地下高壓電纜洞道冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)概論

1、地下高壓電纜洞道冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)概論機(jī)械部 工程師孫禹銘摘 要臺(tái)灣地狹人稠，由於經(jīng)濟(jì)起飛生活水準(zhǔn)提高，未來都市計(jì)畫皆朝向功能性、便利性及美觀做規(guī)劃。為統(tǒng)合現(xiàn)代都市的各項(xiàng)傳輸系統(tǒng)(如自來水、排水、電力、電信、通訊.等)方便管理，且避免各種管線於汰換更新，或容量增加另需鋪設(shè)管路時(shí)破壞市容、影響交通，共同管溝的概念因而產(chǎn)生。地下共同管溝揚(yáng)棄以往埋設(shè)管線時(shí)所開挖的小管溝，代之以埋設(shè)深度較深且具有大斷面的地下洞道，其斷面足以容納各類管線之鋪設(shè)，且容許維護(hù)人員活動(dòng)其中。因此，當(dāng)工程人員需要增加鋪設(shè)管線時(shí)，便毋需破壞既有道路。整體而言，其經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)成本的節(jié)省大於初置成本。雖然從傳統(tǒng)管溝佈設(shè)方式轉(zhuǎn)換成地下洞道

2、的佈設(shè)方式，對(duì)多數(shù)的管線來說沒有什麼影響，然而對(duì)電力纜線而言卻有相當(dāng)大的不同。因?yàn)殡娏|線於輸送電流時(shí)，一定伴有熱傳的問題，如此一來，纜線與土壤間為空氣所隔，其熱傳形式由傳導(dǎo)變成對(duì)流，而對(duì)流的熱傳係數(shù)通常遠(yuǎn)小於傳導(dǎo)係數(shù)，因此若未能有效解決電力纜線的散熱問題，將導(dǎo)致地下電纜洞道溫度升高(常高達(dá)50、60)而造成災(zāi)難。本文擷取日本於電纜地下化的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，配合臺(tái)灣電力公司電纜地下化工程的實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，概略整理現(xiàn)階段有關(guān)地下高壓電纜洞道冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)資訊，提出供業(yè)界同仁參考，並希望能收拋磚引玉之效，引起業(yè)界對(duì)此一問題的重視與興趣，進(jìn)而提昇我國在這一方面的設(shè)計(jì)能力以及冷卻技術(shù)。一、前言隨著都市的發(fā)展，由於人們

3、對(duì)空間需求及市容景觀的考量，原本林立的電線桿消失了，服務(wù)人們?nèi)粘Ｉ钚枰母邏狠旊娎|線遂轉(zhuǎn)入地下化。然而，系統(tǒng)的改變雖然帶給都市全新的風(fēng)貌(天空不再縱橫交錯(cuò)雜亂無章)，但所付出的代價(jià)卻也不小(地下電纜鋪設(shè)成本約為高架電纜鋪設(shè)成本的十倍)，且所衍生散熱的問題，一直是近來工程師們努力解決的目標(biāo)。二、基本原理與規(guī)劃原則(一)洞道散熱問題分析1. 目的地下電纜洞道佈設(shè)冷卻系統(tǒng)之最主要目的，便是為了降低輸電纜線銅心之溫度，以避免因?yàn)槔|線散熱不良，銅心溫度升高而造成災(zāi)難。以往傳統(tǒng)的纜線佈設(shè)分為室外高架電纜，或埋於地下之傳統(tǒng)管溝兩種架設(shè)方式。在熱傳學(xué)的觀點(diǎn)，無論是上述第一或第二種佈纜方式，大氣及大地，皆可以

4、視為一個(gè)恆溫的熱窟。意即不論電纜散失多少熱量到熱窟中，熱窟的溫度也不會(huì)有變化。因此，傳統(tǒng)的佈纜方式，並不需要考慮電纜冷卻的問題。然而隨著時(shí)代進(jìn)步，配合都市計(jì)畫，規(guī)劃較具規(guī)模的地下電纜洞道，已是必然的趨勢，高壓電纜地下化之後，首要面對(duì)的便是纜線的冷卻問題(送電效率)，及維修保養(yǎng)人員的安全問題(換氣)【2】。2. 原理地下電纜洞道的散熱問題與前項(xiàng)所述兩種傳統(tǒng)佈纜方式最大的不同，在於電纜周圍不再是恆溫的熱窟，且空氣本身不易導(dǎo)熱，隨著送電時(shí)間越久，積熱越多，洞道溫度也跟著上升。因此，縱使我們感覺電纜周圍的空氣溫度仍在可容忍的範(fàn)圍內(nèi)，但是銅心溫度此時(shí)已瀕臨極限值，一般工程設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，為將洞道溫度控制在

