川藏鐵路長大隧道施工供電方案研究

周 明

（北京中鐵建電氣化設(shè)計研究院有限公司 北京 100043）

1 前言

為了更好地解決川藏鐵路施工用電的外部電源接引方案，鐵路總公司組建了供電方案專題小組，由鐵路相關(guān)部門及電力相關(guān)部門共同組成。針對施工供電用電需求、變電站設(shè)置方案、外部電源引入方案，以及臨時用電與牽引變電所永久用電結(jié)合的方案進(jìn)行了多次論證，目前方案已通過評審。

川藏鐵路供電工程施工標(biāo)已完成了設(shè)計及招標(biāo)，一是先期開工段“兩隧一橋”，主要為雅安至新都橋新建正線長度194.10 km，建設(shè)有110／35 kV變電站1座、35 kV開關(guān)站（變電站）5座、10 kV開關(guān)站2座；二是新都橋至波密段，其中新都橋至則巴段施工供電工程采用集中供電方式，共設(shè)置10座集中變電站或開關(guān)站。

目前各類施工供電所需的變電站已按照施工進(jìn)度基本建成，為各類施工用電提供電源，隧道施工用電常規(guī)是在隧道口建設(shè)110／35 kV變電站、10 kV開關(guān)站。

基于隧道口變電站建成的前提下，通過現(xiàn)場調(diào)查，確定康定2號隧道施工各類用電設(shè)備主要包括：TBM隧道掘進(jìn)機(jī)、連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)及隧道內(nèi)照明、通風(fēng)、供排水系統(tǒng)等。以上設(shè)備運行方式、供電電壓均有差異。針對以上用電設(shè)備的用電需求，本文提出長大隧道長距離供電的合理供電方案。

2 TBM施工方法

2.1 工程概況

康定2號隧道為先期開工段“兩隧一橋”中的兩隧之一，為雙線單洞隧道，全長20 793 m，分為兩個土建標(biāo)段進(jìn)行招標(biāo)，其中中鐵十二局承建入口段10.857 km，中鐵十八局承建出口段9.936 km。

機(jī)械化配套是川藏鐵路建設(shè)的必然選擇，更是建筑市場未來的發(fā)展方向，施工企業(yè)必須扎實研究并踐行［1］。是否采用TBM進(jìn)行隧道開挖，需要從多方面綜合考慮，如地質(zhì)情況調(diào)查和足夠的TBM能力、開挖長度的分析、TBM開工的選址條件、合理的機(jī)型及后配套系統(tǒng)，常規(guī)情況下隧道長度大于6 km的開挖適合采用TBM施工方案。

2.2 TBM 組裝、調(diào)試

TBM是一種多環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系的作業(yè)系統(tǒng)，包括破巖、出碴、支護(hù)、翻碴、電力供應(yīng)以及各種輔助設(shè)施［2］。為了滿足龐大系統(tǒng)正常連續(xù)作業(yè)，需要做大量的前期準(zhǔn)備工作。

（1）預(yù)備洞、出發(fā)洞開挖

TBM掘進(jìn)機(jī)的組裝場應(yīng)設(shè)于洞口前方，當(dāng)洞口場地不能滿足整機(jī)組裝要求時，應(yīng)設(shè)置組裝預(yù)備洞室［3］。

為了保證TBM盡快投入正常的掘進(jìn)工作，需要根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)情況，采用鉆爆法提前開挖預(yù)備洞室，所需預(yù)備洞長度大約300 m。

預(yù)備洞前段設(shè)置出發(fā)洞，長度約10 m。出發(fā)洞亦采用鉆爆法施工。預(yù)備洞及出發(fā)洞連接處應(yīng)預(yù)留足夠的空間用來拆卸TBM的步進(jìn)裝置［4］。

（2）組裝洞設(shè)備配套

TBM進(jìn)場后需在洞內(nèi)完成組裝，安裝組裝吊機(jī)，需設(shè)龍門吊20 t、150 t各1臺，汽車吊3臺，規(guī)格8 t、16 t、75 t各1臺。設(shè)備配套需同時配備電力設(shè)施，如配電箱、組合插座、電纜、各類插頭插座等。

