TBM施工臨時用電方案設(shè)計淺析

摘要：本文以新疆喀雙輸水隧洞項目兩臺TBM施工臨時用電方案設(shè)計為例，對全廠供變電系統(tǒng)中區(qū)域變電所規(guī)劃布置、高壓供電方式選擇等進行歸納總結(jié)。著重介紹了用電設(shè)備的負荷計算、線路電壓降校驗，應(yīng)急電源選配等，在設(shè)計中應(yīng)用六氟化硫和固態(tài)絕緣高壓環(huán)網(wǎng)柜，提升了臨時用電的可靠性和安全性;在設(shè)計中應(yīng)用鋁制電纜作為高壓供電線路，大大降低了成本。

關(guān)鍵詞：新疆喀雙;臨時用電;供電系統(tǒng);電纜校驗;應(yīng)急電源

中圖分類號：U455文獻標識碼：A文章編號：2096-6903（2021）10-0039-03

0概述

新疆喀雙輸水隧洞工程，主洞采用兩臺TBM施工，上游為TBM7施工段、下游為TBM8施工段，全長約38 km。交通支洞長約5 km（已形成）。臨建設(shè)施：生活區(qū)建筑面積7 761 m，輔助生產(chǎn)區(qū)建筑面積4 750 m;施工排水：主洞排水3 km布置1臺管道泵，支洞排水分兩級排至洞外;通風系統(tǒng)：TBM施工通風采用一站壓入式通風系統(tǒng)，在支洞洞口附近布置2套軸流風機;出渣系統(tǒng)：TBM主洞出渣采用連續(xù)皮帶機，支洞出渣采用固定皮帶機，均采用頭部驅(qū)動加中間驅(qū)動的方式。

1供變電系統(tǒng)設(shè)計

本工程全廠供變電系統(tǒng)比較復雜，供電區(qū)域分散、用電設(shè)備數(shù)量繁多，電壓等級涉及20 kV、10 kV、0.69 kV、0.4 kV;設(shè)計包括：10 kV、20 kV供電線路電纜選型，10/0.4（0.69）kV TBM附屬設(shè)備、輔助生產(chǎn)設(shè)備各場地及生活區(qū)部位區(qū)域變電所布置，負荷計算及開閉所、箱式變設(shè)計選配。

（1）臨建設(shè)施的供變電系統(tǒng)劃分為兩個區(qū)域，即輔助生產(chǎn)區(qū)和辦公生活區(qū);按照規(guī)范要求：據(jù)負荷的容量和分布，配變電所宜靠近負荷中心[1]。并經(jīng)負荷計算，輔助生產(chǎn)區(qū)兩負荷中心分別布置630 kVA、250 kVA箱變各1臺;辦公生活區(qū)布置500 kVA箱變1臺。

（2）TBM附屬設(shè)備經(jīng)負荷計算，在支洞二級排水布置1臺1 250 kVA箱式變，在支洞一級排水布置1臺1 000 kVA箱變。在主支洞交叉口處TBM7、8連續(xù)皮帶機頭部驅(qū)動各布置1臺1 600 kVA箱變，在中間驅(qū)動各布置1臺1 250 kVA箱變。在支洞口固定皮帶機頭部驅(qū)動、中間兩驅(qū)動各布置1臺1 600 kVA箱變。在支洞口兩組通風機組布置1臺1 250 kVA箱變。在洞外排水泵、轉(zhuǎn)渣皮帶等部

作者簡介：劉建成（1974—），男，山西大同人，本科，高級工程師，研究方向：電氣自動化及供配電技術(shù)管理。

位布置1臺800 kVA箱變。

（3）在TBM7、8掘進期間，主洞沿線排水管路每3 km布置1臺管道泵、每1 km布置1臺潛水泵，按TBM8 施工段20 km計算，排水系統(tǒng)總功率∑Pe=37×6+3×20= 282 kW;并考慮洞內(nèi)襯砌灌漿用電負荷約120 kW，因此在主洞沿線每間隔3 km布置一臺箱變，所帶負荷為∑Pe=37+9+120=166 kW，經(jīng)負荷計算250 kVA箱變可滿足要求。

