深中通道沉管临时用电系统的设计与布置

卢俊奇，晏恭冬，加香君，章飞飞，肖 宁

（中船黄埔文冲船舶有限公司，广东广州511462）

0 引 言

随着我国海工建造实力的不断提升，造船厂在海洋工程结构物领域的业务范围越来越广，中船黄埔文冲船舶有限公司承建的深中通道钢壳沉管项目就是一个全新的尝试。深中通道是世界级超大“桥、岛、隧、地下互通”集群工程，是国家“十三五”重大工程和《珠三角规划纲要》确定建设的重大交通基础设施，是连接广东自贸区三大片区、沟通珠三角“深莞惠”与“珠中江”两大功能组团的重要交通纽带，是粤港澳大湾区令世界瞩目的海域工程［1］。深中通道采用东隧西桥方案，其中海底隧道采用预制管节沉放法（简称沉管法）建设。隧道由26 个标准钢壳沉管管节、6 个非标钢壳沉管管节和1 个水中最终接头组成，总长度为5 035 m［2］。沉管法是海底建筑隧道施工采用的一种方法，其施工流程是：先在船台上或干坞中制作隧道管节，用临时封墙将管节两端密封之后，将其拖运到隧道设计位置；定位之后，向管节内加注压载水，使其下沉至预先挖好的海底沟槽内；所有管节逐节沉放完毕之后，拆除封墙，使各管节连通，成为整体的隧道。

此次钢壳混凝土沉管施工为国内首次，技术难度较高，极具挑战性。从管节建造到沉管，再到隧道通车，整个周期内的施工和运作所需电源全部来自临时用电系统。管节下沉之前可将其看作是非自航钢质海船，管节下沉之后需满足陆电施工现场规范的相关要求，因此在设计临时用电系统时需考虑不同环境的差异，做到兼容、安全、可靠。本文结合船电和陆电设计的相关要求，分析临时用电系统的设计实例，给出现场问题的解决方案，供类似产品的设计人员参考。

1 系统组成

沉管临时用电系统由沉管配电系统、临时照明系统、沉管压载水系统、CCTV（Closed Circuit Television）系统和施工用电系统组成。沉管配电系统作为整个沉管的电力供应系统，相当于船舶的电力二次系统，其子系统（包括临时照明系统、沉管压载水系统、CCTV系统和施工用电系统）对应船舶电气子系统，辅助完成管节的制造、运输、下沉和二次施工。

1.1 沉管配电系统

沉管配电系统是临时用电系统的重要组成部分，通过岸上供电和船上供电为管节的子系统提供低压电力。沉管配电系统架构见图1。

图1 沉管配电系统架构

本文所述项目结合实际情况选择馈线式配电系统，设置配电柜（一级电箱）、分配电箱（二级电箱）和开关箱（三级电箱），实行三级配电，即各区配电板、分配电板和重要负载的电源分别通过各自的馈电电路，直接从主配电板获得。该系统的主要优点如下：

1）电缆数量少；

2）保护装置数量少，便于维护；

3）主要供电开关集中在1 个控制场所内，便于集中控制；

4）增加用电设备方便；

5）与环路式相比，设备的价格便宜。

1.2 临时照明系统

临时照明系统也是临时用电系统的重要组成部分，用于在管节建造到隧道通车阶段提供照明，是施工作业的必要条件。该系统由照明电箱、投光灯、照明接线盒和变压整流模块箱组成，其典型架构见图2。

图2 临时照明系统典型架构

1.3 沉管压载水系统

沉管压载水系统的功能是通过对管节内的16 个压载舱进行调节，保持其在漂浮状态下的稳性，这一点与船舶压载水的功能相同。当管节到达指定位置之后，系统继续打入压载水使其下沉，这是连通整个隧道的重要前置工序。沉管压载水系统由测控柜、压载水泵控制箱、液位传感器和电磁阀组成，其架构见图3。

图3 沉管压载水系统架构

1.4 CCTV系统

CCTV 系统用于在沉管时远程观测压载舱的吃水状态，是沉管工程的辅助系统。该系统由主机、显示器、硬盘录像机、交换机和网络球形摄像机组成。主机处理器采用冗余配置，以实现热备用操作；存储器用于存放系统程序和用户控制程序。［3］