2.3 既有電源設(shè)施

距離康定2號隧道出口段250 m附近，靠近公路設(shè)置一座110／35 kV變電所，單電源進(jìn)線，110 kV電源臨時線路接引自既有新城110 kV變電站。該110／35 kV變電站設(shè)置3臺主變壓器，可提供三路10 kV饋出線路以及兩路20 kV饋出線路，為附近施工用電點提供電源，如TBM、通風(fēng)、排水、照明、生活等用電負(fù)荷。

3 供電方案

長大隧道采用TBM法施工過程，其主要的用電需求及電壓等級為：TBM需求20 kV供電、龍門吊需求380 V供電、電動卷揚機(jī)需求380 V供電、連續(xù)皮帶系統(tǒng)需求380 V、排水系統(tǒng)需求380 V、通風(fēng)系統(tǒng)需求380 V、照明系統(tǒng)需求220 V／36 V等。排水及通風(fēng)系統(tǒng)為一級負(fù)荷，需兩路電源供電，其余為二級負(fù)荷。TBM施工法供電見圖1。

圖1 TBM施工供電

隧道洞口右側(cè)新設(shè)20 kV電纜分支箱（F1）一座，20 kV電源由洞外110／35 kV變電所TBM專用20 kV間隔引入。F1內(nèi)設(shè)負(fù)荷開關(guān)，1進(jìn)1出，為TBM用電提供用電接口。

隧道洞口左側(cè)新設(shè)10 kV電纜分支箱（F2）一座，10 kV電源亦由洞外變電所10 kV間隔引入，內(nèi)設(shè)負(fù)荷開關(guān)，1進(jìn)3出，為橋架吊機(jī)、卷揚機(jī)、皮帶機(jī)、照明、通風(fēng)等用電提供高壓用電接口。

洞外變電站至隧道洞口F1、F2高壓電纜分別采用 YJV22-8.7／10 kV-3×120 mm2以及 YJV22-8.7／10 kV-3×95 mm2作為主干電纜，直埋敷設(shè)，長度約300 m，過路穿管防護(hù)。

3.1 TBM供電方案

3.1.1 TBM組裝調(diào)試期供電方案

TBM組裝階段，需在洞內(nèi)安裝專用的吊機(jī)進(jìn)行安裝、拆卸，以及安裝吊機(jī)所需的電動卷揚機(jī)，供電電壓均為380 V，吊機(jī)的供電方式為電纜滑車。

根據(jù)吊機(jī)以及電動卷揚機(jī)的用電需求，擬在預(yù)備洞口入口左側(cè)設(shè)置10／0.4 kV移動式箱式變電站一座，單變壓器，容量為1 600 kVA。10 kV電源引自洞口10 kV電纜分支箱F2。高壓電纜采用規(guī)格為YJV22-8.7／10 kV-3 ×95 mm2，直埋敷設(shè)。經(jīng)校驗，吊機(jī)計算負(fù)荷為1 120 kVA，線路計算電流64.66 A，電纜載流量為224 A，滿足使用要求。

為了滿足洞內(nèi)臨時照明需求，洞內(nèi)設(shè)照明燈具高壓鈉燈250 W，安裝高度2.5 m，間距為12 m；另在吊機(jī)雙側(cè)導(dǎo)軌下方0.5 m處設(shè)置碘鎢燈1 kW，間隔18 m。照明燈具的電源均取自箱變低壓開關(guān)柜，低壓電纜采用ZR-YJV22-0.6／1 kV-5×6 mm2。

3.1.2 TBM運行步進(jìn)期供電方案

（1）TBM的負(fù)荷計算及電纜選擇

根據(jù)調(diào)查TBM整機(jī)用電設(shè)備統(tǒng)計見表1。

表1 TBM用電設(shè)備負(fù)荷統(tǒng)計

用需要系數(shù)法計算TBM整機(jī)的功率，計算有功功率［5］公式：

式中：K∑p為有功功率同時系數(shù)；Kd為需要系數(shù)；Pe為設(shè)備功率（kW）。

本次計算需要系數(shù)Kd取用電設(shè)備均值的0.8，同時系數(shù)K∑p按設(shè)計原則用電設(shè)備數(shù)量越多，取值越小，本次取0.65，則計算得Pc＝0.8×0.65×8 244 kW＝4 287 kW。

