深中通道沉管臨時(shí)用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布置

盧俊奇，晏恭冬，加香君，章飛飛，肖 寧

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東廣州511462）

0 引 言

隨著我國海工建造實(shí)力的不斷提升，造船廠在海洋工程結(jié)構(gòu)物領(lǐng)域的業(yè)務(wù)范圍越來越廣，中船黃埔文沖船舶有限公司承建的深中通道鋼殼沉管項(xiàng)目就是一個(gè)全新的嘗試。深中通道是世界級超大“橋、島、隧、地下互通”集群工程，是國家“十三五”重大工程和《珠三角規(guī)劃綱要》確定建設(shè)的重大交通基礎(chǔ)設(shè)施，是連接廣東自貿(mào)區(qū)三大片區(qū)、溝通珠三角“深莞惠”與“珠中江”兩大功能組團(tuán)的重要交通紐帶，是粵港澳大灣區(qū)令世界矚目的海域工程［1］。深中通道采用東隧西橋方案，其中海底隧道采用預(yù)制管節(jié)沉放法（簡稱沉管法）建設(shè)。隧道由26 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鋼殼沉管管節(jié)、6 個(gè)非標(biāo)鋼殼沉管管節(jié)和1 個(gè)水中最終接頭組成，總長度為5 035 m［2］。沉管法是海底建筑隧道施工采用的一種方法，其施工流程是：先在船臺上或干塢中制作隧道管節(jié)，用臨時(shí)封墻將管節(jié)兩端密封之后，將其拖運(yùn)到隧道設(shè)計(jì)位置；定位之后，向管節(jié)內(nèi)加注壓載水，使其下沉至預(yù)先挖好的海底溝槽內(nèi)；所有管節(jié)逐節(jié)沉放完畢之后，拆除封墻，使各管節(jié)連通，成為整體的隧道。

此次鋼殼混凝土沉管施工為國內(nèi)首次，技術(shù)難度較高，極具挑戰(zhàn)性。從管節(jié)建造到沉管，再到隧道通車，整個(gè)周期內(nèi)的施工和運(yùn)作所需電源全部來自臨時(shí)用電系統(tǒng)。管節(jié)下沉之前可將其看作是非自航鋼質(zhì)海船，管節(jié)下沉之后需滿足陸電施工現(xiàn)場規(guī)范的相關(guān)要求，因此在設(shè)計(jì)臨時(shí)用電系統(tǒng)時(shí)需考慮不同環(huán)境的差異，做到兼容、安全、可靠。本文結(jié)合船電和陸電設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，分析臨時(shí)用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例，給出現(xiàn)場問題的解決方案，供類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員參考。

1 系統(tǒng)組成

沉管臨時(shí)用電系統(tǒng)由沉管配電系統(tǒng)、臨時(shí)照明系統(tǒng)、沉管壓載水系統(tǒng)、CCTV（Closed Circuit Television）系統(tǒng)和施工用電系統(tǒng)組成。沉管配電系統(tǒng)作為整個(gè)沉管的電力供應(yīng)系統(tǒng)，相當(dāng)于船舶的電力二次系統(tǒng)，其子系統(tǒng)（包括臨時(shí)照明系統(tǒng)、沉管壓載水系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)和施工用電系統(tǒng)）對應(yīng)船舶電氣子系統(tǒng)，輔助完成管節(jié)的制造、運(yùn)輸、下沉和二次施工。

1.1 沉管配電系統(tǒng)

沉管配電系統(tǒng)是臨時(shí)用電系統(tǒng)的重要組成部分，通過岸上供電和船上供電為管節(jié)的子系統(tǒng)提供低壓電力。沉管配電系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 沉管配電系統(tǒng)架構(gòu)

本文所述項(xiàng)目結(jié)合實(shí)際情況選擇饋線式配電系統(tǒng)，設(shè)置配電柜（一級電箱）、分配電箱（二級電箱）和開關(guān)箱（三級電箱），實(shí)行三級配電，即各區(qū)配電板、分配電板和重要負(fù)載的電源分別通過各自的饋電電路，直接從主配電板獲得。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1）電纜數(shù)量少；

