隧道临时用电负荷计算与配置方案分析
程 钾,申铁军
（1.山西路桥第六工程有限公司,山西 晋中 030600;2.山西路桥建设集团有限公司,山西 太原 030006）
隧道计划出口处安装1台650 kVA变压器，在距洞口50～150 m范围内（具体依现场情况而定）修建配电室，作为变压器安置房，为隧道洞内外施工用电设备供电，主要为通风机和隧道施工现场各机械设备及照明供电[1-3]。配电室面积应充分考虑变压器体积及工作散热。该变压器由当地供电所按要求进行安装，调试合格后交付我方使用。在前期工程施工无大电期间采用1台400 kW大功率发电机发电[4-6]。
所有用电器（设备）只能由三级配电开关箱控制，如图1。
图1 三级配电图
2.1 用电负荷统计
用电负荷统计见表1。
表1 隧道主要用电量统计表
2.2 用电负荷计算
（1）动机设备功率计算：
空压设备10台：∑P=11.0 kW×10=110 kW；
通风的设备1台：∑P=140.0 kW×1=140.0 kW；
混凝土喷射设备1台：∑P=5.5 kW×1=5.5 kW；
水泥浆搅拌设备1台：∑P=4.0 kW×1=4.0 kW；
水泵3台：∑P=5.0 kW×3=15.0 kW；
液压型钢弯曲机1台：∑P=4 kW×1=4 kW
扒渣机1台：∑P=15 kW×1=15 kW；
注浆机1台：∑P=3.5 kW×1=3.5 kW
衬砌台车1台：∑P=30 kW×1=30 kW；
雾炮机2台：∑P=16.5 kW×2=33 kW；
砂轮切割机2台：∑P=2 kW×2=4 kW；
电机合计功率：
（2）电焊机的负荷计算：
∑P2=25.0 kW×3台=75.0 kW。
（3）内照明用电功率计算：
照明合计功率：∑P3=21.7（kW）。
（4）据公式：S=K1×K2（∑P1×K3÷Cosφ+∑P2×K4+∑P3×K5）计算用电负荷。
系数K1=1.05，K2=1.0，K3=0.70，K4=0.60，K5=1.0。
电动机平均功率因素cosφ取0.78，用电量计算：S=413.1（kVA）。
3.1 电缆的选用
根据以上计算，隧道进出洞口施工用电量均为413.1 kVA。三相制电流计算如下：
二相制线路上的电流按下式计算：
以上两个公式中，I线——电流值（A）；
K——用电不均匀系数，1.05～1.1，取1.1；
K1——施工时全部用电设备同时使用的系数，取0.6～0.75；
P——总功率；
U——线电压；
cosφ——功率因数，取0.9。电缆截面积表见表2。
表2 电缆截面积表
（1）压机电缆截面的选择：
I=PS/（1.732U线×cosφ)，即：
I=110/（1.732×0.38×0.80）=209 A
查表电缆选型铝芯线截面为120 mm2，考虑使用电缆温升，截面积选择较大一个型号，150 mm2。
（2）风机电缆截面的选择：
I=PS/（1.732U线×cosφ)，即：
I=140/（1.732×0.38×0.95）=224 A
查表电缆选型铝芯线截面为95 mm2，考虑使用电缆温升，截面积选择较大一个型号，120 mm2。
（3）电焊机电缆截面的选择：
I= PS/（1.732U线×cosφ)，即：
I=75/（1.732×0.38×0.95）=120 A
查表电缆选型铝芯线截面为35 mm2，考虑使用电缆温升，截面积选择较大一个型号，50 mm2。
（4）内低压照明电缆截面的选择：
I线=P/（U线cosφ），即：
I线=6.5/（0.22×0.9）=33 A查表电缆选型铝芯线截面为6 mm2，考虑使用电缆温升，截面积选择较大一个型号，10 mm2。
由于洞内照明为36 V，因电压越低，电流就越大，因此电缆线10 mm2的基础上一般考虑为6倍的配线截面。所以洞内照明线电缆选型铝芯线截面最低为60 mm2，在此，选用70 mm2铝芯线截面。
3.2 变压器配置安装
变压器二次侧到主受电柜采用3×185+2×95塑料铝芯线电缆，每相一根[7-8]，分相分色标识，从主配出柜到各主要分配电箱采用3×185+2×95或者3×120+2×70铝芯电缆，采用电缆沟或者直埋敷设[9-10]。
3.3 隧道内动力主线安装
3.3.1 项目实例
国道341线（山西临汾境内东起长治市沁源县途经沁源县灵空山镇、古县北平镇、古阳镇、古县县城、洪洞县苏堡镇、洪洞县城东与霍侯一级路（G108线）相接，后与国道108共线，向北经洪洞县明姜镇、赵城镇、霍州市辛置镇、白龙镇后，向西依次经西县僧念镇、永安镇、勍香镇，隰县黄土镇、寨子乡、龙泉镇，永和县坡头、南庄乡，终点到达山西与陕西省界处，通过永和关黄河大桥与陕西境内G341线相连。该项目作为国道341线的一部分，位于山西省临汾市所辖古县及洪洞县境内(原名“省道沁洪线”），充分预留项目将来继续向沁源古县界按一级路标准衔接的接线条件，路线里程54.519 km。
