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        小直徑長(zhǎng)距離隧道二次襯砌施工供配電技術(shù)

        2021-12-21 09:03:38雷星星王海雙張偉濤谷海華
        建筑施工 2021年8期
        關(guān)鍵詞:變壓器設(shè)備施工

        雷星星 王海雙 張偉濤 谷海華

        中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430073

        目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于長(zhǎng)隧道的供電方案主要有3種[1]:第1種是低壓直接進(jìn)洞,在隧道的洞口通過變壓器將電壓由高壓直接變?yōu)榈蛪汉螅胨淼?,通過增加導(dǎo)線的橫截面面積,從而降低線路電壓降;第2種是通過較大截面積的導(dǎo)線將低壓電源引到施工處,用低壓補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行低壓補(bǔ)償;第3種是在隧道口通過高壓鎧裝電纜將高壓電源接引到洞內(nèi)變壓器的位置,通過洞內(nèi)變壓器將高壓轉(zhuǎn)化為低壓[2]。在小直徑隧道二次襯砌施工中,洞內(nèi)空間有限,設(shè)備較多,負(fù)荷大,安全性要求高,在國(guó)內(nèi)外暫無可供參考的成熟技術(shù)。本文以武漢大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程主隧二次襯砌施工(以下簡(jiǎn)稱“本工程”)為例,通過優(yōu)化臨電布置方式及設(shè)計(jì)研發(fā)應(yīng)用新型穩(wěn)壓裝置,總結(jié)了一套小直徑長(zhǎng)距離隧道二次襯砌施工供配電技術(shù)。

        1 小直徑隧道長(zhǎng)距離供電方案適應(yīng)性分析

        1.1 高壓進(jìn)洞供電方案

        長(zhǎng)距離隧道施工供電時(shí),一定的距離安裝1臺(tái)變壓器,此臺(tái)變壓器為此距離內(nèi)的所有用電設(shè)備供電,需專門設(shè)置變壓器安裝場(chǎng)地[3]。近年來興起了車載移動(dòng)式變電站在長(zhǎng)大隧洞施工供電中的應(yīng)用,例如遼寧某輸水隧洞工程[4]。因小直徑隧道二次襯砌施工為全斷面同步施工,設(shè)備多,隧道直徑狹?。ㄗ钚《我r砌成形直徑僅為3 m)的特點(diǎn),高壓部分與人的安全距離不足,且隧道須滿足通行條件,變壓器無安放位置,故高壓進(jìn)洞方案不適用于小直徑隧道二次襯砌施工長(zhǎng)距離供電。

        1.2 低壓直接進(jìn)洞方案

        若采用低壓直接供電方案,根據(jù)容許電壓UA要求[5],如式(1)所示:

        本工程現(xiàn)場(chǎng)單回路總負(fù)荷約210 kW,輸送電路距離為500 m,采用截面積為150 mm2的銅芯電纜,由式(1)可得線路壓降約為9.15%,則設(shè)備端電壓為363.4 V。長(zhǎng)距離低壓會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)大,電壓出現(xiàn)波峰和波谷的振蕩,對(duì)電網(wǎng)的沖擊大,危害嚴(yán)重,且會(huì)損壞用電設(shè)備,故低壓直接進(jìn)洞方案不適用于小直徑隧道二次襯砌施工長(zhǎng)距離供電。

        1.3 低壓補(bǔ)償供電方案

        低壓補(bǔ)償供電方案是對(duì)低壓直接進(jìn)洞供電方案的改進(jìn)。通過增大線徑,在設(shè)備前端增加低壓補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行低壓補(bǔ)償,這個(gè)方案只能補(bǔ)償15%~20%,超過1 500 m后,補(bǔ)償效果不明顯,補(bǔ)償不穩(wěn)定。本次討論的供配電技術(shù)單回路可達(dá)2 km,總負(fù)荷約為207.5 kW,通過增大線徑延長(zhǎng)供電距離會(huì)加大成本投入,故低壓補(bǔ)償供電方案也不適用于小直徑隧道二次襯砌施工長(zhǎng)距離供電。綜合考慮各項(xiàng)因素,對(duì)于小直徑長(zhǎng)距離供電,須研究新型穩(wěn)壓裝置和隧道臨時(shí)用電布置方式。

        2 隧道用電設(shè)備統(tǒng)計(jì)及負(fù)荷計(jì)算

        隧道內(nèi)的供電方案選擇時(shí)應(yīng)首先對(duì)隧道內(nèi)的用電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和負(fù)荷計(jì)算,根據(jù)不同的負(fù)荷類型,將隧道內(nèi)二次襯砌施工專用主電纜分為照明回路和動(dòng)力回路。照明回路因負(fù)荷小,供電距離較長(zhǎng),采用常規(guī)供電方式即可。動(dòng)力回路負(fù)荷較大,現(xiàn)針對(duì)動(dòng)力回路進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。負(fù)荷種類及統(tǒng)計(jì)如表1所示。

