長隧洞工程施工電壓不足的技術改造

入二一7、網(wǎng)絡教育學院專科生畢業(yè)大作業(yè)題目：長隧洞工程施工電壓不足的技術改造專業(yè)： 電氣工程及其自動化年級：三年級本文根據(jù)長隧洞工程施工中，由于低壓線路供電半徑過大，造成隧洞末端工作面電壓不足，施工機械不能正常工作的情況，對供電電網(wǎng)進行全面分析，采用了加大導線截面法、10kV高壓送電法等多種改造方案進行比較，并通過小變比三相自耦變壓器配合補償電容器的改造方案，使隧洞末端的線電壓由原來的260?290V保持在正常的360?380V，使所有施工機械正常工作。關鍵詞：長隧洞施工電壓技術改造TOC\o"1-5"\h\z一、 引言 3二、 隧洞低壓線路電壓損失計算 3三、 改造方案的比較與選擇 5四、 技術改造的效果 8五、 三相自耦變壓器計算 8六、 結束語 9一、 引言根據(jù)規(guī)程規(guī)定隧洞工程施工電壓的供電半徑為800m，而長隧洞工程的低壓線路供電半徑往往達2~3km以上，這就造成隧洞末端工作面電壓嚴重不足，施工機械工作不正常，電動機經(jīng)常燒毀，隧洞工程無法施工。某引水工程，隧洞寬3.2m，隧洞全長7.68km，分三個工作面開挖，其中進口洞2300m，中間洞2616m，出口洞2766m，工程總概算3500萬元。本工程地處邊遠鄉(xiāng)鎮(zhèn)，采用10kV變電站線路供電，輸電線路全長18.6km，導線使用LGJ-70鋼芯鋁絞線，線路最大負荷為1732kVA，線路電壓降為13%，由于線路電壓損失大，造成三個隧洞施工點的供電變壓器低壓側（380/220V）輸出電壓不足。同時，隧洞單端挖掘長度均在1km也上，以隧洞進口段為例，現(xiàn)有洞內(nèi)負荷計75.8kw（最終負荷109.3kW），照明負荷9kW，洞內(nèi)電壓線路使用VLV70的鋁芯塑料線，由于10kV線路長、線損大，造成電源電壓低，且隧洞線路架設過長，洞內(nèi)設備容量大，導致隧洞末端工作面的電壓嚴重不足。在950m樁號處，實測三相電壓白天為260?280V，凌晨為290?310V，所有電動機磁力開關、自耦降壓啟動器無法吸合。為了保證工程施工，施工單位不得已將力開關、自耦降壓啟動器用木頭頂住，強迫運行，但又發(fā)生大容量電動機經(jīng)常燒毀的事故。因此，工程進度緩慢，成本高昂。為了解決這一狀況，施工企業(yè)投資3萬多元，購買了一臺上海產(chǎn)的300kVA三相交流穩(wěn)壓器，在980m樁號投入運行后，洞內(nèi)電壓不但沒有得到改善，反而在20d后，交流穩(wěn)壓器因無法承受大負荷大電壓的變化，在1050m樁號處遭到嚴重燒毀退出運行，工程陷入停頓狀態(tài)。二、 隧洞低壓線路電壓損失計算針對上述情況，我們對隧洞低壓線路電壓損失進行分析：現(xiàn)有隧洞內(nèi)設備容量75.8kW，開挖深度為1050m，線路功率因數(shù)cos中=0.7（即電流與電壓的相位角45°34'23〃），導線間距150mm，低壓導線規(guī)格BLV70，查表“電力工程設計手冊”（第一冊），得電阻Ro=0.49612Q/km，電抗X。=0.2240Q/km，洞口變壓器低壓側線電壓VCX=320?330V，設備使用率為80%。三相四線制平衡線路電壓損失計算計算功率Ps=75.8x80%=64.64kW計算電流I<sPs60.64Is=—一= =131.62A3?Ucx?cos中3x0.38x0.7隧洞（1050m樁號）電壓損失百分數(shù)AU%AU%=1173（Rocos中+Xosin中）xZI?Lx100%Ucx1.73= x（0.4960xcos45。34,23,,+0.2240xsin45。34,23）380x131.61x1.05x100%1.73= x（0.4960x0.7+0.2240x0.71）x131.62x1.05x100%380=31.85%隧洞末端（2300m樁號）電壓損失百分數(shù)AU%AU%=1173(Rocos中+Xosin中)xZIj?Lx100%Ucx1.73= x(0.4960x0.7+0.2240x0.71)x131.62x2.3x100%380=69.77其中：有功電壓損失47.85%，無功電壓失21.91%。低壓線路電壓損失在全條隧洞的分布曲線隧洞中的電壓損失是隨著線路長度增加和負荷增減而發(fā)生變化，為了便于觀察與分析，我們每隔300m長度分別計算，計算結果見表1。表1 BKV一70低壓線路電壓損失曲線表隧洞長度(m)300600900105012001500180021002300電壓損失^U%9.118.227.3031.8536.4045.5054.6063.7069.77電壓損失有效值(V)34.589.16103.74121.03138.32171.00207.48242.08265.13隧洞各點電壓(V)345.4210.8476.2658.97241.6820972.5237.9414.87注：施工變壓器低壓側峰谷電壓在320~380V之間，表中隧洞各點電壓是以最高電壓為380V時，洞內(nèi)各點的實際電壓值。三、改造方案的比較與選擇加大導線截面，降低線路電壓損失法我們試用加大導線截面的方法，用電流力矩法對各種導線進行計算，計算成果見表2。表2 三相四線制平衡線路電壓損失計算成果表導線截面(mm2)鋁芯銅芯電阻(Q/km)電抗(Q/km)電壓損失百分數(shù)△U%電阻(Q/km)電抗(Q/km)電壓損失百分數(shù)△U%700.49600.224067.770.29440.224050.32950.36550.215056.300.21690.215041.961200.28930.208048.260.17170.023036.421500.23140.201041.990.13740.201032.921850.18760.194037.080.11140.194029.732400.14460.186032.150.08590.186026.46說明：1)線路輸送功率75.8kW，線路功率因數(shù)cos甲=0.7。送電距離2300m，導線線距150mm。電流力矩法求導線電壓損失，計算公式如下AU%=.3(Rocos中+Xosin中)xZIj?Lx100%