（4）從35 kV變電站引出10 kV饋線5回，1回引至輔助生產(chǎn)區(qū)和辦公生活區(qū)，沿線架設(shè)JKLGYJ-95/12線路為兩區(qū)域供電。2、3回分別引至洞外TBM附屬設(shè)備區(qū)，其中1回經(jīng)支洞皮帶頭驅(qū)箱變環(huán)網(wǎng)柜配電后，引至洞內(nèi)皮帶中驅(qū)箱變，為支洞皮帶驅(qū)動供電;另1回經(jīng)洞外開閉所配電后為洞內(nèi)、外所屬箱變供電。4、5回分別引至洞外TBM附屬設(shè)備區(qū)，經(jīng)洞外兩開閉所通斷后，引至主支洞交叉口處，分別與TBM7、8主洞皮帶頭驅(qū)箱變環(huán)網(wǎng)柜配電后，引至各自中驅(qū)箱變，為上、下游主洞皮帶驅(qū)動供電。

（5）35 kV變電站可提供的20 kV饋線兩回，經(jīng)洞外兩20 kV開閉所通斷后，引入至主洞為TBM7、8本體供電。

2負荷計算

在方案初步設(shè)計及施工圖設(shè)計階段，宜采用需要系數(shù)法進行負荷計算[2]。利用以下公式在Excel中通過自動計算，可得到所選擇的變壓器容量、無功補償量及各用電負荷回路額定電流等計算值。

有功功率：P=K·P（K為需要系數(shù)，P為設(shè)備額定功率之和）;

無功功率：Q=P·tanφ（tanφ為功率因數(shù)cosφ角正切值）;

視在功率：;額定電流：（U為額定電壓）;

無功補償量：ΔQ=P（tanφ1-tanφ2）（tanφ1、2電容補償前、后cosφ角正切值）;

變壓器容量：S～S/（0.70～0.80）（變壓器負荷率一般為0.70～0.80）等。

例如：洞外一級排水及區(qū)域設(shè)備用電負荷計算（如表1）。

經(jīng)表中計算得到：變壓器容量選擇800 kVA，負荷率約70%;低壓側(cè)母線上配置無功補償量為160 kvar。注：因選配箱式變較多，負荷計算不再一一列出，計算與上相同。

3線路電壓降校驗

（1）20 kV供電線路電壓降校驗。

根據(jù)提供的TBM總裝機容量5 200 kVA，電壓等級20 kV，則額定電流：

電纜采用洞外直埋及洞內(nèi)沿洞壁明敷掛設(shè)方式;查找35 kV銅電纜載流量表可知，3×150 mm電纜直埋允許載流量為242 A。根據(jù)電纜長度校驗電纜壓降是否滿足供電要求，從35 kV變電站引至TBM掘進最遠距離電纜長度約為26 km。根據(jù)規(guī)范要求：20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%[3]，因此按照電壓降值最大不超過ΔU=20 000×（±7%）=±1 400 V判別。

電壓降計算如下：

從高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣銅電纜35 kV表中，可查得150 mm的電阻R1=0.143 Ω/km、電抗X1=0.112 Ω/km;功率因數(shù)cosφ取0.90，得tanφ≈0.484。

P=cosφ×S=0.9×5 200=4 680 kW

Q=tanφ×P=0.484×4 680=2 266 kvar

ΔU=（PR+QX）/Ue

=（4 680×26×0.143+2 266×26×0.112）/20

≈1 200 V

ΔU絕對值<1 400 V，符合要求;

并經(jīng)短路電流流過電纜熱穩(wěn)定校驗（S≥SQRT（Q）/C*100），滿足要求。

因此，選用20/35 kV YJV22-3×150 mm電纜為TBM專線供電。

（2）10 kV供電線路電壓降校驗。

例如：對支洞一、二級排水系統(tǒng)10 kV電纜線路校驗;同一回路采用分段供電的方式，分別為1 250 kVA、1 000 kVA箱式變和11臺250 kVA箱式變供電;按照電壓降值最大不超過ΔU=10 000×（±7%）=±700 V判別。

電壓降計算如下：

按以上電纜敷設(shè)方式，高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣鋁電纜10 kV表中，查得3×185 mm電纜直埋允許載流量310 A，電阻R1=0.192 Ω/km、電抗X1=0.09 Ω/km;功率因數(shù)cosφ取0.90，得tanφ≈0.484。

①Se=1 250+1 000+11×250=5 000 kVA，支洞二級排水供電回路長約3.5 km。

P=cosφ×S=0.9×5 000=4 500 kW

Q=tanφ×P=0.484×4 500=2 178 kvar

ΔU1=（PR+QX）/Ue

=（4 500×3.5×0.192+2 178×3.5×0.09）/10

≈371 V

②Se=1 000+11×250=3 750 kVA，支洞一級排水供電回路長約2.5 km。

P=cosφ×S=0.9×3 750=3 375 kW

Q=tanφ×P=0.484×3 375=1 634 kvar

ΔU2=（PR+QX）/Ue

=（3 375×2.5×0.192+1 634×2.5×0.09）/10

≈199 V

經(jīng)以上計算可知，校驗此供電回路全長度電纜壓降為：

ΣΔU=ΔU1+ΔU2=371+199=570 V

ΣΔU絕對值<700 V，符合要求;