5、37以下，其對(duì)應(yīng)之銅心溫度為90。3. 洞道熱傳分析高壓地下輸電洞道散熱是非常複雜的熱傳問題。通常在解熱傳的問題時(shí)，首先必須列出熱傳方程式，然後設(shè)定邊界條件，再求解熱傳方程式。熱傳方程式包含傳導(dǎo)、對(duì)流、纜線發(fā)散之熱源，以及冰水管線所組成熱傳方程組(忽略輻射熱傳)。要解此熱傳方程組，一般需要依靠計(jì)算機(jī)的幫助。依據(jù)日本電力電纜技術(shù)手冊(cè)【3】，以臺(tái)灣電力公司仙渡345kV地下電纜工程規(guī)劃設(shè)計(jì)【5】為例所列之熱傳方程式及等效電路圖，如下所示：熱傳方程式（） Cable partThe temperature change formula in the conductor part1 (,) 1 (,)

6、2 (,) c () (1) 11The temperature change formula in the insulator part2 (,) 1 (,)2 (,)2 (,)3 (,) d () (2) 212The temperature change formula in the sheath part3 (,) 2 (,)3 (,)3 (,)4 (,) s () (3) 323 The temperature change formula in the over sheath part4 (,) 3 (,)4 (,) 4 (,)5 (,) (4) 434The temperatur

7、e change formula in the air part in the tunnel5 (,) 4 (,)5 (,) 4 (,)5 (,) c1 c2 5445 (,)6 G (,) 5 (,)6 R (,) p1p256565 (,)0 (,) (5)8（） The cooling pipe partThe temperature change formula of the Go-pipe6 G (,) 5 (,)6 G (,)d6 G (,) w (6) 656dThe temperature change formula of the Re-pipe6 R (,) 5 (,)6

8、R (,)d6 R (,) + w (7) 656dWhere, w ：The specific heat capacity of water：water quantity ：The position of the direction of the tunnel stretcher：time 在列出熱傳方程式後，為了幫助對(duì)問題的了解，依據(jù)問題的特性，作等效類比電路圖，如圖一所示。圖一中各項(xiàng)代號(hào)所代表的意義，如表1所示：包含熱通量、熱阻及溫度差，一般為了簡化問題，工程師在列出方程式後會(huì)找出控制熱阻(以階次分析忽略低次方項(xiàng)目)並加以分析。洞道熱傳問題的熱阻，包含絕緣材料的傳導(dǎo)熱阻、空氣對(duì)流熱阻、冷

9、卻系統(tǒng)熱阻及大地?zé)嶙?。一般良好的電絕緣體亦為良好的絕熱體，但為了安全的因素，工程師並不會(huì)改變絕緣材料以符合熱傳的目的。電纜熱傳問題，一般係以電纜被覆材料的表面溫度為主要控制變因；空氣的熱傳性質(zhì)較為複雜，必須視流動(dòng)情形而定(對(duì)流係數(shù))，不僅是地下電纜散熱問題的控制熱阻，也是影響電纜表面溫度最直接的因素。大地的邊界條件，隨著地域及氣候有一定的設(shè)定。因此，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，便成了解決地下電纜洞道散熱問題最主要的課題。(二)規(guī)劃基本原則共同管道系統(tǒng)附屬冷卻系統(tǒng)之設(shè)置，在於提高額定輸電容量，並提供管道內(nèi)之安全與方便管理所必要之設(shè)施。其規(guī)劃之基本原則如下【1】：1.有效去除發(fā)熱量，降低電纜溫度，提高輸電容量

10、。2.系統(tǒng)最佳化設(shè)計(jì)，降低初置成本與操作成本。3.有效管理降低維護(hù)成本。4.考慮經(jīng)濟(jì)性、耐久性、擴(kuò)充性、可靠度等因素，及易於維護(hù)保養(yǎng)，避免發(fā)生事故及公害。三、各類冷卻系統(tǒng)比較與冷卻機(jī)房細(xì)部配置為增大地下送電線路的送電容量，由增大電纜線的尺寸開始，有各種的對(duì)策，而強(qiáng)制冷卻技術(shù)也被開發(fā)用來作為增大容量的對(duì)策之一。強(qiáng)制冷卻除要確保送電容量外，另要考量電纜線的種類及配置方式，進(jìn)行有效率且經(jīng)濟(jì)的冷卻設(shè)計(jì)。(一)地下電力洞道各類冷卻系統(tǒng)比較電力電纜線的強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，用於洞道配置及管路配置，大體可分為間接冷卻方式及直接冷卻方式。彙整如表2【1】所示：風(fēng)冷系統(tǒng)或水冷系統(tǒng)適用於洞道配置，風(fēng)冷系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比，