TBM整機(jī)內(nèi)配置2臺專用箱式變電站T1、T2（20／0.69 kV-3 500 kVA）為刀盤驅(qū)動變頻柜VFD1～2提供690 V電源，另內(nèi)置1臺箱式變電站T3（20／0.4 kV-3500 kVA）為其他配套設(shè)備提供電源，變壓器總?cè)萘繛?0 500 kVA，滿足TBM滿載運行。

計算電流公式：

式中：Ic為計算電流（A）；Pc為計算有功功率（kW）；Un為系統(tǒng)線電壓（kV）；cos φ 為功率因數(shù)。

根據(jù)式（2），計算有功功率取4 287 kW，功率因數(shù)取0.85，線電壓取20 kV，則計算電流Ic為146 A。

選用20 kV高壓電纜，規(guī)格為ZR-YJV22-12／20 kV-120 mm2，電纜載流量345 A，滿足要求。

（2）TBM電源接引及電纜敷設(shè)

TBM 20 kV電源由洞外20 kV電纜分支箱F1引入，經(jīng)TBM電纜卷筒接至TBM自帶的高壓開關(guān)柜，再由高壓開關(guān)柜分三路饋至T1～T3進(jìn)線柜。

TBM電纜卷筒中的電纜與F1相連，掘進(jìn)過程中卷筒電纜同步放出，并固定在洞壁右側(cè)5 m高位置（以預(yù)備洞的地面為基準(zhǔn)）。

隨著TBM不斷步進(jìn)，TBM電纜卷筒容量長度有限，約在350 m左右，當(dāng)卷筒電纜放至最后一圈時，操作人員將其電動卷回，故隧道內(nèi)每隔300～400 m需設(shè)置電纜分支箱一座，1進(jìn)1出，防護(hù)等級IP65，并設(shè)置安全防護(hù)措施。

各分支箱之間的連接電纜沿隧道線路方向亦固定在洞壁右側(cè)5 m高處，每隔4 m設(shè)一個電纜掛鉤，并做好防護(hù)。不允許將通電的多余電纜盤繞堆放，以免增加線路電壓降和引起電纜過熱發(fā)生燃燒［6］。

3.2 其他配套設(shè)備供電方案

（1）連續(xù)皮帶機(jī)供電方案

連續(xù)皮帶機(jī)分為主驅(qū)動和中間驅(qū)動，在洞口約130 m處設(shè)置皮帶機(jī)主驅(qū)動，功率為2×400 kW，配備1臺1 250 kVA 10／0.4 kV移動變電站；在洞內(nèi)約3 km處設(shè)置皮帶機(jī)中間驅(qū)動，功率為2×400 kW，另配備1臺1 250 kVA 10／0.4 kV移動變電站。

皮帶機(jī)10 kV電源從洞外變電所皮帶機(jī)專用接口引出，經(jīng)高壓電纜接至洞口皮帶機(jī)主驅(qū)動變壓器及洞內(nèi)皮帶機(jī)中間驅(qū)動變壓器，總計容量為2 500 kVA。

變電站至隧道洞口高壓電纜采用穿管直埋敷設(shè)，進(jìn)入洞內(nèi)采用自制電纜托架進(jìn)行架設(shè)并做防護(hù)。電纜掛設(shè)在內(nèi)軌頂面以上3.5 m左右，并沿隧道線路方向每隔4 m設(shè)1個電纜掛鉤［7］。

根據(jù)式（1）、式（2）計算，10 kV 高壓電纜規(guī)格選用ZR-YJV22-8.7／10 kV高壓電纜，參數(shù)如下：

①電纜長度：3 500 m；

②電纜截面：50 mm2；

③線路計算電流：108.68 A；

④電纜載流量：120 A。

（2）洞內(nèi)永久照明、排水供電方案

洞內(nèi)照明、排水以及后續(xù)洞內(nèi)所需延伸電源［8］，由洞外10 kV電纜分支箱F2出線回路接引，采用ZR-YJV22-8.7／10 kV-3 ×35 mm2高壓電纜，入洞后采用自制電纜托架進(jìn)行架設(shè)，安裝高度3.5 m。