2）保護(hù)裝置數(shù)量少，便于維護(hù)；

3）主要供電開關(guān)集中在1 個(gè)控制場所內(nèi)，便于集中控制；

4）增加用電設(shè)備方便；

5）與環(huán)路式相比，設(shè)備的價(jià)格便宜。

1.2 臨時(shí)照明系統(tǒng)

臨時(shí)照明系統(tǒng)也是臨時(shí)用電系統(tǒng)的重要組成部分，用于在管節(jié)建造到隧道通車階段提供照明，是施工作業(yè)的必要條件。該系統(tǒng)由照明電箱、投光燈、照明接線盒和變壓整流模塊箱組成，其典型架構(gòu)見圖2。

圖2 臨時(shí)照明系統(tǒng)典型架構(gòu)

1.3 沉管壓載水系統(tǒng)

沉管壓載水系統(tǒng)的功能是通過對管節(jié)內(nèi)的16 個(gè)壓載艙進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持其在漂浮狀態(tài)下的穩(wěn)性，這一點(diǎn)與船舶壓載水的功能相同。當(dāng)管節(jié)到達(dá)指定位置之后，系統(tǒng)繼續(xù)打入壓載水使其下沉，這是連通整個(gè)隧道的重要前置工序。沉管壓載水系統(tǒng)由測控柜、壓載水泵控制箱、液位傳感器和電磁閥組成，其架構(gòu)見圖3。

圖3 沉管壓載水系統(tǒng)架構(gòu)

1.4 CCTV系統(tǒng)

CCTV 系統(tǒng)用于在沉管時(shí)遠(yuǎn)程觀測壓載艙的吃水狀態(tài)，是沉管工程的輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主機(jī)、顯示器、硬盤錄像機(jī)、交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)球形攝像機(jī)組成。主機(jī)處理器采用冗余配置，以實(shí)現(xiàn)熱備用操作；存儲器用于存放系統(tǒng)程序和用戶控制程序。［3］

1.5 施工用電系統(tǒng)

施工用電系統(tǒng)的功能是為管節(jié)和隧道提供施工電源，通過開關(guān)箱（三級配電箱）和開關(guān)插座實(shí)現(xiàn)。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例和安裝注意要點(diǎn)

2.1 電纜選型

目前鋼質(zhì)海船電網(wǎng)采用三相三線中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)，陸電采用三相四線制，故整個(gè)沉管電網(wǎng)的電纜規(guī)格按陸電模式選擇。管節(jié)外供電分為3 個(gè)階段，其中：第一個(gè)階段為船臺建造階段，使用船廠岸電供電；第二個(gè)階段為管節(jié)下沉階段，使用船上發(fā)電機(jī)為管節(jié)供電；第三個(gè)階段為隧道階段，在所有管節(jié)拼接完成之后，使用岸電為橫跨整個(gè)隧道的主動力電纜供電?？紤]到安全性和兼容性，這里選用TN-S供電系統(tǒng)［4］，電制為AC 380 V 50 Hz 3PH，故電纜選用三相+N線+PE 線的形式。本文所述項(xiàng)目的電纜采用YJVR0.6／1KV 銅芯軟電纜。前期先按船電三相三線使用，不接N線和PE線，后期在所有管節(jié)下沉拼接完之后接N線和PE 線組成陸電三相四線，由此即可改為陸電電制模式。由于沉管在海洋環(huán)境中的特殊性，這里也可采用交流三相三線絕緣的IT系統(tǒng)（I指系統(tǒng)中電源變壓器中性電不接地，T 指系統(tǒng)中電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地）。電纜相線、N線和PE線的顏色標(biāo)記必須符合相關(guān)規(guī)定［5］，即

