TBM施工临时用电方案设计浅析

摘要：本文以新疆喀双输水隧洞项目两台TBM施工临时用电方案设计为例，对全厂供变电系统中区域变电所规划布置、高压供电方式选择等进行归纳总结。着重介绍了用电设备的负荷计算、线路电压降校验，应急电源选配等，在设计中应用六氟化硫和固态绝缘高压环网柜，提升了临时用电的可靠性和安全性;在设计中应用铝制电缆作为高压供电线路，大大降低了成本。

关键词：新疆喀双;临时用电;供电系统;电缆校验;应急电源

中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：2096-6903（2021）10-0039-03

0概述

新疆喀双输水隧洞工程，主洞采用两台TBM施工，上游为TBM7施工段、下游为TBM8施工段，全长约38 km。交通支洞长约5 km（已形成）。临建设施：生活区建筑面积7 761 m，辅助生产区建筑面积4 750 m;施工排水：主洞排水3 km布置1台管道泵，支洞排水分兩级排至洞外;通风系统：TBM施工通风采用一站压入式通风系统，在支洞洞口附近布置2套轴流风机;出渣系统：TBM主洞出渣采用连续皮带机，支洞出渣采用固定皮带机，均采用头部驱动加中间驱动的方式。

1供变电系统设计

本工程全厂供变电系统比较复杂，供电区域分散、用电设备数量繁多，电压等级涉及20 kV、10 kV、0.69 kV、0.4 kV;设计包括：10 kV、20 kV供电线路电缆选型，10/0.4（0.69）kV TBM附属设备、辅助生产设备各场地及生活区部位区域变电所布置，负荷计算及开闭所、箱式变设计选配。

（1）临建设施的供变电系统划分为两个区域，即辅助生产区和办公生活区;按照规范要求：据负荷的容量和分布，配变电所宜靠近负荷中心[1]。并经负荷计算，辅助生产区两负荷中心分别布置630 kVA、250 kVA箱变各1台;办公生活区布置500 kVA箱变1台。

（2）TBM附属设备经负荷计算，在支洞二级排水布置1台1 250 kVA箱式变，在支洞一级排水布置1台1 000 kVA箱变。在主支洞交叉口处TBM7、8连续皮带机头部驱动各布置1台1 600 kVA箱变，在中间驱动各布置1台1 250 kVA箱变。在支洞口固定皮带机头部驱动、中间两驱动各布置1台1 600 kVA箱变。在支洞口两组通风机组布置1台1 250 kVA箱变。在洞外排水泵、转渣皮带等部

作者简介：刘建成（1974—），男，山西大同人，本科，高级工程师，研究方向：电气自动化及供配电技术管理。

位布置1台800 kVA箱变。

（3）在TBM7、8掘进期间，主洞沿线排水管路每3 km布置1台管道泵、每1 km布置1台潜水泵，按TBM8 施工段20 km计算，排水系统总功率∑Pe=37×6+3×20= 282 kW;并考虑洞内衬砌灌浆用电负荷约120 kW，因此在主洞沿线每间隔3 km布置一台箱变，所带负荷为∑Pe=37+9+120=166 kW，经负荷计算250 kVA箱变可满足要求。

（4）从35 kV变电站引出10 kV馈线5回，1回引至辅助生产区和办公生活区，沿线架设JKLGYJ-95/12线路为两区域供电。2、3回分别引至洞外TBM附属设备区，其中1回经支洞皮带头驱箱变环网柜配电后，引至洞内皮带中驱箱变，为支洞皮带驱动供电;另1回经洞外开闭所配电后为洞内、外所属箱变供电。4、5回分别引至洞外TBM附属设备区，经洞外两开闭所通断后，引至主支洞交叉口处，分别与TBM7、8主洞皮带头驱箱变环网柜配电后，引至各自中驱箱变，为上、下游主洞皮带驱动供电。

（5）35 kV变电站可提供的20 kV馈线两回，经洞外两20 kV开闭所通断后，引入至主洞为TBM7、8本体供电。

2负荷计算

在方案初步设计及施工图设计阶段，宜采用需要系数法进行负荷计算[2]。利用以下公式在Excel中通过自动计算，可得到所选择的变压器容量、无功补偿量及各用电负荷回路额定电流等计算值。

有功功率：P=K·P（K为需要系数，P为设备额定功率之和）;

无功功率：Q=P·tanφ（tanφ为功率因数cosφ角正切值）;

视在功率：;额定电流：（U为额定电压）;

无功补偿量：ΔQ=P（tanφ1-tanφ2）（tanφ1、2电容补偿前、后cosφ角正切值）;

变压器容量：S～S/（0.70～0.80）（变压器负荷率一般为0.70～0.80）等。

例如：洞外一级排水及区域设备用电负荷计算（如表1）。

经表中计算得到：变压器容量选择800 kVA，负荷率约70%;低压侧母线上配置无功补偿量为160 kvar。注：因选配箱式变较多，负荷计算不再一一列出，计算与上相同。