隨TBM掘進(jìn)每1.5 km安裝1臺全密閉變壓器，容量為80 kVA，可以滿足容量需求。康定2號隧道分出入口兩端施工，長度均不超過11 km，故沿線布置變壓器7臺，安裝于隧道側(cè)面腰線處。變壓器負(fù)責(zé)上下游750 m范圍內(nèi)的照明、排水等用電，用電總功率約336 kW。

洞內(nèi)動力照明線纜沿隧道邊墻起拱線處，采用電纜支架掛墻明敷，每18 m設(shè)置1處高效LED節(jié)能燈。掌子面及各個地下工作面均采用36 V安全照明。

（3）通風(fēng)系統(tǒng)供電方案

通風(fēng)機(jī)采用雙風(fēng)機(jī)雙電源供電，設(shè)計滿足“風(fēng)電閉鎖”要求［9］。配置1臺630 kVA專用變壓器，變壓器10 kV電源從洞外10 kV電纜分支箱F2出口引出，入洞后亦采用掛墻安裝，安裝方式與其他10 kV線路相同。另外接入配備1臺500 kW／0.4 kV發(fā)電機(jī)提供應(yīng)急供電。電纜規(guī)格采用ZR-YJV22-8.7／10 kV-3 ×25 mm2。

（4）應(yīng)急備用發(fā)電機(jī)

施工現(xiàn)場隧道洞內(nèi)附近配置1臺1 000 kW（10 kV）和1臺500 kW（400 V）柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急備用發(fā)電用。應(yīng)急發(fā)電機(jī)具備斷電自啟動功能，在緊急情況下為排水和通風(fēng)提供應(yīng)急電源。

3.3 供電線路電壓降驗算

用電設(shè)備端子電壓實際值偏離額定值時，其性能將受到影響，影響程度由電壓偏差的大小和持續(xù)時間而定［10］。20 kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%［11］，所以為隧道內(nèi)設(shè)備提供配電時，需要按電壓損失校驗截面，應(yīng)使各類隧道用電設(shè)備端電壓均符合電壓偏差允許值。

根據(jù)配電手冊，三相平衡負(fù)荷供電線路電壓降計算公式：

式中：Δu為電壓降百分?jǐn)?shù)（%）；P為負(fù)荷的有功功率（kW）；L為線路長度（km）；Un為系統(tǒng)線電壓（kV）；tan φ為功率因數(shù)正切值；Δup為單位功率長度的電壓降百分?jǐn)?shù)（%／kW·km）。

皮帶機(jī)用電有功功率800 kW，線路長度3 km，10 kV電纜截面為銅芯50 mm2，查表所得 Δup＝0.501×10－3，根據(jù)式（3）計算 Δu ＝1.2% ＜7%，滿足規(guī)范要求。

洞內(nèi)永久照明、排水設(shè)備用電有功功率336 kW，線路長度11 km，10 kV電纜截面為銅芯35 mm2，查表所得 Δup＝0.692 ×10－3，根據(jù)式（3）計算 Δu＝2.56% ＜7%，滿足規(guī)范要求。

TBM用電有功功率4 287 kW，線路長度按10 km計算，因TBM用電為20 kV，配電手冊僅能查到10 kV電纜截面為銅芯120 mm2的Δup＝0.240 ×10－3，故需比較10 kV與20 kV電壓等級的電壓降關(guān)系，20 kV與10 kV電壓降比，根據(jù)式（3）為：

在負(fù)荷不變的情況下，Δu20／Δu10＝1／4，即 20 kV電壓損失是10 kV的25%［12］。

根據(jù)式（3）計算，10 kV 銅芯120 mm2的 Δu10＝10.29% ＞7%；當(dāng)采用20 kV供電時，其電壓降Δu20＝5.14% ＜7%，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

面對川藏鐵路沿線復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境、極端的高原氣候條件、頻繁的自然災(zāi)害，提高隧道施工的機(jī)械化程度，采用TBM施工方案是必然的選擇。本文針對長大隧道施工用大型機(jī)械設(shè)備，并結(jié)合已有資源，進(jìn)行布置規(guī)劃形成了一套安全、可靠、穩(wěn)定、完善的臨時供電方案，是川藏鐵路按時優(yōu)質(zhì)開通目標(biāo)實現(xiàn)的必要保障。