1）相線L1（A）、L2（B）和L3（C）相序的絕緣顏色依次為黃色、綠色和紅色；

2）N線的絕緣顏色為淡藍(lán)色，PE線的絕緣顏色為綠／黃雙色；

3）在任何情況下上述顏色標(biāo)記都不得混用和互相代用。

2.2 電箱的相關(guān)要求

1）分配電箱和開關(guān)箱應(yīng)裝設(shè)端正、牢固。固定式分配電箱和開關(guān)箱的中心點(diǎn)與地面的垂直距離應(yīng)為1.4 ～1.6 m。移動式分配電箱和開關(guān)箱應(yīng)裝設(shè)在堅(jiān)固、穩(wěn)定的支架上，其中心點(diǎn)與地面的垂直距離宜為0.8 ～1.6 m?？紤]到拆裝的便利性和后續(xù)管節(jié)可重復(fù)利用，本文所述項(xiàng)目的電箱采用可移動式安裝方式安裝。

2）電箱的電器安裝板上要分設(shè)N線端子排和PE線端子排，其中：N線端子排與金屬電器安裝板絕緣；PE線端子排與金屬電器安裝板采用電氣連接。進(jìn)出線中的N線通過N線端子排連接；PE線通過PE線端子板連接。

3）電箱帶內(nèi)門、門鎖和電源指示燈；采用可見斷點(diǎn)透明斷路器；有N線和PE線端子排；內(nèi)部斷路器間采用銅排連接；噴塑；開門之后電箱的防護(hù)（Ingress Protection，IP）等級不低于IP22，關(guān)門之后電箱的防護(hù)等級不低于IP44［5］；所有插座都配置1 個(gè)插頭。

4）分配電箱應(yīng)裝設(shè)總隔離開關(guān)、分路隔離開關(guān)、總斷路器、分路斷路器（或總?cè)蹟嗥鳎┖头致啡蹟嗥?。開關(guān)箱裝設(shè)隔離開關(guān)、斷路器（或熔斷器）和漏電保護(hù)器。

5）隔離開關(guān)應(yīng)在分?jǐn)鄷r(shí)具有可見分?jǐn)帱c(diǎn)，能同時(shí)斷開電源所有極的隔離電器，并應(yīng)設(shè)置于電源進(jìn)線端。當(dāng)斷路器具有可見分?jǐn)帱c(diǎn)時(shí)，可不另設(shè)隔離開關(guān)。開關(guān)箱中的隔離開關(guān)只可直接控制照明電路和容量不大于3 kW的動力電路，不應(yīng)頻繁操作。容量大于3 kW的動力電路應(yīng)采用斷路器控制，操作頻繁時(shí)還應(yīng)設(shè)置接觸器或其他啟動控制裝置。

6）開關(guān)箱中漏電保護(hù)器的額定漏電動作電流不應(yīng)大于30 mA，額定漏電動作時(shí)間不應(yīng)超過0.1 s。在潮濕或有腐蝕介質(zhì)的場所使用的漏電保護(hù)器應(yīng)為防濺型產(chǎn)品，其額定漏電動作電流不應(yīng)大于15 mA，額定漏電動作時(shí)間不應(yīng)超過0.1 s?？偱潆娤渲新╇姳Ｗo(hù)器的額定漏電動作電流應(yīng)大于30 mA，額定漏電動作時(shí)間應(yīng)超過0.1 s，但其額定漏電動作電流與額定漏電動作時(shí)間的乘積不應(yīng)大于30 mA·s［5］。

7）漏電保護(hù)器的選擇應(yīng)符合《剩余電流動作保護(hù)器的一般要求》（GB／T 6829—2017）和《剩余電流動作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行》（GB／T 13955—2017）的規(guī)定。當(dāng)漏電保護(hù)器為同時(shí)具有短路、過載和漏電保護(hù)功能的漏電斷路器時(shí)，可不設(shè)置斷路器或熔斷器。漏電保護(hù)器宜選用無輔助電源型（電磁式）產(chǎn)品，或輔助電源發(fā)生故障時(shí)能自動斷開的輔助電源型（電子式）產(chǎn)品。當(dāng)選用輔助電源發(fā)生故障時(shí)不能自動斷開的輔助電源型（電子式）產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)同時(shí)設(shè)置缺相保護(hù)。