1.5 施工用电系统

施工用电系统的功能是为管节和隧道提供施工电源，通过开关箱（三级配电箱）和开关插座实现。

2 设计实例和安装注意要点

2.1 电缆选型

目前钢质海船电网采用三相三线中性点绝缘系统，陆电采用三相四线制，故整个沉管电网的电缆规格按陆电模式选择。管节外供电分为3 个阶段，其中：第一个阶段为船台建造阶段，使用船厂岸电供电；第二个阶段为管节下沉阶段，使用船上发电机为管节供电；第三个阶段为隧道阶段，在所有管节拼接完成之后，使用岸电为横跨整个隧道的主动力电缆供电。考虑到安全性和兼容性，这里选用TN-S供电系统［4］，电制为AC 380 V 50 Hz 3PH，故电缆选用三相+N线+PE 线的形式。本文所述项目的电缆采用YJVR0.6／1KV 铜芯软电缆。前期先按船电三相三线使用，不接N线和PE线，后期在所有管节下沉拼接完之后接N线和PE 线组成陆电三相四线，由此即可改为陆电电制模式。由于沉管在海洋环境中的特殊性，这里也可采用交流三相三线绝缘的IT系统（I指系统中电源变压器中性电不接地，T 指系统中电气装置的外露可导电部分直接接地）。电缆相线、N线和PE线的颜色标记必须符合相关规定［5］，即

1）相线L1（A）、L2（B）和L3（C）相序的绝缘颜色依次为黄色、绿色和红色；

2）N线的绝缘颜色为淡蓝色，PE线的绝缘颜色为绿／黄双色；

3）在任何情况下上述颜色标记都不得混用和互相代用。

2.2 电箱的相关要求

1）分配电箱和开关箱应装设端正、牢固。固定式分配电箱和开关箱的中心点与地面的垂直距离应为1.4 ～1.6 m。移动式分配电箱和开关箱应装设在坚固、稳定的支架上，其中心点与地面的垂直距离宜为0.8 ～1.6 m。考虑到拆装的便利性和后续管节可重复利用，本文所述项目的电箱采用可移动式安装方式安装。

2）电箱的电器安装板上要分设N线端子排和PE线端子排，其中：N线端子排与金属电器安装板绝缘；PE线端子排与金属电器安装板采用电气连接。进出线中的N线通过N线端子排连接；PE线通过PE线端子板连接。

3）电箱带内门、门锁和电源指示灯；采用可见断点透明断路器；有N线和PE线端子排；内部断路器间采用铜排连接；喷塑；开门之后电箱的防护（Ingress Protection，IP）等级不低于IP22，关门之后电箱的防护等级不低于IP44［5］；所有插座都配置1 个插头。

4）分配电箱应装设总隔离开关、分路隔离开关、总断路器、分路断路器（或总熔断器）和分路熔断器。开关箱装设隔离开关、断路器（或熔断器）和漏电保护器。

5）隔离开关应在分断时具有可见分断点，能同时断开电源所有极的隔离电器，并应设置于电源进线端。当断路器具有可见分断点时，可不另设隔离开关。开关箱中的隔离开关只可直接控制照明电路和容量不大于3 kW的动力电路，不应频繁操作。容量大于3 kW的动力电路应采用断路器控制，操作频繁时还应设置接触器或其他启动控制装置。

6）开关箱中漏电保护器的额定漏电动作电流不应大于30 mA，额定漏电动作时间不应超过0.1 s。在潮湿或有腐蚀介质的场所使用的漏电保护器应为防溅型产品，其额定漏电动作电流不应大于15 mA，额定漏电动作时间不应超过0.1 s。总配电箱中漏电保护器的额定漏电动作电流应大于30 mA，额定漏电动作时间应超过0.1 s，但其额定漏电动作电流与额定漏电动作时间的乘积不应大于30 mA·s［5］。

7）漏电保护器的选择应符合《剩余电流动作保护器的一般要求》（GB／T 6829—2017）和《剩余电流动作保护装置安装和运行》（GB／T 13955—2017）的规定。当漏电保护器为同时具有短路、过载和漏电保护功能的漏电断路器时，可不设置断路器或熔断器。漏电保护器宜选用无辅助电源型（电磁式）产品，或辅助电源发生故障时能自动断开的辅助电源型（电子式）产品。当选用辅助电源发生故障时不能自动断开的辅助电源型（电子式）产品时，应同时设置缺相保护。

2.3 临时照明设计与设备选型

1）在设计临时照明系统回路时要注意三相负载平衡，每相的负载应尽可能地在其负载的15%内平衡；2）在每个单相回路上，灯具数量不宜超过25 个，负荷电流不宜超过15 A；

3）照明电箱需预留一个24 V插座，供低位照明灯带使用，其他技术要求与本文2.2 节中开关箱的要求相同；

4）照明灯具选择LED（Light-Emitting Diode）投光灯，功率为200 W，属于暖色光聚光灯，防护等级为IP65［6］；

5）考虑到在特长海底隧道内施工的安全性，照明灯具的电制选择DC 12 ～24 V［7］，同时因管节较长易导致压降过大，临时照明系统的AC 380 V电源到灯具附近之后，先经变压整流模块箱转为DC 24 V再接入灯具，变压整流模块箱上挂的灯具不超过5 个；