并經(jīng)短路電流流過電纜熱穩(wěn)定校驗（S≥SQRT（Q）/C*100），滿足要求。

因此，選用8.70/15 kV YJLV22-3×185 mm電纜為支洞一、二級排水供電。

備注：因供電線路較多，電壓降及熱、動穩(wěn)定校驗不再一一列出，計算與上相同。

4應(yīng)急電源選配

在TBM7、8掘進期間，為了保證施工安全性，確保電網(wǎng)停電后對洞內(nèi)一級負荷繼續(xù)供電，即對支洞、TBM8施工段部分排水和洞內(nèi)照明、通訊等供電;經(jīng)以下負荷計算，設(shè)計選用：0.4 kV 550 kW柴油發(fā)電機組2臺，經(jīng)S13-10/0.4-630變壓器2臺升壓至10 kV，通過洞外開閉所兩備用進線柜同期并列運行，為洞內(nèi)應(yīng)急系統(tǒng)供電。

柴油發(fā)電機組負荷計算：

計算有功功率：

其中：P—實際計算有功功率;k—所有負荷的同時系數(shù)取0.90;k—各負荷的負載率取0.80;k—各負荷的機電轉(zhuǎn)換效率。

各負荷有功功率計算（如表2）。

發(fā)電機容量計算：

P=（P-P）/η+P×K×C×cosφ

其中：P—起動容量最大的電動機或成組電動機的容量，kW;

η—總負荷的計算效率，一般取0.85;

K—電動機的起動倍數(shù)，取6;

C—啟動方式電壓降系數(shù)，全壓起動C=1.00，Y-Δ起動C=0.67，自耦變壓器起動50%抽頭C=0.25，65%抽頭C=0.42，80%抽頭C=0.64，軟啟動C=0.30～0.70取0.50;

cosφm—電動機的起動功率因數(shù)，一般取0.40;

由上式，按照280 kW排水泵最后啟動，發(fā)電機容量為：P=（736-280）÷0.85+280×6×0.50×0.40=873 kW。

因此，選用功率為550 kW柴油發(fā)電機組2臺并列運行，作為洞內(nèi)應(yīng)急電源。

5結(jié)語

本工程臨時用電方案設(shè)計，結(jié)合施工現(xiàn)場實際，合理布置各區(qū)域變電所、優(yōu)化變配電設(shè)備及高壓供電線路的配置選型，在提高現(xiàn)場臨時用電可靠性和安全性的基礎(chǔ)上，既滿足了洞內(nèi)狹窄安裝空間要求，又方便了現(xiàn)場操作維護;應(yīng)用鋁制電纜作為高壓供電線路，既方便了現(xiàn)場安裝拆卸，又降低了成本。本次設(shè)計已投運的10/0.4 kV歐式、美式箱變和10 kV開閉所共計30余臺，各供變電系統(tǒng)至今運行良好，報警、跳閘功能動作準確可靠。希望本文粗淺總結(jié)能為今后臨時施工用電方案設(shè)計積累經(jīng)驗，并提供參考與借鑒。

參考文獻

[1]GB50052-2009，供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].2009.

[2]JGJ16-2016，民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].2016.

[3]GB/T12325-2008，電能質(zhì)量供電電壓偏差[S].2008.

Analysis on the Design of Temporary Power Consumption Scheme for TBM Construction

LIU Jiancheng

（Sinohydro Bureau 6 Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning 110179）

Abstract：This article takes the design of the temporary power supply scheme for the construction of two TBMs in the Xinjiang Kashuang Water Transmission Tunnel Project as an example to summarize the planning and layout of the regional substations and the selection of high-voltage power supply modes in the power supply and transformation system of the whole plant. It focuses on the load calculation of electrical equipment，line voltage drop verification，emergency power supply selection，etc. The application of sulfur hexafluoride and solid-state insulated high-voltage ring network cabinets in the design improves the reliability and safety of temporary power use;In the design，aluminum cables are used as high-voltage power supply lines，which greatly reduces the cost.

Keywords：Xinjiang Kashuang;temporary electricity;power supply system;cable calibration;emergency power supply