川藏铁路长大隧道施工供电方案研究

周 明

（北京中铁建电气化设计研究院有限公司 北京 100043）

1 前言

为了更好地解决川藏铁路施工用电的外部电源接引方案，铁路总公司组建了供电方案专题小组，由铁路相关部门及电力相关部门共同组成。针对施工供电用电需求、变电站设置方案、外部电源引入方案，以及临时用电与牵引变电所永久用电结合的方案进行了多次论证，目前方案已通过评审。

川藏铁路供电工程施工标已完成了设计及招标，一是先期开工段“两隧一桥”，主要为雅安至新都桥新建正线长度194.10 km，建设有110／35 kV变电站1座、35 kV开关站（变电站）5座、10 kV开关站2座；二是新都桥至波密段，其中新都桥至则巴段施工供电工程采用集中供电方式，共设置10座集中变电站或开关站。

目前各类施工供电所需的变电站已按照施工进度基本建成，为各类施工用电提供电源，隧道施工用电常规是在隧道口建设110／35 kV变电站、10 kV开关站。

基于隧道口变电站建成的前提下，通过现场调查，确定康定2号隧道施工各类用电设备主要包括：TBM隧道掘进机、连续皮带机系统及隧道内照明、通风、供排水系统等。以上设备运行方式、供电电压均有差异。针对以上用电设备的用电需求，本文提出长大隧道长距离供电的合理供电方案。

2 TBM施工方法

2.1 工程概况

康定2号隧道为先期开工段“两隧一桥”中的两隧之一，为双线单洞隧道，全长20 793 m，分为两个土建标段进行招标，其中中铁十二局承建入口段10.857 km，中铁十八局承建出口段9.936 km。

机械化配套是川藏铁路建设的必然选择，更是建筑市场未来的发展方向，施工企业必须扎实研究并践行［1］。是否采用TBM进行隧道开挖，需要从多方面综合考虑，如地质情况调查和足够的TBM能力、开挖长度的分析、TBM开工的选址条件、合理的机型及后配套系统，常规情况下隧道长度大于6 km的开挖适合采用TBM施工方案。

2.2 TBM 组装、调试

TBM是一种多环节紧密联系的作业系统，包括破岩、出碴、支护、翻碴、电力供应以及各种辅助设施［2］。为了满足庞大系统正常连续作业，需要做大量的前期准备工作。

（1）预备洞、出发洞开挖

TBM掘进机的组装场应设于洞口前方，当洞口场地不能满足整机组装要求时，应设置组装预备洞室［3］。

为了保证TBM尽快投入正常的掘进工作，需要根据现场实际地质情况，采用钻爆法提前开挖预备洞室，所需预备洞长度大约300 m。

预备洞前段设置出发洞，长度约10 m。出发洞亦采用钻爆法施工。预备洞及出发洞连接处应预留足够的空间用来拆卸TBM的步进装置［4］。

（2）组装洞设备配套

TBM进场后需在洞内完成组装，安装组装吊机，需设龙门吊20 t、150 t各1台，汽车吊3台，规格8 t、16 t、75 t各1台。设备配套需同时配备电力设施，如配电箱、组合插座、电缆、各类插头插座等。

2.3 既有电源设施

距离康定2号隧道出口段250 m附近，靠近公路设置一座110／35 kV变电所，单电源进线，110 kV电源临时线路接引自既有新城110 kV变电站。该110／35 kV变电站设置3台主变压器，可提供三路10 kV馈出线路以及两路20 kV馈出线路，为附近施工用电点提供电源，如TBM、通风、排水、照明、生活等用电负荷。

3 供电方案

长大隧道采用TBM法施工过程，其主要的用电需求及电压等级为：TBM需求20 kV供电、龙门吊需求380 V供电、电动卷扬机需求380 V供电、连续皮带系统需求380 V、排水系统需求380 V、通风系统需求380 V、照明系统需求220 V／36 V等。排水及通风系统为一级负荷，需两路电源供电，其余为二级负荷。TBM施工法供电见图1。

图1 TBM施工供电

隧道洞口右侧新设20 kV电缆分支箱（F1）一座，20 kV电源由洞外110／35 kV变电所TBM专用20 kV间隔引入。F1内设负荷开关，1进1出，为TBM用电提供用电接口。