2.3 臨時(shí)照明設(shè)計(jì)與設(shè)備選型

1）在設(shè)計(jì)臨時(shí)照明系統(tǒng)回路時(shí)要注意三相負(fù)載平衡，每相的負(fù)載應(yīng)盡可能地在其負(fù)載的15%內(nèi)平衡；2）在每個(gè)單相回路上，燈具數(shù)量不宜超過25 個(gè)，負(fù)荷電流不宜超過15 A；

3）照明電箱需預(yù)留一個(gè)24 V插座，供低位照明燈帶使用，其他技術(shù)要求與本文2.2 節(jié)中開關(guān)箱的要求相同；

4）照明燈具選擇LED（Light-Emitting Diode）投光燈，功率為200 W，屬于暖色光聚光燈，防護(hù)等級為IP65［6］；

5）考慮到在特長海底隧道內(nèi)施工的安全性，照明燈具的電制選擇DC 12 ～24 V［7］，同時(shí)因管節(jié)較長易導(dǎo)致壓降過大，臨時(shí)照明系統(tǒng)的AC 380 V電源到燈具附近之后，先經(jīng)變壓整流模塊箱轉(zhuǎn)為DC 24 V再接入燈具，變壓整流模塊箱上掛的燈具不超過5 個(gè)；

6）由于照明燈具的電制選擇的是DC 12 ～24 V，回路電纜較粗，無法與投光燈填料函匹配，需在投光燈前加一個(gè)接線盒過渡；

7）燈具的外殼選用非金屬外殼，不需要接地；

8）為保證施工的安全性和后續(xù)電纜可重復(fù)利用，照明電纜走線穿PVC管。

2.4 PoE供電

PoE交換機(jī)是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)結(jié)構(gòu)下增加PoE模塊得到的，其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變。PoE交換機(jī)主要由管理模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、PoE模塊和電源模塊等組成。當(dāng)交換機(jī)檢測到其網(wǎng)絡(luò)端口連接的設(shè)備為PD 設(shè)備時(shí)，PoE交換機(jī)開始為該設(shè)備供電［8］。CCTV系統(tǒng)可選用PoE交換機(jī)，使網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的電源由PoE提供，優(yōu)點(diǎn)是能節(jié)省這部分?jǐn)z像機(jī)的電源電纜和安裝物量，便于現(xiàn)場施工。

2.5 接地要求

1）配電箱和開關(guān)箱的金屬箱體、金屬電器安裝板、電器正常不帶電的金屬底座和外殼等必須通過PE線端子排與PE線做電氣連接，金屬箱門與金屬箱體必須通過采用編織軟銅線做電氣連接［5］；

2）無論是箱內(nèi)的插座還是箱外的插座，都需接地；

3）塢邊電箱和塢內(nèi)電箱的工作零線與保護(hù)零線需分開，臨時(shí)用電電力系統(tǒng)嚴(yán)禁利用大地做相線或零線；

4）當(dāng)岸電或（和）船電系統(tǒng)為中性點(diǎn)接地的交流三相系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)將管節(jié)與岸電相連接；

5）在TN系統(tǒng)（T指系統(tǒng)中電源變壓器中性點(diǎn)直接接地，N指系統(tǒng)中電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與電源端接地點(diǎn)有直接電氣連接）中，嚴(yán)禁將單獨(dú)敷設(shè)的工作零線重復(fù)接地；