Ucx式中AU%——電壓損失百分數(shù)；U^——線路額定電壓，V;R。一一線路單位長度電阻，Q/km;X。 線路單位長度電抗，。/km;、cos中 線路功率因數(shù)；￡I. 線路計算電流，A;L 線路長度，km。結論：根據(jù)有關規(guī)程規(guī)定0.4kV低壓線路供電半徑一般不得超過700m,通過對各種規(guī)格導線的計算結果證實了采用增大導線截面，來降低線路電壓損失，擴大供電半徑的改造方案是不合適的。因為，無限度擴大導線截面，即使導線電阻R。等于零，但線路電抗x。總是存在，所以用加大導線截面來使設備正常運行的方法，從技術與經(jīng)濟比較的結果都是行不通的。采用10kV高壓電纜供電方法在洞內(nèi)安裝高壓變壓器及高壓控制設備，采用10kV電纜供電，供電電壓不足的問題可以得到改善，但是防爆的10kV變壓器、全封閉式防潮的高壓開關柜及高壓電纜耗資較大。對于2300m長的隧洞，變壓器在隧洞中的最佳安裝位置在隧洞中點1150m處，由于機械設備是在隧洞中沿線分布的，所以變壓器低壓側應向隧洞兩側供電，供電半徑為1150m，電壓損失為23.11%，同樣也難以滿足設備的需要。裝設補償電容器，提高線路的功率因數(shù)，減少線路電壓損失的方法在隧洞末端裝設補償電容器，將線路中的功率因數(shù)由cos甲=0.7提高到cos甲=1時，可消除線路電抗引起的無功電壓損失，在線路輸送功率為75.8kW，送電距離2300m時，對BLV70導線的電壓損失進行計算。⑴將功率因數(shù)cos甲=0.7提高到cos甲=1所需投入電容量的計算cos甲==0.7時，電流與電壓的相位角甲1=45。34'23''cos甲=1時，電流與電壓的相位角甲2=0。0'0''QK-P平均（tg甲1—tg甲2）=75.8x0.8x（tg45。34'23''-tg0。）=61.86KVAR即：在線路末端裝設60kvar的補償電容器，即可消除隧洞線路的無功電壓損失。⑵裝設電容器后隧洞電壓損失計算1.73一 .寸 ~AU%= （R°cos甲2+XQsin甲2）xEIj?Lx100%1.73/ \= x（0.4960x1+0.2240x0'人92.13x2.3x100%380=47.85%結論：裝設補償電容器將功率因數(shù)cos甲1=0.7提高到cos甲2=1時，線路總電流由131.62A減少至92.13A，線路電壓損失由69.77%降至47.85%，所以單純裝設補償電容器來降低線損還是滿足不了設備對電壓的要求。采用小變比三相自耦變壓器提升電壓來補償?shù)蛪壕€路的有功電壓損失，結合裝設補償電容器降低線路的無功電壓損失的方法根據(jù)功率不變，電壓與電流成反比的原理，我們采用提高送電電壓，降低線路有功電流，減少線路有功電壓損失，配合在線路末端裝設補償電容器，提高線路的功率因數(shù)，降低線路無功電流，減少線路無功電壓損失，計算如下：⑴最高送電電壓的確定。最高送電電壓值，應考慮線路初送電空載時，或小部分電動機工作時，此時沿線至末端的電壓均較高，因此最高送電電壓的選擇，主要是以電動機最高允許電壓來確定的。電動機最高允許電壓值，根據(jù)原電力部部頒規(guī)程關于電動機及低壓電器的絕緣電阻不應小于

