装铝芯电缆。
2.1.4隧道内变压器的安装
闽侯隧道出口洞内一侧每500米设有一个综合洞室，考虑掌子面最大负荷为混凝土湿喷台车（约80KW），根据2.1节计算可知，低压最大送电距离为1060m，故在1000m处综合洞室内架设变压器，第一次高压进洞，此后每1000米移装一次变压器，在移装2次后可完成隧道施工。
2.1.5闽侯隧道出口高压进洞供电方案成本
闽侯隧道出口高压进洞需购置高压铠装铝芯电缆3000余米，高压开关1套，箱式变压器1台，合计金额约为28万元。
3 升压稳压方案
升压稳压方案是指在隧道施工过程中，低压动力电源因输送距离过长，电压降过大无法满足用电设备需求时，在靠近线路末端增加稳压器，保持线路末端电压稳定的一种供电方式，具有安装方便、成本低廉的特点，但其线路损耗相对较大。京福铁路梧山隧道出口洞内施工即采用此种供电方案。
3.1梧山隧道进口无功补偿/稳压供电方案
新建合肥至福州铁路客专梧山隧道地处福建省福州市闽侯县白沙镇，起讫里程DK768+149～DK776+578，全长8429m。梧山隧道进口段计划承担1600余米施工任务，均为上坡路段。洞内施工配有混凝土湿喷机械手、衬砌台车、混凝土输送泵等大型用电设备；最大功率用电设备为混凝土湿喷机械手，单台功率约80KW；最大同时用电负荷约200KW。
3.1.1 洞内低压线路选择
根据洞内最大同时用电负荷和电缆的经济电流密度jec ，计算正常运行时的长时最大负荷电流Imax。
线路最大电流计算
Imax = Pmax/U/ ••••••（3）
式中 Imax——线路最大电流(A) ；
Pmax——最大同时用电负荷；
U ——供电电压。
电缆的经济截面计算
Sec=Imax/ jec ••••••••••（4）
式中 Sec——电缆经济截面(mm2 )；
jec——经济电流密度(A/mm2)，由于隧道内最大负荷利用小时少于3000h，本处计算通过查表选择jec铝 =1.92，jec铜 =2.5。
将最大同时用电负荷200KW代入（3）式得：
Imax =303A
将Imax 代入式（4）得：
Sec铝=158mm2
根据市场既有通用型号，应选择185mm2铝芯绝缘导线。
Sec铜=121.2mm2
根据市场既有通用型号，应选择150mm2铜芯绝缘导线。
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上述应选择的铜芯绝缘导线价格较铝芯绝缘导线贵约6倍左右，考虑到一次性投入成本和架设便利性等原因，选择185mm2铝芯绝缘导线。
根据前述计算公式（1）计算可知，当低压线路线径为185mm2时，可供混凝土湿喷机械手正常使用的最远送电距离为817米；若通过增大线径满足混凝土湿喷台车在1600米处施工用电，需将线径增加至370mm2，此时增加线路成本约6万元，若因施工任务划分继续向前掘进，将只能继续通过增大线径来解决掌子面用电，方案极不经济可行，故选择无功补偿/稳压方案。
3.1.2无功补偿/稳压器选择
因洞内同时最大用电负荷约为200kW，则稳压器容量为：
P稳= P0/0.8= 1.25P0 ••••••••••••••（5）
式中, P稳为变压器的容量(kVA) 。
则P稳= 1.25P0=250kVA
无功补偿容量为：
Q补=P0（tanα1- tanα2） ••••••••••••••（6）
式中，Q补 ——无功补偿总容量(Kvar)；
P0——电动设备功率；
α1——补偿前功率因数；
α2——补偿后功率因数。
洞内最大同时启动电动机负荷约为180kW，补偿前功率因数cosα1=0.8，补偿后功率因数提高到cosα2=0.95，
则Q补=126Kvar
根据上述计算，选择容量为250KVA，无功补偿容量大于126Kvar的无功补偿稳压器。
3.1.3无功补偿/稳压器的安装
梧山隧道进口洞内一侧每500米设有一个综合洞室，考虑掌子面最大负荷为混凝土湿喷机械手（约80KW），根据2.1节计算可知，低压最大送电距离为1060m，故在1000m处洞室内架设稳压器，一次安装可完成隧道施工。
3.1.4梧山隧道进口无功补偿/稳压供电方案成本
梧山隧道进口洞内无功补偿/稳压供电方案仅需采购1台无功补偿/稳压器，价格约为4万元，较采用增大线径的方式节约材料成本和人工架设成本，且可继续向前施工，最终采用该供电方案完成了2300m成洞施工。
4、升压/降压方案
升压/降压方案是指在隧道施工过程中，低压动力电源因输送距离过长，电压降过大无法满足用电设备需求时，在洞口端增加升压器，将400V低压动力电源升压至1000V高压，经原低压架空线路送至洞内，并分别在中间和末端加设降压变压器将1000V高压降至380V动力电源的一种供电方式，具有安装方便、成本相对低廉的特点，但其线路损耗相对较高且中间施工用电较难满足。兴泉铁路于都隧道进口洞内施工即采用此种供电方案。
4.1于都1#隧道升压/降压供电方案
