高海拔高寒隧道电力施工技术的探索

高海拔高寒隧道电力施工技术的探索

杨倩

（青海省电力设计院青海西宁810008）

摘要：高海拔地区隧道建设施工一直都是一个难点工程，相关施工部门必须从当地实际环境出发，做好电力设备的选型，才能保证施工电能的需求。本文就以此为中心点，对高海拔铁路隧道施工电力设备选型做了研究，以供参考。

关键词：高海拔；铁路隧道施工；电力设备

高海拔高寒地区的隧道建设一直都是个难以解决的技术难题，不仅由于当地气候恶劣、地形复杂，还由于当地基本上无电力供应。为了顺利的开展隧道施工，保证电能应用，必须严格遵守高海拔地区隧道施工原则，做好电力设备的选型，才能保证电能的稳定和可靠，促进铁路隧道施工的顺利开展。

一、高海拔地区隧道施工原则

紧紧抓住高海拔、高寒、缺氧的地质和气候特征，结合尕力台1号隧道特有的工程特点，在立足现有技术的前提下，广泛采用新方法、新技术、新工艺、新材料，优质、安全、高效地完成隧道的施工。第一，尽量多采用机械化施工替代人力施工，减少施工人员，减轻劳动强度，提高劳动生产率。第二，做好电力设备选型，保证电能供应。第三，在持续低温的条件下，采取措施，确保工程质量，特别是喷混凝土和模注混凝土的质量。第四，为了防止施工中出现冻融、冻涨的可能，必须建立科学、完善的供暖、防寒、保温设施，保证人员、机械设备和施工的正常运行。第五，隧道防冻涨是施工中要解决的核心问题。低温和水的存在是形成冻、涨的基本因素，因此，除做好防冻涨的措施外，在隧道周围形成完善的、通畅的防排水系统，是工程取得成败的关键。

二、高海拔地区隧道施工供电措施

2.1自建高原发电站

用电量估算计算用电量的目的是便于选择发电机组。施工用电的总容量按式（1）[1]计算（1）

式中，S∑为施工用电总容量；P1为动力设备电动力机械的额定功率之和；S2为电焊机、充电机额定容量之和；P3为室内照明总功率；P4为室外照明总功率；cos1为各用电设备的平均功率因素；η为电动机平均效率，计算时取0.86；K1、K2、K3、K4为各类设备系数。

根据对施工用电量负荷统计，按式（1）计算出隧道总用电负荷。

2.2柴油发电机组的选择与匹配

2.2.1高原对柴油发动机的影响在高原条件下，空气稀薄，大气压力低。在高海拔地区时柴油机的工作特性将发生变化，其变化参数值为：海拔每升高1km，大气压力下降9%，大气温度降低6.5℃，柴油机功率、扭矩降低8%～13%，油耗率增加6%～9%，冷却水的沸点降低8.8℃，热强度增加2%～5%，冷却水套的散热量减少8%～10%。由此看出：对发动机性能影响最大的是功率和扭矩，海拔每升高1km，发动机功率下降8%～13%。所以必须着重研究发动机的功率补偿问题。

2.2.2柴油机功率补偿柴油发动机单位汽缸工作容积的输出功率为[2]

（2）

式中，K1为修正系数，为充量系数，为过量空气系数，为单缸热效率，为机械效率，为进气管中的空气密度，τ为冲程数，n为转速。对于一台定型的发动机，

C=K1ΦC（ηit/Φa）ηm（1/τ）n为一定值，即

PL∝ρS（3）

式（3）表明：增加进气管的空气密度ρS，可以使发动机的功率基本上按比例增长。要增加进气密度，通常采用涡轮增压技术。以往实践表明，采用增压技术后，柴油机的功率一般可提高30%～40%。在高原条件下增压柴油机的参数变化值为：海拔每升高1km，柴油机功率、扭矩降低1%～8%，油耗率增加1%～6%，热强度增加2%～4%，冷却水的沸点降低1～9℃。采用增压技术后，发动机的功率显然得到了补偿，但随着海拔高度升高，发动机的功率还是要降低1%～8%。因此，在功率选配时仍要增加柴油机的功率贮备，通过调整喷油泵供油量来进行功率补偿。即增压柴油机的功率按海拔高度每上升1km，功率增加Kb%进行匹配。

2.3柴油机功率匹配选择

柴油机时功率匹配计算公式为

Ne=Neo（1+KbH/100）（4）

式中，Ne为柴油机配置功率；Neo为海拔高度1km时柴油机输出功率（标定功率）；Kb为功率补偿系数；H为海拔高度。

为了避免造成功率浪费或动力不足，根据经验和试验结果，Kb取值为：海拔高度在3～3.5km时，Kb取4；海拔高度在3.6～4.5km时，Kb取6；海拔高度在4.6～5.1km时，Kb取8。

随着海拔高度升高，柴油机的功率呈下降趋势，无增压柴油机功率下降陡减；涡轮增压柴油机功率虽有提高，但也有下降趋势；通过增压和功率匹配（喷油泵油量校正）后，发动机的功率基本上接近海拔1km时发动机的功率，从而使高原柴油机的功率得到了较好的补偿。

2.4发电机组的选择

为了便于并联运行，选用同型号、同一厂家的设备。为使运输、安装方便及负荷调节，选用中小型多台并联工作。隧道施工多选400kW的发电机组，台数为7-8台；如选择250kW的发电机组，台数4-5（台）。发电机组的增压柴油机功率按式（4）配置[3]。

发动机冷却系统按高原型配置。根据以上原则，经过广泛调研，较为理想的发电机有华北柴油机厂生产的华北-道依茨（德国KHD公司）风冷发电机，扬州英泰电机有限公司生产的水冷发电机，但均存在高原适应问题。隧道施工单位可对现有发电机组高原适应性在会议上提出改造的要求，在电机供应厂商可以进行改造情况下，做出水冷柴油发电机组的正确选择。

三、电控柜的改造

电控柜是保证正常输电的关键设备，电控柜内的控制设备和保护装置均装有电子元器件，虽然事先已对元器件进行了严格筛选，但高寒地区气候复杂多变，、气候恶劣，温差大，电子元件在极限低温下很可能会出现失效，造成输电故障。为了保证可靠供电，对控制柜的低温适应性进行了改造设计，使控制柜内的元器件工作在0℃以上，以保证供电和控制万无一失。即设计了电控柜温度控制系统，主要由24V暖风机、220V暖风机、5℃温度开关、0℃温度开关、20℃温度开关和电动通风窗组成。控制柜12设计成密封式，上下装有电动通风窗。均采用专用的双金属片温度开关，不含任何电子元器件，耐低温性能非常好。暖风机由发热丝和电风扇组成，也不含半导体元件，原理详见图1。

1.直流24V暖风机；2.4.5℃温度开关；3.220V交流暖风机：5.电动通风窗；6.20℃温度开关；7.0℃温度开关；8.报警灯；9.蜂鸣器：10.指示灯：11.开关；12.电控柜。

四、结语

总之，高海拔地区环境恶劣，极少有电力供应，要保证铁路隧道施工及生活用电，相关单位必须做好当地的环境监测，认真选择用电设备，并通供应商对发电系统做好改造，才能保证高原隧道施工的用电，保证隧道施工的顺利开展。

参考文献：

[1]董玉辉.高海拔寒区高速铁路隧道施工及抗防冻技术研究[D].西南交通大学，2014.

[2]范玉凤.高海拔地区电力工程施工安全评价及管理研究[D].华北电力大学，2014.

[3]林志海.高原高海拔地区牵引变电系统外绝缘修正设计[J].铁道标准设计，2012，06：138-141.