6）當(dāng)照明燈具使用金屬外殼時(shí)，必須與PE線相連接；

7）當(dāng)PE線所用材質(zhì)與相線和工作零線（N線）相同時(shí)，其最小截面應(yīng)符合表1 的規(guī)定［5］。

表1 PE線截面與相線截面的關(guān)系

2.6 布置與安裝

1）總配電箱應(yīng)設(shè)置在靠近電源的區(qū)域；分配電箱應(yīng)設(shè)置在用電設(shè)備或負(fù)荷相對集中的區(qū)域；分配電箱與開關(guān)箱的距離不得超過30 m；開關(guān)箱與其控制的固定式用電設(shè)備的水平距離不宜超過3 m。［5］

2）由于電纜選用無鎧裝，故采用架空法敷設(shè)電纜；架空電纜應(yīng)沿支架或墻壁敷設(shè)，并采用絕緣緊固件固定；綁扎線必須采用絕緣線，固定點(diǎn)間距應(yīng)保證電纜能承受自重帶來的荷載，但沿墻壁敷設(shè)時(shí)最大弧垂距地不得小于2 m。

3）動力開關(guān)箱與照明分電箱分開布置［5］。

4）動力電纜與信號電纜分開敷設(shè)。

5）CCTV系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)能清晰地觀測到壓載水尺的刻度。

6）在布置信號電纜時(shí)，需注意5 類網(wǎng)線的傳輸距離不應(yīng)超過90 m，必要時(shí)需增加信號放大器。

7）照明燈具與變壓整流模塊箱的距離盡量不超過10 m。

8）室外燈具距離地面不小于3 m，室內(nèi)燈具距離地面不小于2.5 m。普通燈具與易燃物之間的距離不宜小于300 mm；聚光燈和碘鎢燈等高熱燈具與易燃物之間的距離不宜小于500 mm，且不得直接照射易燃物。當(dāng)達(dá)不到規(guī)定的安全距離時(shí)，應(yīng)采取隔熱措施。

2.7 成本節(jié)約

由于深中通道的海底隧道是采用沉管法敷設(shè)的，32 個(gè)管節(jié)都是按既定的順序建造、運(yùn)輸和沉放的，因此除了管節(jié)內(nèi)的主動力電纜和照明電纜，其余電纜都可在管節(jié)沉放完成之后拆除給未建造的管節(jié)使用，達(dá)到節(jié)約成本的效果。同樣的，相關(guān)配電箱和開關(guān)箱只需要6 套即可滿足10 個(gè)管節(jié)的使用需求。針對該方案，結(jié)合生產(chǎn)進(jìn)度的要求，本文所述項(xiàng)目購買6 個(gè)管節(jié)的電氣資材供10 個(gè)管節(jié)使用。材料選擇方案如下：

1）選用YJVR0.6／1KV銅芯軟電纜確保重復(fù)拆裝電纜不會影響電氣性能和電纜護(hù)套。銅芯軟電纜的價(jià)格約為常規(guī)電纜的1.15 倍，深中通道各管節(jié)可拆除的電纜長約1 000 m，該方案可節(jié)約電纜成本31%。

2）選用磁性吸附支架，可重復(fù)拆除和安裝。

3）沉管相關(guān)配電箱和開關(guān)箱可節(jié)約成本40%。

3 結(jié) 語

對于深中通道鋼殼沉管項(xiàng)目而言，由于海底沉管隧道施工的特殊性，有時(shí)要同時(shí)滿足船舶和陸地的相關(guān)電氣要求，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建造過程中，設(shè)計(jì)人員需不斷學(xué)習(xí)和理解土建方面的電氣技術(shù)要求和規(guī)范。

本文在介紹沉管臨時(shí)用電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)要求進(jìn)行了凝練和分析，并給出了具體的實(shí)施方案，為工程的順利開展打下了基礎(chǔ)，可供同類型沉管工程的開展參考。對于此類由多段沉管組成的海底隧道工程而言，采用可重復(fù)拆裝的電氣方案能大大減少一次舾裝的電氣材料成本，達(dá)到降本增效的目的，值得推廣。