长隧洞工程施工电压不足的技术改造.docx
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长隧洞工程施工电压不足的技术改造
网络教育学院
专科生毕业大作业
题目：
长隧洞工程施工电压不足的技术改造
专业：
电气工程及其自动化
年级：
三年级
摘要
本文根据长隧洞工程施工中，由于低压线路供电半径过大，造成隧洞末端工作面电压不足，施工机械不能正常工作的情况，对供电电网进行全面分析，采用了加大导线截面法、10kV高压送电法等多种改造方案进行比较，并通过小变比三相自耦变压器配合补偿电容器的改造方案，使隧洞末端的线电压由原来的260～290V保持在正常的360～380V，使所有施工机械正常工作。
关键词：
长隧洞施工电压技术改造
目录
一、引言………………………………………………………………………………………3
二、隧洞低压线路电压损失计算………………………………………………………………3
三、改造方案的比较与选择……………………………………………………………………5
四、技术改造的效果……………………………………………………………………………8
五、三相自耦变压器计算………………………………………………………………………8
六、结束语………………………………………………………………………………………9
一、引言
根据规程规定隧洞工程施工电压的供电半径为800m，而长隧洞工程的低压线路供电半径往往达2～3km以上，这就造成隧洞末端工作面电压严重不足，施工机械工作不正常，电动机经常烧毁，隧洞工程无法施工。
某引水工程，隧洞宽3.2m，隧洞全长7.68km，分三个工作面开挖，其中进口洞2300m，中间洞2616m，出口洞2766m，工程总概算3500万元。
本工程地处边远乡镇，采用10kV变电站线路供电，输电线路全长18.6km，导线使用LGJ-70钢芯铝绞线，线路最大负荷为1732kVA，线路电压降为13%，由于线路电压损失大，造成三个隧洞施工点的供电变压器低压侧（380／220V）输出电压不足。
同时，隧洞单端挖掘长度均在1km也上，以隧洞进口段为例，现有洞内负荷计75.8kw（最终负荷109.3kW），照明负荷9kW，洞内电压线路使用VLV-70的铝芯塑料线，由于10kV线路长、线损大，造成电源电压低，且隧洞线路架设过长，洞内设备容量大，导致隧洞末端工作面的电压严重不足。
在950m桩号处，实测三相电压白天为260～280V，凌晨为290～310V，所有电动机磁力开关、自耦降压启动器无法吸合。
为了保证工程施工，施工单位不得已将力开关、自耦降压启动器用木头顶住，强迫运行，但又发生大容量电动机经常烧毁的事故。
因此，工程进度缓慢，成本高昂。
为了解决这一状况，施工企业投资3万多元，购买了一台上海产的300kVA三相交流稳压器，在980m桩号投入运行后，洞内电压不但没有得到改善，反而在20d后，交流稳压器因无法承受大负荷大电压的变化，在1050m桩号处遭到严重烧毁退出运行，工程陷入停顿状态。
二、隧洞低压线路电压损失计算
针对上述情况，我们对隧洞低压线路电压损失进行分析：
现有隧洞内设备容量75.8kW，开挖深度为1050m，线路功率因数cos
=0.7（即电流与电压的相位角45°34′23″），导线间距150mm，低压导线规格BLV-70，查表“电力工程设计手册”（第一册），得电阻Ro=0.49612Ω／km，电抗X。
=0.2240Ω／km，洞口变压器低压侧线电压VCX=320～330V，设备使用率为80％。
三相四线制平衡线路电压损失计算
计算功率PS=75.8×80％=64.64kW
计算电流IS
1．隧洞（1050m桩号）电压损失百分数△U％
2．隧洞末端（2300m桩号）电压损失百分数△U％
其中：
有功电压损失47.85％，无功电压失21.91％。
3．低压线路电压损失在全条隧洞的分布曲线
隧洞中的电压损失是随着线路长度增加和负荷增减而发生变化，为了便于观察与分析，我们每隔300m长度分别计算，计算结果见表1。
表1BKV一70低压线路电压损失曲线表
隧洞长度（m）
300
600
900
1050
1200
1500
1800
2100
2300
电压损失△U％
9.1
18.2
27.30
31.85
36.40
45.50
54.60
63.70
69.77
电压损失有效值（V）
34.58
9.16
103.74
121.03
138.32
171.00
207.48
242.08
265.13
隧洞各点电压（V）
345.42
10.84
76.26
58.97
241.68
209
72.52
37.94
14.87
注：
施工变压器低压侧峰谷电压在320~380V之间，表中隧洞各点电压是以最高电压为380V时，洞内各点的实际电压值。
三、改造方案的比较与选择
1．加大导线截面，降低线路电压损失法