        表1 拱墻施工負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

        由表1可知,設(shè)備電動(dòng)機(jī)總功率P1為207.5 kW,電焊機(jī)的額定功率P2和照明的額定功率P3均為0,視在總功率(總的電力負(fù)荷)PS為259.38 kV·A。

        總的用電量為施工動(dòng)力用電和照明用電兩部分之和,動(dòng)力負(fù)荷可按負(fù)荷性質(zhì)分組需要系數(shù)法計(jì)算,變壓器至總配電箱的電纜屬于主電纜,在多個(gè)設(shè)備下需要考慮同時(shí)性,選擇考慮需用系數(shù)的計(jì)算方式選型(包括電壓器低壓開關(guān)、總配電箱),即考慮系數(shù)的計(jì)算方法〔式(2)〕[5]得出的容量用于考慮變壓器的低壓出線開關(guān)大小選型、總配電箱選型以及主電纜的標(biāo)準(zhǔn)選擇。

        K1取0.5~0.7:電動(dòng)機(jī)為3~10臺(tái)時(shí)取0.7,11~30臺(tái)時(shí)取0.6,30臺(tái)以上取0.5;K2取0.5~0.7,電焊機(jī)為3~10臺(tái)時(shí)取0.7,11~30臺(tái)時(shí)取0.6,30臺(tái)以上取0.5;K3取1.0。拱墻施工負(fù)荷計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。由表2數(shù)據(jù)和式(2)計(jì)算得出總電力負(fù)荷PS0=194.77 kV·A??傆?jì)算電流I=281.12 A。

        表2 拱墻施工負(fù)荷計(jì)算

        3 新型穩(wěn)壓裝置研發(fā)應(yīng)用

        3.1 新型穩(wěn)壓裝置設(shè)計(jì)

        該裝置由主切換接觸器、控制板、升壓變壓器等組成。當(dāng)供電半徑超過普通施工距離時(shí),將新型穩(wěn)壓裝置送至作業(yè)處,電源經(jīng)此裝置后再輸出至設(shè)備端,即可保證更遠(yuǎn)距離的供電半徑。此裝置每次澆筑時(shí)隨設(shè)備進(jìn)入,澆筑完后隨設(shè)備退出,解決了小直徑隧道的通行問題,確保人電的相對(duì)安全距離。

        根據(jù)總計(jì)算電流和壓降計(jì)算,穩(wěn)壓裝置需設(shè)置5個(gè)擋位,擋位之間能根據(jù)設(shè)備負(fù)荷自動(dòng)切換。第1擋位電壓變比為1.133,當(dāng)輸入為326~361 V時(shí),輸出為370~409 V;第2擋位電壓變比為1.258,當(dāng)輸入為295~326 V時(shí),輸出為365~411 V;第3擋位電壓變比為1.418,當(dāng)輸入為262~295 V時(shí),輸出為369~411 V;第4擋位電壓變比為1.619,當(dāng)輸入為230~262 V時(shí),輸出為374~422 V;第5擋位電壓變比為1.887,當(dāng)輸入為201~230 V時(shí),輸出為379~435 V。

        3.2 隧道臨電布置

        3.2.1 電纜布置

        電纜選型時(shí)除考慮電壓降外,還應(yīng)考慮使用的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于回路中任意一個(gè)用電設(shè)備而言,電壓降應(yīng)包含主回路(變壓器到總配電箱)與其所在分回路的電壓降之和。由式(1)可知,回路中功率越大,線路距離越遠(yuǎn)的用電設(shè)備,其電壓降越大,若單一依靠增加電纜直徑的方式降低電壓降,會(huì)導(dǎo)致投入的電纜成本更高,且大材小用。

        綜合考慮,選取3×BLV1×300+2×BLV1×120作為主芯線電纜,在滿足符合使用要求的同時(shí)也能控制成本投入。主電纜也采用定長(zhǎng)采購(gòu),長(zhǎng)度與單次整體澆筑二次襯砌距離相同,從而使隧道主電纜一次布置成形,避免了二次搬運(yùn)。

        鋼筋綁扎階段和仰拱施工階段采用二次襯砌電纜鉤掛設(shè)電纜。二次襯砌電纜為定制加工產(chǎn)品,共設(shè)計(jì)可掛設(shè)8股線路,上部端頭由螺帽焊接而成,彎鉤處均穿絕緣套管,使用時(shí)將上部和下部綁扎在鋼筋上固定即可。

        二次襯砌電纜支架同樣為定制加工產(chǎn)品,下部為凹槽狀,中部為與隧道相同半徑的圓弧鋼筋,上部由短鋼筋焊接而成。使用時(shí)二次襯砌電纜支架底部卡住軌枕端頭,圓弧鋼筋依靠在二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)表面,將二次襯砌電纜鉤上部的螺帽掛在支架上部短鋼筋上即可。此創(chuàng)新設(shè)計(jì)可保證二次襯砌成形面的完整性,同時(shí)滿足電纜架空方式的快速轉(zhuǎn)換要求。