0.5MQ的規(guī)定，我們決定將額定電壓提高20%作為線路的最高送電電壓，并以電動機最低絕緣電阻來分析其允許泄漏電流。電動機允許泄漏電流I,delIdel-Idel-Uex電動機最低絕緣電阻380 =0.00076（A）0.5x10000000額定電壓+20%時電動機泄漏電流I,

de2Le2-UexxLe2-UexxG+20%)電動機最低絕緣電阻380x1.20.5x10000000=0.00091（A）可以看出，電動機工作電壓提高20%，泄漏電流僅上升0.15mA,一般正常的E級絕緣的電動機的絕緣電阻常保持在3?5MQ以上，泄漏電流的增加不超過15hA，這微弱電流不足引起電動機的絕緣老化，同時工作電壓提高后將大大減小電動機的工作電流與溫度，更有利于電動機正常工作。⑵提高線路送電電壓及功率因數(shù)的效果比較。根據(jù)本隧洞負荷沿線分布實際情況，我們將線路分七段精確計算，未裝升壓變壓器的電壓損失見表 3；安裝升壓變壓器后的電壓損失見表4；cos甲=0.7提高到cos甲=1的電壓損失見表5。表3 未裝升壓變壓器的洞內(nèi)各段線路電壓損失計算表(1650m樁號)*\^線路分段線路參數(shù)1234567線路功率(kw)75.873.671.454.448.93917計算功率(kw)6158.8857.1243.5239.1231.211.9計算電流(A)131.62127.80123.9894.4684.9167.7225.83電壓降(△U%)17.631.664.8311.666.065.062.09電壓降有效值(V)56.45.315.4237.3119.3916.196.68線路長度(km)0.410.040.120.330.220.230.25SAu%=34.71電壓降有效值：131.90V表4 安裝升壓變壓器的洞內(nèi)各段線路電壓損失計算表(1650m樁號)線路分段線路參數(shù)1234567線路功率(kw)75.873.671.454.448.93917計算功率(kw)6158.8857.1243.5239.1231.211.9計算電流(A)111.80107.91104.6979.7771.7057.1821.8電壓降(△u%)8.920.842.445.903.062.560.42電壓降有效值(V)40.143.7310.9826.5513.7711.521.89線路長度(km)0.410.040.120.380.220.230.25SAU%=24.14電壓降有效值：108.63V表5 安裝變壓器配合補償電容器電壓損失計算表(1650樁號)、^\^線路分段線路參數(shù)1234567線路功率(kw)75.873.671.454.448.93917計算功率(kw)6158.8857.1243.5239.1231.211.9

計算電流(A)78.2675.5473.2855.8450.1940.0315.28電壓降(△U%)7.400.702.034.892.542.120.88電壓降有效值(V)23.122.867.7218.589.658.067.52線路長度(km)0.410.040.120.330.220.230.25SAU%=20.56電壓降有效值：78.13V四、技術改造的效果根據(jù)表5的計算成果，我們設計與制造出容量125kVA的小變比三相自耦變壓器來提升電壓，我們將二次線圈分成五段可調，并自制自動調壓裝置對洞內(nèi)電壓進行自動調整，該裝置在1050m樁號投入試運行，立即取得滿意的效果。隧洞開挖至1650m樁號時，我們用自動調壓裝置將送電電壓調至450V位置，并實地測量洞口電網(wǎng)線電壓為320V，進電線電壓為450V，洞內(nèi)末端線電壓為360?380V(17kW挖渣機是間斷工作的)，洞內(nèi)所有機械設備運行正常，隧洞電網(wǎng)技術改造獲得成功。下面再重點介紹三相自耦變壓器的計算方法。五、三相自耦變壓器計算變壓器設計容量S=125kVA變比K一次電壓380V，二次電壓760VAU2-U1 760-380變比K= = =0.6變比U2 7603.變壓器鐵芯容量Pj4.鐵芯截面積4.鐵芯截面積STp=kSj=O.5x125=62.5kVAST=32P=32625=11920cm23 3選用廢舊變壓器鐵芯，外接圓直徑D=145mm，視在面積152cm2中面積138cm2。選用廢舊變壓器鐵芯，5.每匝線圈感應電壓計算E5.每匝線圈感應電壓計算E。=4.44fBmStx10-8=4.44x50x10000x138x10-8=3.064V/匝6.6.輸入繞組W1-2的匝數(shù)U1X10% 1=38^ 1 =716匝TOC\o"1-5"\h\z1-2 3Ut3 3.064 'W1-2⑵由輸入端到輸出端+10%串聯(lián)繞組W1-2匝數(shù)U1x10% 1 380x0.1 1 W1-2 X—= X =71.6匝3Ut3 3.064⑶由輸入端到+20%輸出端的串聯(lián)繞組W2-2匝數(shù)U1x10% 1 380x0.2 1 lW22= x一= x—6-=14.32匝⑷由輸入端到輸出端+30%串聯(lián)繞組W2-3匝數(shù)U1x10% 1 380x0.3 1 lW23= x一= x—6-=21.48匝⑸由輸入端到輸出端+40%串聯(lián)繞組W2-4匝數(shù)TOC\o"1-5"\h\zU1x10% 1 380x0.4 1 lWa= x一= x =28.64匝3 Ut3 3.064⑹由輸入端到輸出端+50%串聯(lián)繞組W2-5匝數(shù)U1x10%1380x0.1 1 lW2-5= x一= .5x—6-=35.80匝7.