新建兴泉铁路于都1#隧道位于江西省赣州市兴国、于都两县境内，隧道起止D1K25+665-31+950，全长6285m。于都1#隧道进口段承担2200米施工任务。洞内施工配有混凝土湿喷机械手、衬砌台车、仰拱栈桥移动模架、混凝土输送泵等大型用电设备；最大功率用电设备为混凝土湿喷机械手，单台功率约80KW；最大同时用电负荷约250KW。
4.1.1 洞内低压线路选择
根据洞内最大同时用电负荷为250KW，考虑经济投入，选择铝芯线，根据前述公式（3）和公式（4）计算可得，
Sec=198mm2
根据市场既有通用型号及重复利用性等，选择240mm2铝芯绝缘导线。
根据前述计算公式（1）计算可知，当低压线路线径为240mm2时，可供混凝土湿喷台车正常使用的最远送电距离为706米，在此距离后续采用升压/降压供电方案。
4.1.2升压/降压器选择
因洞内总用电负荷为289kW，则升压器容量为：
P升= P0/0.8= 1.25P0 ••••••••••••••（7）
式中, P升为变压器的容量(kVA) 。
则P升= 1.25P0=361.25kVA
根据上述计算，选择容量为400KVA的升压器。
因洞内最大同时用电负荷为250kW，则降压器容量为：
P降1= P0/0.8= 1.25P0 ••••••••••••••（8）
式中, P降1为变压器的容量(kVA) 。
则P降1= 1.25P0=312.5kVA
根据上述计算，选择容量为350KVA的升压器。
隧道内除掌子面施工用电外，二衬成洞段沟槽施工亦需动力电源，最大负荷约为25kw，则需降压器容量为：
P降2= P0/0.8= 1.25P0 ••••••••••••••（9）
式中, P升为变压器的容量(kVA) 。
则P降2= 1.25P0=31.25kVA
根据上述计算，选择容量为50KVA的降压器。
4.1.3升压/降压器的安装
升压器安装需靠近电源侧，故选择在洞口外侧安装升压器；降压器根据供电范围安装在隧道内。350KVA降压器第一次安装在700m位置，此后每700m移装一次，移装两次后可完成隧道施工。50KVA降压器随沟槽台车移动安装。
4.1.4于都1#隧道进口升压/降压供电方案成本
于都1#隧道进口升压/降压供电方案需购置400KVA升压器1台，350KVA降压器1台，50KVA降压器一台，合计成本约8万元。
5、三种隧道洞内供电方案对比选择
5.1投入成本对比
根据前述三种供电方案可知，在同等隧道洞深时，无功补偿/稳压方案投入成本最低，升压/降压方案次之，高压进洞方案投入成本最高。在隧道洞深变化时，高压进洞方案投入成本随隧道洞深增加而持续增加，其他两种方案投入成本基本不变。
5.2供电质量对比
前述三种供电方案中，高压进洞方案采用10KV高压送电，电损最小，电压波动最小，供电质量最好，其理论供电距离可满足现有世界上最长隧道施工要求。升压/降压方案最高可采用1040v电压送电，电损较10KV高压送电方式高，但较稳压/补偿方式低；其电压波动相对较小，供电质量较高压供电方案差，通过式（1）计算可知，其在隧道内供电距离最深可达7.8Km。无功补偿/稳压方案采用正常380V电压送电，送电电压最低，故电损最高，电压波动亦最大，供电质量最差，通过实际使用检测，其在隧道内供电距离最深可达2.3Km。
5.3安装维护对比
前述三种供电方案中，高压进洞方案需布设专用高压电缆，绝缘要求高，防护等级高，其安装和维护需专业持证高压电工进行操作，管控最为复杂。升压/降压方案采用2组3台专用变压器，需提高隧道洞内低压线路的送电电压，但最高电压不超过1040V，绝缘防护等级较10KV高压低，一般低压电工即可操作维护，管控较容易。无功补偿/稳压方案仅需一台稳压补偿器，配合隧道洞内正常布设的380V动力线路即可满足洞内施工用电要求，其安装和维护极其容易，管控最简单。
5.4方案选用
通过上述三方面对比可知，同等用电负荷条件下，当隧道施工深度在2.3Km以内，对供电质量要求不高时，应优先选用无功补偿/稳压方案，其次为升压/降压方案，最后为高压进洞方案；当隧道施工深度大于2.3Km且小于7.8Km时，若对供电质量要求不高，可优先选用升压/降压方案，否则采用高压进洞方案；当隧道施工深度大于7.8Km时，只能选择高压进洞方案。
6、结束语
综上所述，隧道洞内供电方案的选择是成本投入、供电质量、使用管理三者的权衡，需根据具体隧道施工情况，选择满足需求且成本最优的供电方案。
参考文献
[1]单方.电力系统分析.北京:中国水利水电出版社，2007.
作者简介：朱凌（1987—），男，汉族，机械设计制造及其自动化专业，工程师，主要从事设备及用电管理工作。单位：中铁二局第二工程有限公司
论文作者:朱凌
论文发表刊物:《电力设备》2019年第23期
论文发表时间:2020/4/28
标签：隧道论文; 方案论文; 洞内论文; 高压论文; 电压论文; 闽侯论文; 变压器论文; 《电力设备》2019年第23期论文;