隧道洞口左侧新设10 kV电缆分支箱（F2）一座，10 kV电源亦由洞外变电所10 kV间隔引入，内设负荷开关，1进3出，为桥架吊机、卷扬机、皮带机、照明、通风等用电提供高压用电接口。

洞外变电站至隧道洞口F1、F2高压电缆分别采用 YJV22-8.7／10 kV-3×120 mm2以及 YJV22-8.7／10 kV-3×95 mm2作为主干电缆，直埋敷设，长度约300 m，过路穿管防护。

3.1 TBM供电方案

3.1.1 TBM组装调试期供电方案

TBM组装阶段，需在洞内安装专用的吊机进行安装、拆卸，以及安装吊机所需的电动卷扬机，供电电压均为380 V，吊机的供电方式为电缆滑车。

根据吊机以及电动卷扬机的用电需求，拟在预备洞口入口左侧设置10／0.4 kV移动式箱式变电站一座，单变压器，容量为1 600 kVA。10 kV电源引自洞口10 kV电缆分支箱F2。高压电缆采用规格为YJV22-8.7／10 kV-3 ×95 mm2，直埋敷设。经校验，吊机计算负荷为1 120 kVA，线路计算电流64.66 A，电缆载流量为224 A，满足使用要求。

为了满足洞内临时照明需求，洞内设照明灯具高压钠灯250 W，安装高度2.5 m，间距为12 m；另在吊机双侧导轨下方0.5 m处设置碘钨灯1 kW，间隔18 m。照明灯具的电源均取自箱变低压开关柜，低压电缆采用ZR-YJV22-0.6／1 kV-5×6 mm2。

3.1.2 TBM运行步进期供电方案

（1）TBM的负荷计算及电缆选择

根据调查TBM整机用电设备统计见表1。

表1 TBM用电设备负荷统计

用需要系数法计算TBM整机的功率，计算有功功率［5］公式：

式中：K∑p为有功功率同时系数；Kd为需要系数；Pe为设备功率（kW）。

本次计算需要系数Kd取用电设备均值的0.8，同时系数K∑p按设计原则用电设备数量越多，取值越小，本次取0.65，则计算得Pc＝0.8×0.65×8 244 kW＝4 287 kW。

TBM整机内配置2台专用箱式变电站T1、T2（20／0.69 kV-3 500 kVA）为刀盘驱动变频柜VFD1～2提供690 V电源，另内置1台箱式变电站T3（20／0.4 kV-3500 kVA）为其他配套设备提供电源，变压器总容量为10 500 kVA，满足TBM满载运行。

计算电流公式：

式中：Ic为计算电流（A）；Pc为计算有功功率（kW）；Un为系统线电压（kV）；cos φ 为功率因数。

根据式（2），计算有功功率取4 287 kW，功率因数取0.85，线电压取20 kV，则计算电流Ic为146 A。

选用20 kV高压电缆，规格为ZR-YJV22-12／20 kV-120 mm2，电缆载流量345 A，满足要求。

（2）TBM电源接引及电缆敷设

TBM 20 kV电源由洞外20 kV电缆分支箱F1引入，经TBM电缆卷筒接至TBM自带的高压开关柜，再由高压开关柜分三路馈至T1～T3进线柜。

TBM电缆卷筒中的电缆与F1相连，掘进过程中卷筒电缆同步放出，并固定在洞壁右侧5 m高位置（以预备洞的地面为基准）。

随着TBM不断步进，TBM电缆卷筒容量长度有限，约在350 m左右，当卷筒电缆放至最后一圈时，操作人员将其电动卷回，故隧道内每隔300～400 m需设置电缆分支箱一座，1进1出，防护等级IP65，并设置安全防护措施。

各分支箱之间的连接电缆沿隧道线路方向亦固定在洞壁右侧5 m高处，每隔4 m设一个电缆挂钩，并做好防护。不允许将通电的多余电缆盘绕堆放，以免增加线路电压降和引起电缆过热发生燃烧［6］。

3.2 其他配套设备供电方案

（1）连续皮带机供电方案

连续皮带机分为主驱动和中间驱动，在洞口约130 m处设置皮带机主驱动，功率为2×400 kW，配备1台1 250 kVA 10／0.4 kV移动变电站；在洞内约3 km处设置皮带机中间驱动，功率为2×400 kW，另配备1台1 250 kVA 10／0.4 kV移动变电站。

