深中通道沉管臨時用電系統(tǒng)的設計與布置

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力的不斷提升，造船廠在海洋工程結構物領域的業(yè)務范圍越來越廣，中船黃埔文沖船舶有限公司承建的深中通道鋼殼沉管項目就是一個全新的嘗試。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》確定建設的重大交通基礎設施，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制管節(jié)沉放法（簡稱沉管法）建設。隧道由26 個標準鋼殼沉管管節(jié)、6 個非標鋼殼沉管管節(jié)和1 個水中最終接頭組成，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)，用臨時封墻將管節(jié)兩端密封之后，將其拖運到隧道設計位置；定位之后，向管節(jié)內(nèi)加注壓載水，使其下沉至預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，整個周期內(nèi)的施工和運作所需電源全部來自臨時用電系統(tǒng)。管節(jié)下沉之前可將其看作是非自航鋼質海船，管節(jié)下沉之后需滿足陸電施工現(xiàn)場規(guī)范的相關要求，因此在設計臨時用電系統(tǒng)時需考慮不同環(huán)境的差異，做到兼容、安全、可靠。本文結合船電和陸電設計的相關要求，分析臨時用電系統(tǒng)的設計實例，給出現(xiàn)場問題的解決方案，供類似產(chǎn)品的設計人員參考。

1 系統(tǒng)組成

沉管臨時用電系統(tǒng)由沉管配電系統(tǒng)、臨時照明系統(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)作為整個沉管的電力供應系統(tǒng)，相當于船舶的電力二次系統(tǒng)，其子系統(tǒng)（包括臨時照明系統(tǒng)、沉管壓載水系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)和施工用電系統(tǒng)）對應船舶電氣子系統(tǒng)，輔助完成管節(jié)的制造、運輸、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)架構見圖1。

圖1 沉管配電系統(tǒng)架構

本文所述項目結合實際情況選擇饋線式配電系統(tǒng)，設置配電柜（一級電箱）、分配電箱（二級電箱）和開關箱（三級電箱），實行三級配電，即各區(qū)配電板、分配電板和重要負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)點如下：

1）電纜數(shù)量少；

2）保護裝置數(shù)量少，便于維護；

3）主要供電開關集中在1 個控制場所內(nèi)，便于集中控制；

4）增加用電設備方便；

5）與環(huán)路式相比，設備的價格便宜。

1.2 臨時照明系統(tǒng)

臨時照明系統(tǒng)也是臨時用電系統(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，其典型架構見圖2。

圖2 臨時照明系統(tǒng)典型架構

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 個壓載艙進行調(diào)節(jié)，保持其在漂浮狀態(tài)下的穩(wěn)性，這一點與船舶壓載水的功能相同。當管節(jié)到達指定位置之后，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，其架構見圖3。

圖3 沉管壓載水系統(tǒng)架構

1.4 CCTV系統(tǒng)

CCTV 系統(tǒng)用于在沉管時遠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、顯示器、硬盤錄像機、交換機和網(wǎng)絡球形攝像機組成。主機處理器采用冗余配置，以實現(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，通過開關箱（三級配電箱）和開關插座實現(xiàn)。

2 設計實例和安裝注意要點

2.1 電纜選型

目前鋼質海船電網(wǎng)采用三相三線中性點絕緣系統(tǒng)，陸電采用三相四線制，故整個沉管電網(wǎng)的電纜規(guī)格按陸電模式選擇。管節(jié)外供電分為3 個階段，其中：第一個階段為船臺建造階段，使用船廠岸電供電；第二個階段為管節(jié)下沉階段，使用船上發(fā)電機為管節(jié)供電；第三個階段為隧道階段，在所有管節(jié)拼接完成之后，使用岸電為橫跨整個隧道的主動力電纜供電。考慮到安全性和兼容性，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電部分直接接地）。電纜相線、N線和PE線的顏色標記必須符合相關規(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記都不得混用和互相代用。

2.2 電箱的相關要求

1）分配電箱和開關箱應裝設端正、牢固。固定式分配電箱和開關箱的中心點與地面的垂直距離應為1.4 ～1.6 m。移動式分配電箱和開關箱應裝設在堅固、穩(wěn)定的支架上，其中心點與地面的垂直距離宜為0.8 ～1.6 m。考慮到拆裝的便利性和后續(xù)管節(jié)可重復利用，本文所述項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（Ingress Protection，IP）等級不低于IP22，關門之后電箱的防護等級不低于IP44［5］；所有插座都配置1 個插頭。