3线路电压降校验

（1）20 kV供电线路电压降校验。

根据提供的TBM总装机容量5 200 kVA，电压等级20 kV，则额定电流：

电缆采用洞外直埋及洞内沿洞壁明敷挂设方式;查找35 kV铜电缆载流量表可知，3×150 mm电缆直埋允许载流量为242 A。根据电缆长度校验电缆压降是否满足供电要求，从35 kV变电站引至TBM掘进最远距离电缆长度约为26 km。根据规范要求：20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%[3]，因此按照电压降值最大不超过ΔU=20 000×（±7%）=±1 400 V判别。

电压降计算如下：

从高压交联聚乙烯绝缘铜电缆35 kV表中，可查得150 mm的电阻R1=0.143 Ω/km、电抗X1=0.112 Ω/km;功率因数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绝对值<1 400 V，符合要求;

并经短路电流流过电缆热稳定校验（S≥SQRT（Q）/C*100），满足要求。

因此，选用20/35 kV YJV22-3×150 mm电缆为TBM专线供电。

（2）10 kV供电线路电压降校验。

例如：对支洞一、二级排水系统10 kV电缆线路校验;同一回路采用分段供电的方式，分别为1 250 kVA、1 000 kVA箱式变和11台250 kVA箱式变供电;按照电压降值最大不超过ΔU=10 000×（±7%）=±700 V判别。

电压降计算如下：

按以上电缆敷设方式，高压交联聚乙烯绝缘铝电缆10 kV表中，查得3×185 mm电缆直埋允许载流量310 A，电阻R1=0.192 Ω/km、电抗X1=0.09 Ω/km;功率因数cosφ取0.90，得tanφ≈0.484。

①Se=1 250+1 000+11×250=5 000 kVA，支洞二级排水供电回路长约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，支洞一级排水供电回路长约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

经以上计算可知，校验此供电回路全长度电缆压降为：

ΣΔU=ΔU1+ΔU2=371+199=570 V

ΣΔU绝对值<700 V，符合要求;

并经短路电流流过电缆热稳定校验（S≥SQRT（Q）/C*100），满足要求。

因此，选用8.70/15 kV YJLV22-3×185 mm电缆为支洞一、二级排水供电。

备注：因供电线路较多，电压降及热、动稳定校验不再一一列出，计算与上相同。

4应急电源选配

在TBM7、8掘进期间，为了保证施工安全性，确保电网停电后对洞内一级负荷继续供电，即对支洞、TBM8施工段部分排水和洞内照明、通讯等供电;经以下负荷计算，设计选用：0.4 kV 550 kW柴油发电机组2台，经S13-10/0.4-630变压器2台升压至10 kV，通过洞外开闭所两备用进线柜同期并列运行，为洞内应急系统供电。

柴油发电机组负荷计算：

计算有功功率：

其中：P—实际计算有功功率;k—所有负荷的同时系数取0.90;k—各负荷的负载率取0.80;k—各负荷的机电转换效率。

各负荷有功功率计算（如表2）。

发电机容量计算：

P=（P-P）/η+P×K×C×cosφ

其中：P—起动容量最大的电动机或成组电动机的容量，kW;

η—总负荷的计算效率，一般取0.85;

K—电动机的起动倍数，取6;

C—启动方式电压降系数，全压起动C=1.00，Y-Δ起动C=0.67，自耦变压器起动50%抽头C=0.25，65%抽頭C=0.42，80%抽头C=0.64，软启动C=0.30～0.70取0.50;

cosφm—电动机的起动功率因数，一般取0.40;

由上式，按照280 kW排水泵最后启动，发电机容量为：P=（736-280）÷0.85+280×6×0.50×0.40=873 kW。

因此，选用功率为550 kW柴油发电机组2台并列运行，作为洞内应急电源。

5结语

本工程临时用电方案设计，结合施工现场实际，合理布置各区域变电所、优化变配电设备及高压供电线路的配置选型，在提高现场临时用电可靠性和安全性的基础上，既满足了洞内狭窄安装空间要求，又方便了现场操作维护;应用铝制电缆作为高压供电线路，既方便了现场安装拆卸，又降低了成本。本次设计已投运的10/0.4 kV欧式、美式箱变和10 kV开闭所共计30余台，各供变电系统至今运行良好，报警、跳闸功能动作准确可靠。希望本文粗浅总结能为今后临时施工用电方案设计积累经验，并提供参考与借鉴。

参考文献

[1]GB50052-2009，供配電系统设计规范[S].2009.

[2]JGJ16-2016，民用建筑电气设计规范[S].2016.

[3]GB/T12325-2008，电能质量供电电压偏差[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 solid­state 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