浅谈TBM施工现场节约用电方案

刘建成

（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁沈阳 110179）

0.概述

引绰济辽输水工程隧洞段施工二标项目位于内蒙古自治区兴安盟，隧洞采用钻爆法+开敞式TBM施工方法。两台TBM掘进长度分别为19km。根据工程施工特点，钻爆与TBM掘进的连续性较差，周期变化较大，用电有高峰有低谷，供电系统中各级变压器的负荷变化大，且日平均负荷率较低，变压器在较低负荷下运行时，输出的有功功率少，但使用的无功功率并未减少，功率因数低，电能损耗大。针对本工程施工现场生产、生活用电各环节中电能的损耗和浪费现象，采取的节约用电方案如下。

1.正确选择变电所位置

据负荷的容量和分布，配变电所宜靠近负荷中心[1]。变电所0.4kV有效供电半径一般不超过500m，对于施工现场用电设备容量大和数量多的情况，可分别设置多个变电所为其供电，使其尽可能的缩短线路供电距离，以减少线路电压降的影响和降低线路的损耗。据资料介绍当10kV供电线路负荷500kVA，一年内用电时间2000h，变电所向负荷中心移动180m，一年内节约用电5320kW·h，而180m高压架空线路与多回路长距离低压电缆相比，投资是微乎其微的。由此可见，确定好变电所位置是节约电能的主要途径之一。

2.提升线路功率因数

提高功率因数的办法是在于如何减少系统中所需的无功功率，主要是减少负载需要的无功功率。施工现场线路的功率因数一般普遍较低，约为0.75左右，从这个关系式P=√3UIcosφη中可以看出：当P输出功率一定时，cosφ变小，则I变大，可见线路损耗增大；若线路电压降不变，当cosφ变小时，则P变小，显然同样设备的有效输出容量减小，造成了设备浪费及增加了投资。根据以上分析：（1）从提高电动机、变压器的负载率，尽可能的使供电线路布置趋于合理来提高功率因素。（2）可以在线路中并联接入电容器的方法，利用电容电流补偿电感电流，达到补偿感性负载消耗的无功功率，以提高功率因数及降低电能损耗。例如，工地使用315kVA箱式变一台，高压侧设置有功、无功电能表，低压侧设置电流表、电压表，抄录一天消耗的P有功电能、Q无功电能，按照tgφ=Q/P，得到φ角为52.42度，cosφ=0.61。电流表显示在390A范围内波动，315kVA变压器的额定电流455A，可见负载电流达到了额定电流的86%，但是按照P=√3UIcosφη得到此变压器输出实际功率为165kW，说明此供电系统的损耗较大，而设备的利用率却很低。针对这种情况采取电容补偿来提高功率因数，将功率因数补偿到cosφ=0.95,电流I=P/√3Ucosφη＝251A，因线损与电流平方成正比，与补偿前电流390A相比，线路损耗降到原来的41%。因电流仅有251A，输出功率计算仅有165kW，因此可选用250kVA变压器替代，其额定电流为360A，而负荷电流251A只占额定的70%，还有30%的裕量。由此可见，采取并联电容器的补偿方法，不仅提升了功率因数、还改善了用电的质量，节约了电能、减少了投资。

3.改善用电设备效率

电动机是工地现场消耗无功功率主要设备，电动机运行时需要的无功功率一般超过总用电功率的65%，Y、Y2、Y3系列的老式电动机仍在现场使用，应选用新型YE3等系列超高效节能电动机，其损耗较Y系列下降35%左右。现场使用的电动机一般处于轻、重载交替或轻载下运行，功率因数、效率较低，电能损耗较大。因此除电动机容量要按照负载特性和运行状况适当选择以外，还需安装自动转换节电装置（如变频器等），以提高电动机轻载时功率因数及效率，节约有功电能和降低无功损耗。电焊机是施工现场经常用的设备，因间断工作，大部分的时间处在空载下运行，消耗电能较大；在其供电回路中加装空载自动延时断电器，可限制其空载损耗，是一项行之有效的节电措施。经对一台40kVA交流电焊机，每天按8h计算，加装断电器后，可节约有功电能8kW·h、无功电能25kvar·h，节电效益一年内可收回设备成本。另外，施工现场照明应选用LED灯具或灯带等高效节能型产品。