11、其裝置簡單且易於保養(yǎng)，但因需吸取外氣故易受外氣溫度影響，冷卻效果在夏季及冬季有明顯的差別。另從洞道內(nèi)工作人員佈纜施工的作業(yè)性上來看，洞道內(nèi)的風(fēng)速須受限制（一般為2 m/s以下），再加上廢氣排放溫升的考量（一般為58），以致冷卻區(qū)間無法加長。因此，多用於短距離的洞道冷卻設(shè)計(jì)。長距離的冷卻則採用水冷系統(tǒng)，其冷卻方式有直接及間接兩種。如有需針對(duì)特定的電纜線進(jìn)行冷卻時(shí)，採用直接水冷方式較為有利；而降低洞道內(nèi)的溫度，則採用間接水冷方式較為有利。直接水冷因可直接冷卻電纜線，故冷卻效果高，但因水壓長時(shí)間作用於電纜線上，所以對(duì)於電纜線包覆的耐水性及接續(xù)部的冷卻方法等，在設(shè)計(jì)上必須特別注意。間接水冷因電纜線與冷

12、水管間有空氣介入，冷卻效率較差，但因施工及保養(yǎng)可與電纜線分開施作，因此可作為因應(yīng)擴(kuò)增容量計(jì)畫的冷卻系統(tǒng)工程；另外，為防災(zāi)緣故而在防災(zāi)線槽內(nèi)配置電纜線，在此情形下可利用線槽的有效空間，在線槽內(nèi)配置冷水管，讓水於線槽內(nèi)循環(huán)帯走熱量，此亦另一種方式之間接水冷設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)管路配置，也有間接冷卻及直接冷卻兩種方式，間接水冷方式因電纜線與冷水管間有土壤存在，因此冷卻效率較差，但具有可有效利用管路剩餘空間的優(yōu)點(diǎn)。各種冰水冷卻系統(tǒng)效能比較，如表3【5】所示：(二)冷水管間接冷卻系統(tǒng)與風(fēng)冷系統(tǒng)之比較洞道內(nèi)的冷水管間接冷卻系統(tǒng)與風(fēng)冷系統(tǒng)比較，前者可達(dá)較長的冷卻區(qū)間。且冷水管間接冷卻系統(tǒng)可依不同線路結(jié)構(gòu)(網(wǎng)狀線路結(jié)構(gòu)

13、或單一線路結(jié)構(gòu))，冷卻全體洞道或進(jìn)行特定洞道路線的冷卻，以提高冷卻效率是其特徵。管理?xiàng)l件與風(fēng)冷系統(tǒng)相同，決定了洞道內(nèi)的作業(yè)溫度（一般為37）為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則後，以滿足此標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。(三)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)基本配置1. 冷卻系統(tǒng)基本配置所謂洞道內(nèi)水冷系統(tǒng)，是由冷凍機(jī)或冷卻水塔（統(tǒng)稱為冷水製造設(shè)備），與冷水管、送水泵、蓄熱槽（統(tǒng)稱為水循環(huán)設(shè)備）組成。冷水製造設(shè)備所製造的冷水經(jīng)由洞道內(nèi)冷水管的輸送，將電纜線發(fā)生的熱量去除。(1)冷水製造設(shè)備冷水製造設(shè)備，可分為僅有冷卻水塔的簡易冷卻方式，或與冷凍機(jī)併用的正式冷卻方式。冷卻電纜線的冷水係由冷卻水塔或冷凍機(jī)製造，儲(chǔ)藏於蓄熱槽。冷凍機(jī)依據(jù)洞道的空氣溫度及蓄熱槽

14、的溫度，計(jì)算所需冷卻電纜線路的熱量，並控制運(yùn)轉(zhuǎn)之。(2)水循環(huán)設(shè)備冷水製造設(shè)備所製造並儲(chǔ)存於蓄熱槽的冷水，經(jīng)由送水泵向冷水管送水，以除去電纜線的發(fā)生熱。除去電纜線發(fā)生熱量後的溫水，經(jīng)回水管路回到蓄熱槽，再度由冷卻水塔或冷凍機(jī)變換成冷水。同時(shí)，送水泵以洞道溫度不超過其設(shè)定溫度的方式進(jìn)行控制運(yùn)轉(zhuǎn)。2. 間接水冷之適用例(日本)【1】以關(guān)西電力南港火力線為例，線路區(qū)間長3.4 km，為求送電容量由183 MW增大至600 MW，使用較大容量915 kw（260 USRt）的冷凍機(jī)。中部電力梅森金山線的情況，送電容量分為2個(gè)，這顯示出當(dāng)初的規(guī)模只用冷卻水塔進(jìn)行簡易冷卻即可，將來容量增加時(shí)可用冷凍機(jī)來冷