我们试用加大导线截面的方法，用电流力矩法对各种导线进行计算，计算成果见表2。
表2三相四线制平衡线路电压损失计算成果表
导线截面
（mm2）
铝芯
铜芯
电阻
（
／km）
电抗
（
／km）
电压损失百分数
△U%
电阻
（
／km）
电抗
（
／km）
电压损失百分数
△U%
70
0.4960
0.2240
67.77
0.2944
0.2240
50.32
95
0.3655
0.2150
56.30
0.2169
0.2150
41.96
120
0.2893
0.2080
48.26
0.1717
0.0230
36.42
150
0.2314
0.2010
41.99
0.1374
0.2010
32.92
185
0.1876
0.1940
37.08
0.1114
0.1940
29.73
240
0.1446
0.1860
32.15
0.0859
0.1860
26.46
说明：
1）线路输送功率75.8kW，线路功率因数cos
=0.7。
2）送电距离2300m，导线线距150mm。
3）电流力矩法求导线电压损失，计算公式如下
式中
U％——电压损失百分数；
Ue——线路额定电压，V；
R。
——线路单位长度电阻，
／km；
X。
——线路单位长度电抗，
／km；、
cos
——线路功率因数；
∑Ij——线路计算电流，A；
L——线路长度，km。
结论：
根据有关规程规定0.4kV低压线路供电半径一般不得超过700m，通过对各种规格导线的计算结果证实了采用增大导线截面，来降低线路电压损失，扩大供电半径的改造方案是不合适的。
因为，无限度扩大导线截面，即使导线电阻R。
等于零，但线路电抗x。
总是存在，所以用加大导线截面来使设备正常运行的方法，从技术与经济比较的结果都是行不通的。
2．采用10kV高压电缆供电方法
在洞内安装高压变压器及高压控制设备，采用10kV电缆供电，供电电压不足的问题可以得到改善，但是防爆的10kV变压器、全封闭式防潮的高压开关柜及高压电缆耗资较大。
对于2300m长的隧洞，变压器在隧洞中的最佳安装位置在隧洞中点1150m处，由于机械设备是在隧洞中沿线分布的，所以变压器低压侧应向隧洞两侧供电，供电半径为1150m，电压损失为23.11％，同样也难以满足设备的需要。
3．装设补偿电容器，提高线路的功率因数，减少线路电压损失的方法
在隧洞末端装设补偿电容器，将线路中的功率因数由cos
=0.7提高到cos
=1时，可消除线路电抗引起的无功电压损失，在线路输送功率为75.8kW，送电距离2300m时，对BLV-70导线的电压损失进行计算。
⑴将功率因数cos
=0.7提高到cos
=1所需投入电容量的计算
cos
==0.7时，电流与电压的相位角
1
cos
=1时，电流与电压的相位角
2
QK-P平均（tg
1－tg
2）=
即：
在线路末端装设60kvar的补偿电容器，即可消除隧洞线路的无功电压损失。
⑵装设电容器后隧洞电压损失计算
（ROcos
2+XOsin
2）
结论：
装设补偿电容器将功率因数cos
1=0.7提高到cos
2=1时，线路总电流由131.62A减少至92.13A，线路电压损失由69.77％降至47.85％，所以单纯装设补偿电容器来降低线损还是满足不了设备对电压的要求。
4．采用小变比三相自耦变压器提升电压来补偿低压线路的有功电压损失，结合装设补偿电容器降低线路的无功电压损失的方法
根据功率不变，电压与电流成反比的原理，我们采用提高送电电压，降低线路有功电流，减少线路有功电压损失，配合在线路末端装设补偿电容器，提高线路的功率因数，降低线路无功电流，减少线路无功电压损失，计算如下：
⑴最高送电电压的确定。
最高送电电压值，应考虑线路初送电空载时，或小部分电动机工作时，此时沿线至末端的电压均较高，因此最高送电电压的选择，主要是以电动机最高允许电压来确定的。
电动机最高允许电压值，根据原电力部部颁规程关于电动机及低压电器的绝缘电阻不应小于0.5MΩ的规定，我们决定将额定电压提高20％作为线路的最高送电电压，并以电动机最低绝缘电阻来分析其允许泄漏电流。
电动机允许泄漏电流Idel
Idel
额定电压+20％时电动机泄漏电流Ide2
Ide2
可以看出，电动机工作电压提高20％，泄漏电流仅上升0.15mA，一般正常的E级绝缘的电动机的绝缘电阻常保持在3～5M
以上，泄漏电流的增加不超过15
A，这微弱电流不足引起电动机的绝缘老化，同时工作电压提高后将大大减小电动机的工作电流与温度，更有利于电动机正常工作。
⑵提高线路送电电压及功率因数的效果比较。
根据本隧洞负荷沿线分布实际情况，我们将线路分七段精确计算，未装升压变压器的电压损失见表3；安装升压变压器后的电压损失见表4；cos
=0.7提高到cos
=1的电压损失见表5。
表3未装升压变压器的洞内各段线路电压损失计算表（1650m桩号）