（1）地形、地貌。该项目路线通过区域地形总体呈北高南低，即由北（起点）向南（终点）方向逐渐倾斜，起点最大高程1 260 m，终点最低高程464.00 m，高程从起点开始逐渐往南、南西方向逐渐降低，最大相对高差约796 m。依据地貌的成因类型、地形特征、地貌形态，该项目内地貌主要划分为：构造侵蚀溶蚀中山区、黄土覆盖基岩低山区。
1）构造侵蚀溶蚀中山区。构侵蚀溶蚀中山区主要分布于K0+000～K12+000段，受同向断裂控制，山坡较陡，山顶稍平缓。千佛沟村东南侧的山项为该区最高点，高程为1 322.3 m，古阳镇为该区的最低点，高程为922 m，相对高差4 003 m区内沟谷浅切割，呈树枝状，沟谷洪水大部分南流入洪安涧河。该区地层岩性主要为奥陶系灰岩，岩溶以垂直形态为主，规模较小，具有地下水补给区特征。
2）黄土覆盖基岩低山区。黄土覆盖基岩低山区主要分布于K12+000～K43+000。该区地形较破碎，沟谷发育。山顶呈黄土梁峁状，地形较为开阔平缓。谷坡基岩裸露、地形陡峻，多呈“V”形沟谷，仅路线左侧的洪安涧河河滩比较宽阔、地形平坦。古阳镇的南山村为该区最高点、高程为970 m，苏堡镇的东下鲁为该区的最低点、高程为553 m，相对高差417 m。地形坡度一般40°～75°。
（2）气象、水文。项区1月份最冷，平均气温零下3～-6 ℃，极端最低气温-23.4 ℃。7月份最热，平均气温25～26 ℃，极端最高气温39.3 ℃。全年无霜期年均173天，初霜期在10月中旬，终霜在4月中旬。冻结期始于10月下旬，解冻期为4月初，最大冻土深度0.8 m。根据古县气象局1994—2016年的气象资料，年最小降雨量295.2 m（2008年），最大日降水量为117.9 mm（1998年7月21日），最大小时降雨量42.0 mm（2003年8月24日21点02分—2003年8月24日22点02分），10 min最大降雨量为23.6 mm（1998年7月20日13点16分—1998年7月20日13点26分）。该项目区水系属黄河水系汾河流域，路线走向绝大部分沿河分布，河流由区内洪安涧河及其支流组成。路线方案在K0+900、K1+200、K2+000、K2+900、K3+200、K3+500、K8+000、K10+000、K11+800和K40+400等多处跨越安涧河。
3.3.2 安装方案
隧道内动力主线路采用3×150+2×70铝线电缆，沿着隧道边墙采用专用电缆挂钩敷设，挂钩间距1.5 m，电缆裁剪时按照1.1倍的实际里程考虑，两端适当增加富余长度[11-12]。电缆铺设高度距铺地面不得低于2.5 m，并且与高压风水管路分开布置。在主电缆间隔400 m的位置开口，安装分配电箱，用五芯电缆T接，负责前后200 m范围的用电接引，同时设置重复接地一处[13-14]。主要设备用电线路从配电室配出柜直接引出，视距离远近和功率大小，选用不同截面的五芯铝芯电缆（螺杆空压机、通风机等）分配电箱根据供电范围和负荷情况。必须选择五芯铜芯或者铝芯电缆，开关箱视用电设备选择不同截面和型号的电缆，应为三芯以上铜芯或者铝芯电缆[15]。
3.3.3 通风操作
（1）通风设备选择：
风机应满足风量Q=2 859 m3/min，风压530 Pa，功率33.15 kW等条件。
（2）通风系统设备配置。按照隧道出口端地形，考虑到洞口形式为端墙式明洞，风机设置在距隧道洞口10 m处，洞口段30 m通风管采用铝合金管，其他通风管采用软管，通风管直径1.5 m。隧道出洞口配置1台185 kW通风机和5台20 m3电动空压机，风机设置在距隧道洞口左侧10 m处，修建10 m2左右空压机房作为通风机和空压机的专门安置房。空压机房应充分考虑通风机和空压机体积及工作散热。洞口段30 m通风管采用铝合金管，其他通风管采用软管，通风管直径1.5 m。
为保证掌子面空气新鲜，隧道分两个阶段进行通风。
1）第一通风阶段：在进洞1 500 m范围内，采用压入式通风方式。左右洞各采用一台2×110 kW高效、低噪、节能轴流式通风机压入式通风。设在洞口外约30～40 m的位置，通过Φ1 500 mm拉链式软风管将新鲜空气压至开挖面附近，洞内污浊空气沿隧道排出。为改善通风效果，在每个模板台车衬砌工作面附近设局扇加强通风。
2）第二通风阶段：待开挖大于1 500 m时，施工通风采用两台强力射流风机（QSF-1250型，75 kW）在轴流风机后方30 m形成风幕。两台SDF-N012.5轴流式通风机（2×110 kW）位于左线车行横洞后40 m处分别向隧道开挖面直接送风(右线通风管需穿过车行横洞向右线开挖面供风)。风管通过混凝土衬砌模板台车时，风管从台车架子二层操作平台上通过。用铁皮做成圆形通风管，两端设为弧形，软式风管从铁皮管内穿过。
综上所述，在采用三级配电系统的条件下进行了用电负荷统计与计算，隧道临时用电的配置方案、安装方案以及通风操作均要根据施工临时用电的规范，当施工现场环境恶劣时，从机械强度与导线载流量方面考虑来选择供电设备、线路选型及敷设方式。
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