15、卻。 START 冷卻計(jì)算條件之設(shè)定 洞道內(nèi)容許空氣溫度 電纜數(shù)目 土壤地?zé)岢?shù) 冷卻水管規(guī)格及配置 送水容量計(jì)算 必要冷卻容量之計(jì)算 入口水溫 冷卻水管數(shù)目 冷卻區(qū)間長度 冷卻水管規(guī)格及數(shù)目決定 冷卻設(shè)備設(shè)計(jì) 泵浦容量及臺(tái)數(shù) 冷凍機(jī)，冷卻塔蓄熱槽容量 配管設(shè)計(jì) 冷卻機(jī)房設(shè)計(jì) 冷卻系統(tǒng)運(yùn)用方式之檢討 控制系統(tǒng) 監(jiān)視系統(tǒng) 保全系統(tǒng) END 四、設(shè)計(jì)流程五、設(shè)計(jì)理念由於地下電纜洞道逐年增加送電線路容量，及至終期時(shí)為確保在高負(fù)載容量與較高週遭空氣溫度的考量下，必須以循環(huán)冷卻水來對(duì)洞道做強(qiáng)制冷卻，再利用冷卻機(jī)房的主機(jī)帶走循環(huán)水中的熱量。冷卻系統(tǒng)的目的就是要保證下列需求：1. 接點(diǎn)的溫度必須低於設(shè)計(jì)值。

16、2. 洞道內(nèi)的溫度必須低於設(shè)計(jì)值。六、最佳設(shè)計(jì)為確保輸電設(shè)計(jì)容量，需要設(shè)置電纜強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，如何檢討及選用強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的方式及型式是重要且不可忽視的，這也是本文的重要探討課題所在。最佳冷卻系統(tǒng)之配置評(píng)估經(jīng)由前述比較分析，最佳冷卻系統(tǒng)是洞道內(nèi)冷水管間接冷卻系統(tǒng)。其配置概念如圖二【3】所示：電纜洞道內(nèi)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)直接影響電纜輸電能力，如何選用最適宜之冷卻系統(tǒng)，需考慮有以下五要素：1. 需能確保系統(tǒng)之可靠度；2. 要考慮系統(tǒng)故障之備用性及設(shè)備保養(yǎng)方便性；3. 能減輕維修人員之工作負(fù)荷；4. 運(yùn)轉(zhuǎn)操作費(fèi)用要低；5. 系統(tǒng)需有擴(kuò)充性且增設(shè)容易。一般而言，選用設(shè)備簡單的系統(tǒng)可使系統(tǒng)之可靠度提高，及減輕工作

17、人員之負(fù)荷。除1、2點(diǎn)外，其餘三要素亦需一併考量。綜合以上所述，洞道內(nèi)冷水管間接冷卻系統(tǒng)是目前最合乎需求的方式。七、結(jié) 論一般科學(xué)園區(qū)預(yù)定地內(nèi)多規(guī)劃有高壓的輸電系統(tǒng)，從區(qū)外以潛盾的方式引入?yún)^(qū)內(nèi)之地下管道系統(tǒng)，無需大肆開挖既有道路，也不會(huì)造成交通阻塞引起民怨；然而，區(qū)內(nèi)佈纜路線縱橫交錯(cuò)，且各路線所設(shè)計(jì)之洞道數(shù)多不相同，其中包括三孔、兩孔及一孔三種不同形式之地下電纜共同管道，也因此增加了地下高壓輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的困難度。另外，由區(qū)內(nèi)往區(qū)外延伸之洞道設(shè)計(jì)，又與區(qū)內(nèi)之設(shè)計(jì)迥然不同。依據(jù)基本原則及評(píng)估結(jié)果，採行冰水管間接冷卻系統(tǒng)，應(yīng)為往後地下高壓電纜洞道冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)之主流。參考文獻(xiàn)(1)日本共同管溝設(shè)計(jì)指針

18、,ch4.(2)日本地中送電規(guī)程,ch X 換氣設(shè)備,財(cái)團(tuán)法人日本電氣協(xié)會(huì)送電專門部會(huì).(3)日本電力電纜技術(shù)手冊(cè),ch9,第9.11圖,飯塚喜八郎 監(jiān)修.(4)1998 ASHRAE HANDBOOK, FUNDAMENTALS,ch1.(5)臺(tái)灣電力公司仙渡345kV地下電纜工程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作服務(wù)建議書,ch6, P6-3,P6-28,財(cái)團(tuán)法人中華顧問工程司,2001.附錄一機(jī)電工程參考之相關(guān)規(guī)章1. 中華民國國家標(biāo)準(zhǔn)(CNS)2. 最新建築技術(shù)規(guī)則3. 美國空氣擴(kuò)散協(xié)會(huì)(ADC)4. 美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)5. 美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)6. 美國機(jī)械工程學(xué)會(huì)(ASME)7. 美國焊接協(xié)會(huì)(AWS)8. 美國氣流暨空調(diào)協(xié)會(huì)(AMCA)9. 美國冷暖氣暨冷凍工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)10. 國際電