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，由鐵路相關部門及電力相關部門共同組成。針對施工供電用電需求、變電站設置方案、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合的方案進行了多次論證，目前方案已通過評審。

川藏鐵路供電工程施工標已完成了設計及招標，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，建設有110／35 kV變電站1座、35 kV開關站（變電站）5座、10 kV開關站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，共設置10座集中變電站或開關站。

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

基于隧道口變電站建成的前提下，通過現場調查，確定康定2號隧道施工各類用電設備主要包括：TBM隧道掘進機、連續皮帶機系統及隧道內照明、通風、供排水系統等。以上設備運行方式、供電電壓均有差異。針對以上用電設備的用電需求，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，分為兩個土建標段進行招標，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。

機械化配套是川藏鐵路建設的必然選擇，更是建筑市場未來的發展方向，施工企業必須扎實研究并踐行［1］。是否采用TBM進行隧道開挖，需要從多方面綜合考慮，如地質情況調查和足夠的TBM能力、開挖長度的分析、TBM開工的選址條件、合理的機型及后配套系統，常規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、調試

TBM是一種多環節緊密聯系的作業系統，包括破巖、出碴、支護、翻碴、電力供應以及各種輔助設施［2］。為了滿足龐大系統正常連續作業，需要做大量的前期準備工作。

（1）預備洞、出發洞開挖

TBM掘進機的組裝場應設于洞口前方，當洞口場地不能滿足整機組裝要求時，應設置組裝預備洞室［3］。

為了保證TBM盡快投入正常的掘進工作，需要根據現場實際地質情況，采用鉆爆法提前開挖預備洞室，所需預備洞長度大約300 m。

預備洞前段設置出發洞，長度約10 m。出發洞亦采用鉆爆法施工。預備洞及出發洞連接處應預留足夠的空間用來拆卸TBM的步進裝置［4］。

（2）組裝洞設備配套

TBM進場后需在洞內完成組裝，安裝組裝吊機，需設龍門吊20 t、150 t各1臺，汽車吊3臺，規格8 t、16 t、75 t各1臺。設備配套需同時配備電力設施，如配電箱、組合插座、電纜、各類插頭插座等。

2.3 既有電源設施

距離康定2號隧道出口段250 m附近，靠近公路設置一座110／35 kV變電所，單電源進線，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、排水、照明、生活等用電負荷。

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、電動卷揚機需求380 V供電、連續皮帶系統需求380 V、排水系統需求380 V、通風系統需求380 V、照明系統需求220 V／36 V等。排水及通風系統為一級負荷，需兩路電源供電，其余為二級負荷。TBM施工法供電見圖1。

圖1 TBM施工供電

隧道洞口右側新設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內設負荷開關，1進1出，為TBM用電提供用電接口。

隧道洞口左側新設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，內設負荷開關，1進3出，為橋架吊機、卷揚機、皮帶機、照明、通風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，長度約300 m，過路穿管防護。

3.1 TBM供電方案

3.1.1 TBM組裝調試期供電方案

TBM組裝階段，需在洞內安裝專用的吊機進行安裝、拆卸，以及安裝吊機所需的電動卷揚機，供電電壓均為380 V，吊機的供電方式為電纜滑車。

根據吊機以及電動卷揚機的用電需求，擬在預備洞口入口左側設置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。高壓電纜采用規格為YJV22-8.7／10 kV-3 ×95 mm2，直埋敷設。經校驗，吊機計算負荷為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。

為了滿足洞內臨時照明需求，洞內設照明燈具高壓鈉燈250 W，安裝高度2.5 m，間距為12 m；另在吊機雙側導軌下方0.5 m處設置碘鎢燈1 kW，間隔18 m。照明燈具的電源均取自箱變低壓開關柜，低壓電纜采用ZR-YJV22-0.6／1 kV-5×6 mm2。

3.1.2 TBM運行步進期供電方案

（1）TBM的負荷計算及電纜選擇

根據調查TBM整機用電設備統計見表1。

表1 TBM用電設備負荷統計

用需要系數法計算TBM整機的功率，計算有功功率［5］公式：

式中：K∑p為有功功率同時系數；Kd為需要系數；Pe為設備功率（kW）。

本次計算需要系數Kd取用電設備均值的0.8，同時系數K∑p按設計原則用電設備數量越多，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整機內配置2臺專用箱式變電站T1、T2（20／0.69 kV-3 500 kVA）為刀盤驅動變頻柜VFD1～2提供690 V電源，另內置1臺箱式變電站T3（20／0.4 kV-3500 kVA）為其他配套設備提供電源，變壓器總容量為10 500 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為系統線電壓（kV）；cos φ 為功率因數。

根據式（2），計算有功功率取4 287 kW，功率因數取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

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

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

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

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5 m高處，每隔4 m設一個電纜掛鉤，并做好防護。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生燃燒［6］。

3.2 其他配套設備供電方案

（1）連續皮帶機供電方案

連續皮帶機分為主驅動和中間驅動，在洞口約130 m處設置皮帶機主驅動，功率為2×400 kW，配備1臺1 250 kVA 10／0.4 kV移動變電站；在洞內約3 km處設置皮帶機中間驅動，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10 kV電源從洞外變電所皮帶機專用接口引出，經高壓電纜接至洞口皮帶機主驅動變壓器及洞內皮帶機中間驅動變壓器，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，進入洞內采用自制電纜托架進行架設并做防護。電纜掛設在內軌頂面以上3.5 m左右，并沿隧道線路方向每隔4 m設1個電纜掛鉤［7］。

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

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）洞內永久照明、排水供電方案

洞內照明、排水以及后續洞內所需延伸電源［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行架設，安裝高度3.5 m。

隨TBM掘進每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，安裝于隧道側面腰線處。變壓器負責上下游750 m范圍內的照明、排水等用電，用電總功率約336 kW。

洞內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設置1處高效LED節能燈。掌子面及各個地下工作面均采用36 V安全照明。

（3）通風系統供電方案

通風機采用雙風機雙電源供電，設計滿足“風電閉鎖”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發電機提供應急供電。電纜規格采用ZR-YJV22-8.7／10 kV-3 ×25 mm2。

（4）應急備用發電機

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

3.3 供電線路電壓降驗算

用電設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時間而定［10］。20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%［11］，所以為隧道內設備提供配電時，需要按電壓損失校驗截面，應使各類隧道用電設備端電壓均符合電壓偏差允許值。

根據配電手冊，三相平衡負荷供電線路電壓降計算公式：

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

皮帶機用電有功功率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，根據式（3）計算 Δu ＝1.2% ＜7%，滿足規范要求。

洞內永久照明、排水設備用電有功功率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，根據式（3）計算 Δu＝2.56% ＜7%，滿足規范要求。

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系，20 kV與10 kV電壓降比，根據式（3）為：

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

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

4 結束語

面對川藏鐵路沿線復雜的地質環境、極端的高原氣候條件、頻繁的自然災害，提高隧道施工的機械化程度，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械設備，并結合已有資源，進行布置規劃形成了一套安全、可靠、穩定、完善的臨時供電方案，是川藏鐵路按時優質開通目標實現的必要保障。