4.保持三相负载平衡

低压配电系统三相负荷宜保持平衡，最大相负荷不宜超过三相负荷平均值的115%，最小相负荷不宜小于三相负荷平均值的85%[2]。为达到施工用电三相负载平衡，在变配电工程设计期间就应该充分考虑，按照不同用电设备的负荷性质分类，尽可能做到三相负载趋于平衡。例如工地电缆每相电阻R=0.3Ω,中性线电阻R0=0.3Ω，经测试三相电流不平衡，Ia=60A、Ib=40A、Ic=20A，用对称分量法计算中性线电流：I0＝√Ia2＋Ib2＋Ic2-(Ia×Ib)- (Ia×Ic)-(Ib×Ic)≈32(A)；按照公式P=UI=I2R三相电流不平衡时的电能损失：P1＝[(Ia2+Ib2+Ic2)R+I02×R0]/103≈1.9(kW)；三相电流平衡时(Iabc=40A，I0=0)电能损失：P2＝3×Iabc2R/l03≈1.4(kW)；年电能损耗：P3＝(Pl-P2)×365×24≈4380(kW•h)；可知平衡三相负载的接线，可以节约大量电能。

5.加强现场用电管理

加强用电管理，减少不必要的电能损耗[3]。

（1）克服临时用电凑合的观点，应选用合格的电线电缆，严禁使用断股、断芯破旧的线缆，以防止线径不足或接触不良发热等，造成电能消耗，引起火灾发生。

（2）临时用电应严格按照规范进行施工，接线时应选用合格接线端子，不得直接缠绕在端子上接线，铜铝连接必须装设铜铝过渡接线端子，克服电化学腐蚀而引起的接触不良发热现象。

（3）在施工现场电源搭接作业前，应向现场主管部门提出申请，并注明负载性质和用电容量，经主管部门批准后，按照指定的线路及接线部位搭接电源，未经主管部门允许，不得擅自在线路上乱接电源。

6.TBM及其附属设备节电措施

针对TBM及其附属设备运行中存在电能损耗和浪费现象，现主要从以下几个方面采取节约电能措施：

（1）合理调整变频器使用频率。因本项目TBM现阶段掘进、通风距离较短及洞内空气质量优，在满足工作面所需供风量前提下，可适当调整降低变频器的输出频率，减少通风机组的功率输出，使其处在轻载下运行，又因通风机组需连续长时间工作，因此不仅节约了电能，还延长了设备使用寿命。

（2）杜绝设备非工作需要空载运行。在TBM掘进与皮带机运行配合方面，在TBM停机时皮带、油泵等启停配合方面，存在设备长时间空载运行及功率损耗大的现象，可根据现场具体情况，及时做好各设备之间的启停调整，以提高设备有效利用率，节能降费。

（3）注重现场巡查及时做好检修处理。对TBM上的油系统、水系统、压缩空气系统等做到经常巡查，对长距离供排水系统等做到每班巡查，如发现有泄漏、渗漏现象及时处理或检修，以提高油泵站、水泵及空压机等设备有效利用率，减少设备频繁启动，降低功率损耗。

（4）结合现场实际确定关停无用设备。因洞内环境温度低和TBM外循环水温度可控，水冷机组制冷效果起不到应有作用，经研究确认后现已关停该设备，节约了电能。

7.结语

因施工现场的电能损耗和浪费现象比较严重，多数施工现场缺乏完善的节约用电方案。因此项目应从变配电系统设计开始，正确计算用电负荷及用电量，合理选配节能用电设备，科学考虑变配电设备及线路的布置，注重安装质量，加强用电管理，制定节约用电措施及奖惩办法，使得施工现场电能损耗和浪费降到最低限度，以减少项目施工成本和提高经济效益。希望本文粗浅总结能为今后TBM施工现场节约用电积累经验，并提供参考与借鉴。