中铁二局第二工程有限公司 四川成都 610091
摘要:从成本、可行性等方面对长大隧道施工供电方式进行探究,列出了长大隧道施工供电的几种解决方案,并对其优缺点进行分析,具有一定的参考价值,为同类工程施工提供了参考。
关键词:隧道 施工供电
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、混凝土湿喷台车、防水板铺设台车、自动衬砌台车等大型设备逐步增多,洞内用电负荷持续加大,且对供电质量要求进一步提升,目前解决长大隧道洞内供电的方案主要有三种: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。
高压进洞是指隧道施工过程中,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。
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台车、衬砌台车、混凝土输送泵等大型用电设备,最大同时用电负荷约200KW。洞内用电设备配置见下表:
表3.1闽侯隧道出口洞内用电设备配置
序号 | 材料名称 | 数量 | 单台功率(KW) | 合计(KW) | 备注 | ||||
1 | 混凝土湿喷台车 | 1台 | 80 | 80 | |||||
2 | 衬砌台车 | 2台 | 22 | 44 | |||||
3 | 混凝土输送泵 | 2台 | 90 | 180 | |||||
4 | 沟槽台车 | 2套 | 25 | 50 | |||||
6 | 照明 | 1套 | 30 | 20 | |||||
合 计 | 374 |
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 =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。
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= 1.25P
0=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。
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,本着成本节约的原则,选择3×50mm2的高压铠装铝芯电缆。
闽侯隧道出口内一侧每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。
闽侯隧道出口高压进洞采购材料设备成本见下表:
表2.1 闽侯隧道出口高压进洞材料设备成本
序号 | 材料名称 | 数量 | 单价 | 金额(元) | 备注 |
1 | 高压电缆 | 3000米 | 50元/米 | 150000 | |
2 | 箱式变压器 | 1台 | 120000元/台 | 120000 | |
3 | 高压隔离开关 | 1套 | 10000元/套 | 10000 | |
合 计 | 280000 |
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。
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。梧山隧道进口段承担1600米施工任务,均为上坡路段。洞内施工配有混凝土湿喷台车、衬砌台车、混凝土输送泵等大型用电设备,最大同时用电负荷约200KW。洞内用电设备配置见下表:
表3.1 梧山隧道进口洞内用电设备配置
序号 | 材料名称 | 数量 | 单台功率(KW) | 合计(KW) | 备注 | ||||
1 | 混凝土湿喷台车 | 1台 | 80 | 80 | |||||
2 | 衬砌台车 | 1台 | 22 | 22 | |||||
3 | 混凝土输送泵 | 1台 | 90 | 90 | |||||
4 | 沟槽台车 | 1套 | 25 | 25 | |||||
6 | 照明 | 1套 | 20 | 20 | |||||
合 计 | 237 |
根据洞内最大同时用电负荷、所带负荷的年最大负载利用小时及线路芯线材质,查出经济电流密度jec ,然后计算正常运行时的长时最大负荷电流Imax。线路的经济电流密度如表2所示。
表3.2 电缆的经济电流密度(A/mm
2)
导线材质 | 年最大负载利用小时Tm/h | ||
3000h以下 | 3000~5000h | 5000h以上 | |
铜 | 2.5 | 2.25 | 2.00 |
铝 | 1.92 | 1.63 | 1.54 |
线路最大电流计算
Imax = Pmax/U/1.732 ······(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,本处计算选择jec =1.92。
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=158mm2
考虑经济条件,市场既有型号及重复利用性等,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,可供混凝土湿喷台车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。
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(tan - tan
) ··············(6)
式中,Q补 ——无功补偿总容量(Kvar);
P0——电动设备功率;
——补偿前功率因数;
——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cos =0.8,补偿后功率因数提高到cos
=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。
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处洞室内架设稳压器,一次安装可完成隧道施工。
梧山隧道进口无功补偿/稳压供电方案采购材料设备成本见下表:
表3.3 闽侯隧道出口高压进洞材料设备成本
序号 | 材料名称 | 数量 | 单价 | 金额(元) | 备注 | ||||
1 | 无功补偿/稳压器 | 1台 | 40000元/台 | 40000 | |||||
合 计 | 40000 |
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。
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台车、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,最大同时用电负荷约250KW。洞内用电设备配置见下表:
表4.1 于都1#隧道进口洞内用电设备配置
序号 | 材料名称 | 数量 | 单台功率(KW) | 合计(KW) | 备注 | ||||
1 | 混凝土湿喷台车 | 1台 | 120 | 120 | |||||
2 | 仰拱栈桥移动模架 | 1台 | 12 | 12 | |||||
3 | 衬砌台车 | 1台 | 22 | 22 | |||||
4 | 混凝土输送泵 | 1台 | 90 | 90 | |||||
6 | 沟槽台车 | 1套 | 25 | 25 | |||||
7 | 照明 | 1套 | 20 | 20 | |||||
合 计 | 289 |
根据洞内最大同时用电负荷为250KW,根据前述公式(3)和公式(4)计算可得,
Sec=198mm2
考虑经济条件,市场既有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。
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。
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。
于都1#隧道进口升压/降压供电方案采购材料设备成本见下表:
表4.2 于都1#隧道进口升压/降压供电方案材料设备成本
序号 | 设备名称 | 数量 | 单价 | 金额(元) | 备注 | ||||
1 | 400KVA升压器 | 1台 | 40000元/台 | 40000 | |||||
2 | 350KVA降压器 | 1台 | 35000元/台 | 35000 | |||||
3 | 50KVA降压器 | 1台 | 5000元/台 | 5000 | |||||
合 计 | 80000 |
根据前述三种供电方案可知,在投入成本上,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;在供电质量上,高压进洞方案最稳定,升压/降压方案次之,无功补偿/稳压方案最差;在前期安装和后期使用管理上,无功补偿/稳压方案最易,升压/降压方案次之,高压进洞方案最难。
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。