皮带机10 kV电源从洞外变电所皮带机专用接口引出，经高压电缆接至洞口皮带机主驱动变压器及洞内皮带机中间驱动变压器，总计容量为2 500 kVA。

变电站至隧道洞口高压电缆采用穿管直埋敷设，进入洞内采用自制电缆托架进行架设并做防护。电缆挂设在内轨顶面以上3.5 m左右，并沿隧道线路方向每隔4 m设1个电缆挂钩［7］。

根据式（1）、式（2）计算，10 kV 高压电缆规格选用ZR-YJV22-8.7／10 kV高压电缆，参数如下：

①电缆长度：3 500 m；

②电缆截面：50 mm2；

③线路计算电流：108.68 A；

④电缆载流量：120 A。

（2）洞内永久照明、排水供电方案

洞内照明、排水以及后续洞内所需延伸电源［8］，由洞外10 kV电缆分支箱F2出线回路接引，采用ZR-YJV22-8.7／10 kV-3 ×35 mm2高压电缆，入洞后采用自制电缆托架进行架设，安装高度3.5 m。

随TBM掘进每1.5 km安装1台全密闭变压器，容量为80 kVA，可以满足容量需求。康定2号隧道分出入口两端施工，长度均不超过11 km，故沿线布置变压器7台，安装于隧道侧面腰线处。变压器负责上下游750 m范围内的照明、排水等用电，用电总功率约336 kW。

洞内动力照明线缆沿隧道边墙起拱线处，采用电缆支架挂墙明敷，每18 m设置1处高效LED节能灯。掌子面及各个地下工作面均采用36 V安全照明。

（3）通风系统供电方案

通风机采用双风机双电源供电，设计满足“风电闭锁”要求［9］。配置1台630 kVA专用变压器，变压器10 kV电源从洞外10 kV电缆分支箱F2出口引出，入洞后亦采用挂墙安装，安装方式与其他10 kV线路相同。另外接入配备1台500 kW／0.4 kV发电机提供应急供电。电缆规格采用ZR-YJV22-8.7／10 kV-3 ×25 mm2。

（4）应急备用发电机

施工现场隧道洞内附近配置1台1 000 kW（10 kV）和1台500 kW（400 V）柴油发电机作为应急备用发电用。应急发电机具备断电自启动功能，在紧急情况下为排水和通风提供应急电源。

3.3 供电线路电压降验算

用电设备端子电压实际值偏离额定值时，其性能将受到影响，影响程度由电压偏差的大小和持续时间而定［10］。20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%［11］，所以为隧道内设备提供配电时，需要按电压损失校验截面，应使各类隧道用电设备端电压均符合电压偏差允许值。

根据配电手册，三相平衡负荷供电线路电压降计算公式：

式中：Δu为电压降百分数（%）；P为负荷的有功功率（kW）；L为线路长度（km）；Un为系统线电压（kV）；tan φ为功率因数正切值；Δup为单位功率长度的电压降百分数（%／kW·km）。

皮带机用电有功功率800 kW，线路长度3 km，10 kV电缆截面为铜芯50 mm2，查表所得 Δup＝0.501×10－3，根据式（3）计算 Δu ＝1.2% ＜7%，满足规范要求。

洞内永久照明、排水设备用电有功功率336 kW，线路长度11 km，10 kV电缆截面为铜芯35 mm2，查表所得 Δup＝0.692 ×10－3，根据式（3）计算 Δu＝2.56% ＜7%，满足规范要求。

TBM用电有功功率4 287 kW，线路长度按10 km计算，因TBM用电为20 kV，配电手册仅能查到10 kV电缆截面为铜芯120 mm2的Δup＝0.240 ×10－3，故需比较10 kV与20 kV电压等级的电压降关系，20 kV与10 kV电压降比，根据式（3）为：

在负荷不变的情况下，Δu20／Δu10＝1／4，即 20 kV电压损失是10 kV的25%［12］。

根据式（3）计算，10 kV 铜芯120 mm2的 Δu10＝10.29% ＞7%；当采用20 kV供电时，其电压降Δu20＝5.14% ＜7%，满足规范要求。

4 结束语

面对川藏铁路沿线复杂的地质环境、极端的高原气候条件、频繁的自然灾害，提高隧道施工的机械化程度，采用TBM施工方案是必然的选择。本文针对长大隧道施工用大型机械设备，并结合已有资源，进行布置规划形成了一套安全、可靠、稳定、完善的临时供电方案，是川藏铁路按时优质开通目标实现的必要保障。