线路分段
线路参数
1
2
3
4
5
6
7
线路功率（kw）
75.8
73.6
71.4
54.4
48.9
39
17
计算功率（kw）
61
58.88
57.12
43.52
39.12
31.2
11.9
计算电流（A）
131.62
127.80
123.98
94.46
84.91
67.72
25.83
电压降（△U％）
17.63
1.66
4.83
11.66
6.06
5.06
2.09
电压降有效值（V）
56.4
5.3
15.42
37.31
19.39
16.19
6.68
线路长度（km）
0.41
0.04
0.12
0.33
0.22
0.23
0.25
∑△u％=34.71电压降有效值：
131.90V
表4安装升压变压器的洞内各段线路电压损失计算表（1650m桩号）
线路分段
线路参数
1
2
3
4
5
6
7
线路功率（kw）
75.8
73.6
71.4
54.4
48.9
39
17
计算功率（kw）
61
58.88
57.12
43.52
39.12
31.2
11.9
计算电流（A）
111.80
107.91
104.69
79.77
71.70
57.18
21.8
电压降（△u％）
8.92
0.84
2.44
5.90
3.06
2.56
0.42
电压降有效值（V）
40.14
3.73
10.98
26.55
13.77
11.52
1.89
线路长度（km）
0.41
0.04
0.12
0.38
0.22
0.23
0.25
∑△U％=24.14电压降有效值：
108.63V
表5安装变压器配合补偿电容器电压损失计算表（1650桩号）
线路分段
线路参数
1
2
3
4
5
6
7
线路功率（kw）
75.8
73.6
71.4
54.4
48.9
39
17
计算功率（kw）
61
58.88
57.12
43.52
39.12
31.2
11.9
计算电流（A）
78.26
75.54
73.28
55.84
50.19
40.03
15.28
电压降（△U％）
7.40
0.70
2.03
4.89
2.54
2.12
0.88
电压降有效值（V）
23.12
2.86
7.72
18.58
9.65
8.06
7.52
线路长度（km）
0.41
0.04
0.12
0.33
0.22
0.23
0.25
∑△U％=20.56电压降有效值：
78.13V
四、技术改造的效果
根据表5的计算成果，我们设计与制造出容量125kVA的小变比三相自耦变压器来提升电压，我们将二次线圈分成五段可调，并自制自动调压装置对洞内电压进行自动调整，该装置在1050m桩号投入试运行，立即取得满意的效果。
隧洞开挖至1650m桩号时，我们用自动调压装置将送电电压调至450V位置，并实地测量洞口电网线电压为320V，进电线电压为450V，洞内末端线电压为360～380V（17kW挖渣机是间断工作的），洞内所有机械设备运行正常，隧洞电网技术改造获得成功。
下面再重点介绍三相自耦变压器的计算方法。
五、三相自耦变压器计算
1．变压器设计容量
S=125kVA
2．变比K
一次电压380V，二次电压760VA
变比
3．变压器铁芯容量Pj
Pj=kSj=O.5×125=62.5kVA
4．铁芯截面积ST
cm2
选用废旧变压器铁芯，外接圆直径D=145mm，视在面积152cm2中面积138cm2。
5．每匝线圈感应电压计算
E。
=4.44fBmSt×10-8
=4.44×50×10000×138×10-8=3.064V／匝
6．各线圈匝数计算
⑴输入绕组W1-2的匝数
W1-2=
⑵由输入端到输出端+10%串联绕组W1-2匝数
W1-2
⑶由输入端到+20％输出端的串联绕组W2-2匝数
W2-2
⑷由输入端到输出端+30％串联绕组W2-3匝数
W2-3
⑸由输入端到输出端+40％串联绕组W2-4匝数
W2-4
⑹由输入端到输出端+50％串联绕组W2-5匝数
W2-5
7．线圈导线截面的确定
⑴每相容量P8xa
⑵输入每相电流I1
I1
W1线圈在线圈内侧，所以电流密度J取3A／mm2，则W1绕组导线截面Sd1
S面
2
选用2.1×5.1绝缘扁铜线6根并绕。
六、结束语
通过对该隧洞工程低压电网的技术改造，三相自耦变压器温升正常，自动调压装置电压控制准确，电网线电压在320～330lv的情况下可保证隧洞末端线电压保持在360～380V，使现有的施工设备正常运行，本技术改造具有改造技术简单，投资省，见效快的特点，其技术可供同类型其他引水隧洞或公路、铁路隧洞施工时借鉴。
参考文献
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中国电力出版社．2006
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