6）由于照明灯具的电制选择的是DC 12 ～24 V，回路电缆较粗，无法与投光灯填料函匹配，需在投光灯前加一个接线盒过渡；

7）灯具的外壳选用非金属外壳，不需要接地；

8）为保证施工的安全性和后续电缆可重复利用，照明电缆走线穿PVC管。

2.4 PoE供电

PoE交换机是在传统以太网交换机结构下增加PoE模块得到的，其他拓扑结构不变。PoE交换机主要由管理模块、数据交换模块、PoE模块和电源模块等组成。当交换机检测到其网络端口连接的设备为PD 设备时，PoE交换机开始为该设备供电［8］。CCTV系统可选用PoE交换机，使网络摄像机的电源由PoE提供，优点是能节省这部分摄像机的电源电缆和安装物量，便于现场施工。

2.5 接地要求

1）配电箱和开关箱的金属箱体、金属电器安装板、电器正常不带电的金属底座和外壳等必须通过PE线端子排与PE线做电气连接，金属箱门与金属箱体必须通过采用编织软铜线做电气连接［5］；

2）无论是箱内的插座还是箱外的插座，都需接地；

3）坞边电箱和坞内电箱的工作零线与保护零线需分开，临时用电电力系统严禁利用大地做相线或零线；

4）当岸电或（和）船电系统为中性点接地的交流三相系统时，应将管节与岸电相连接；

5）在TN系统（T指系统中电源变压器中性点直接接地，N指系统中电气装置的外露可导电部分与电源端接地点有直接电气连接）中，严禁将单独敷设的工作零线重复接地；

6）当照明灯具使用金属外壳时，必须与PE线相连接；

7）当PE线所用材质与相线和工作零线（N线）相同时，其最小截面应符合表1 的规定［5］。

表1 PE线截面与相线截面的关系

2.6 布置与安装

1）总配电箱应设置在靠近电源的区域；分配电箱应设置在用电设备或负荷相对集中的区域；分配电箱与开关箱的距离不得超过30 m；开关箱与其控制的固定式用电设备的水平距离不宜超过3 m。［5］

2）由于电缆选用无铠装，故采用架空法敷设电缆；架空电缆应沿支架或墙壁敷设，并采用绝缘紧固件固定；绑扎线必须采用绝缘线，固定点间距应保证电缆能承受自重带来的荷载，但沿墙壁敷设时最大弧垂距地不得小于2 m。

3）动力开关箱与照明分电箱分开布置［5］。

4）动力电缆与信号电缆分开敷设。

5）CCTV系统的网络摄像机能清晰地观测到压载水尺的刻度。

6）在布置信号电缆时，需注意5 类网线的传输距离不应超过90 m，必要时需增加信号放大器。

7）照明灯具与变压整流模块箱的距离尽量不超过10 m。

8）室外灯具距离地面不小于3 m，室内灯具距离地面不小于2.5 m。普通灯具与易燃物之间的距离不宜小于300 mm；聚光灯和碘钨灯等高热灯具与易燃物之间的距离不宜小于500 mm，且不得直接照射易燃物。当达不到规定的安全距离时，应采取隔热措施。

2.7 成本节约

由于深中通道的海底隧道是采用沉管法敷设的，32 个管节都是按既定的顺序建造、运输和沉放的，因此除了管节内的主动力电缆和照明电缆，其余电缆都可在管节沉放完成之后拆除给未建造的管节使用，达到节约成本的效果。同样的，相关配电箱和开关箱只需要6 套即可满足10 个管节的使用需求。针对该方案，结合生产进度的要求，本文所述项目购买6 个管节的电气资材供10 个管节使用。材料选择方案如下：

1）选用YJVR0.6／1KV铜芯软电缆确保重复拆装电缆不会影响电气性能和电缆护套。铜芯软电缆的价格约为常规电缆的1.15 倍，深中通道各管节可拆除的电缆长约1 000 m，该方案可节约电缆成本31%。

2）选用磁性吸附支架，可重复拆除和安装。

3）沉管相关配电箱和开关箱可节约成本40%。

3 结 语

对于深中通道钢壳沉管项目而言，由于海底沉管隧道施工的特殊性，有时要同时满足船舶和陆地的相关电气要求，在项目设计和建造过程中，设计人员需不断学习和理解土建方面的电气技术要求和规范。

本文在介绍沉管临时用电系统的基础上，对整个系统的架构和关键技术要求进行了凝练和分析，并给出了具体的实施方案，为工程的顺利开展打下了基础，可供同类型沉管工程的开展参考。对于此类由多段沉管组成的海底隧道工程而言，采用可重复拆装的电气方案能大大减少一次舾装的电气材料成本，达到降本增效的目的，值得推广。