        3.2.2 電箱布置

        定制加工配電臺(tái)車采用與拱墻臺(tái)車同軌且中間可穿行設(shè)計(jì),達(dá)到小直徑隧道內(nèi)配電箱的放置不影響隧道內(nèi)水平運(yùn)輸且隨作業(yè)面前移的效果。配電臺(tái)車的另一作用是作為二級(jí)配電箱的布置平臺(tái),隨作業(yè)面前移,這樣二級(jí)配電箱至設(shè)備開關(guān)箱的電纜只需1次即可布置到位,減少設(shè)備端電纜的頻繁移動(dòng)。

        3.2.3 拱墻臺(tái)車臨電布置

        8臺(tái)拱墻臺(tái)車采用1根主線(3×25+2×10)供電,主線固定在拱墻臺(tái)車上,主線在每組臺(tái)車的間隔區(qū)采用快接式航空插頭連接,一次性布置到位。前移臺(tái)車時(shí),僅需拔出插頭收好多余電纜,到位后再連接插頭即可恢復(fù)使用,保證了多臺(tái)設(shè)備用電的獨(dú)立性,同時(shí)避免了設(shè)備電纜頻繁移動(dòng)和布置雜亂。

        3.3 2個(gè)供電階段

        供電方法由2個(gè)階段組成,第1個(gè)階段為市電變壓器正常供電范圍,電能通過主電纜經(jīng)洞外一級(jí)配電箱至低壓配電臺(tái)車上的二級(jí)配電箱,再經(jīng)低壓配電臺(tái)車上的二級(jí)配電箱、三級(jí)配電箱至二次襯砌用電設(shè)備;第2個(gè)階段為超出市電變壓器的正常供電范圍,電能通過主電纜經(jīng)洞外一級(jí)配電箱至新型穩(wěn)壓裝置,再至低壓配電臺(tái)車上的二級(jí)配電箱、三級(jí)配電箱、二次襯砌用電設(shè)備。

        3.3.1 二次襯砌施工距離0~1 km

        所有二次襯砌用電設(shè)備均使用地面變壓器供電。1號(hào)一級(jí)箱放置于洞口處,做好基礎(chǔ)與防護(hù)。將1號(hào)二級(jí)箱與2號(hào)二級(jí)箱固定在配電臺(tái)車上,拖泵與小罐車用電從1號(hào)二級(jí)箱接出,拱墻臺(tái)車用電從2號(hào)二級(jí)箱接出。配電臺(tái)車布置于拱墻臺(tái)車之后,跟隨作業(yè)面前移。經(jīng)計(jì)算,0~1 km段在此種布線及負(fù)荷分配方式下,設(shè)備端在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最低電壓為375.52 V,可保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

        3.3.2 二次襯砌施工距離1~2 km

        在此區(qū)間需要切換線路,具體操作為:拆除原主電纜與二級(jí)箱的連接,隧道主電纜延長(zhǎng)至配電臺(tái)車處→將新型穩(wěn)壓裝置運(yùn)送至配電臺(tái)車之后,輸入端接隧道主電纜,輸出端接至二級(jí)箱。當(dāng)設(shè)備均以額定工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),新型穩(wěn)壓裝置工作在第2擋位處輸出穩(wěn)定可用電壓389.2 V。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)和重載時(shí),電壓降增大,穩(wěn)壓裝置輸入端電壓下降,穩(wěn)壓器監(jiān)測(cè)到電壓變化后向下調(diào)整到相應(yīng)的擋位仍能滿足使用。

        4 結(jié)語

        小直徑隧道二次襯砌施工中,機(jī)械設(shè)備數(shù)量多,單臺(tái)設(shè)備功率大,設(shè)備相對(duì)分散,采用常規(guī)建筑施工電壓供電無法滿足遠(yuǎn)距離供電要求,設(shè)備無法正常啟動(dòng),使用壽命縮短。而采用長(zhǎng)距離供電,線路壓降大,線損嚴(yán)重,供電的經(jīng)濟(jì)效果差[6]。對(duì)于小直徑隧道,高壓進(jìn)洞供電方案的變壓器布置影響隧道設(shè)備通行,洞內(nèi)所需配電箱數(shù)量多,體形大,小直徑隧道中空間有限,無法滿足設(shè)置變壓布置平臺(tái)的條件。通過優(yōu)化隧道內(nèi)臨電布置方式和研發(fā)新型穩(wěn)壓裝置,既保證了施工作業(yè)人員的安全,也解決了供電距離與經(jīng)濟(jì)效益的矛盾,使小直徑隧道中二次襯砌施工供電得到保障。

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