4）分配電箱應裝設總隔離開關、分路隔離開關、總斷路器、分路斷路器（或總熔斷器）和分路熔斷器。開關箱裝設隔離開關、斷路器（或熔斷器）和漏電保護器。

5）隔離開關應在分斷時具有可見分斷點，能同時斷開電源所有極的隔離電器，并應設置于電源進線端。當斷路器具有可見分斷點時，可不另設隔離開關。開關箱中的隔離開關只可直接控制照明電路和容量不大于3 kW的動力電路，不應頻繁操作。容量大于3 kW的動力電路應采用斷路器控制，操作頻繁時還應設置接觸器或其他啟動控制裝置。

6）開關箱中漏電保護器的額定漏電動作電流不應大于30 mA，額定漏電動作時間不應超過0.1 s。在潮濕或有腐蝕介質的場所使用的漏電保護器應為防濺型產(chǎn)品，其額定漏電動作電流不應大于15 mA，額定漏電動作時間不應超過0.1 s。總配電箱中漏電保護器的額定漏電動作電流應大于30 mA，額定漏電動作時間應超過0.1 s，但其額定漏電動作電流與額定漏電動作時間的乘積不應大于30 mA·s［5］。

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

2.3 臨時照明設計與設備選型

1）在設計臨時照明系統(tǒng)回路時要注意三相負載平衡，每相的負載應盡可能地在其負載的15%內(nèi)平衡；2）在每個單相回路上，燈具數(shù)量不宜超過25 個，負荷電流不宜超過15 A；

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

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］，同時因管節(jié)較長易導致壓降過大，臨時照明系統(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；

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)電纜可重復利用，照明電纜走線穿PVC管。

2.4 PoE供電

PoE交換機是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機結構下增加PoE模塊得到的，其他拓撲結構不變。PoE交換機主要由管理模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、PoE模塊和電源模塊等組成。當交換機檢測到其網(wǎng)絡端口連接的設備為PD 設備時，PoE交換機開始為該設備供電［8］。CCTV系統(tǒng)可選用PoE交換機，使網(wǎng)絡攝像機的電源由PoE提供，優(yōu)點是能節(jié)省這部分攝像機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零線需分開，臨時用電電力系統(tǒng)嚴禁利用大地做相線或零線；

4）當岸電或（和）船電系統(tǒng)為中性點接地的交流三相系統(tǒng)時，應將管節(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直接接地，N指系統(tǒng)中電氣裝置的外露可導電部分與電源端接地點有直接電氣連接）中，嚴禁將單獨敷設的工作零線重復接地；

6）當照明燈具使用金屬外殼時，必須與PE線相連接；

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

表1 PE線截面與相線截面的關系

2.6 布置與安裝

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

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

3）動力開關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。

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

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

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。當達不到規(guī)定的安全距離時，應采取隔熱措施。

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的，32 個管節(jié)都是按既定的順序建造、運輸和沉放的，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，達到節(jié)約成本的效果。同樣的，相關配電箱和開關箱只需要6 套即可滿足10 個管節(jié)的使用需求。針對該方案，結合生產(chǎn)進度的要求，本文所述項目購買6 個管節(jié)的電氣資材供10 個管節(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拆裝電纜不會影響電氣性能和電纜護套。銅芯軟電纜的價格約為常規(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，可重復拆除和安裝。

3）沉管相關配電箱和開關箱可節(jié)約成本40%。

3 結 語

對于深中通道鋼殼沉管項目而言，由于海底沉管隧道施工的特殊性，有時要同時滿足船舶和陸地的相關電氣要求，在項目設計和建造過程中，設計人員需不斷學習和理解土建方面的電氣技術要求和規(guī)范。

本文在介紹沉管臨時用電系統(tǒng)的基礎上，對整個系統(tǒng)的架構和關鍵技術要求進行了凝練和分析，并給出了具體的實施方案，為工程的順利開展打下了基礎，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，采用可重復拆裝的電氣方案能大大減少一次舾裝的電氣材料成本，達到降本增效的目的，值得推廣。