绿色新能源设备高原隧道洞内充电技术

姚会荣  刘虹  杨金锋  杨朝  雷勇

( 中铁二十局集团有限公司 陕西 西安 710000)

摘  要  高原项目因氧气稀薄，传统燃油设备隧道洞内与人争氧，影响施工效率，且洞内排烟困难。为解决这一问题，项目引进新能源充电设备，但随着隧道进尺越来越深，新能源设备电池续航不能满足要求。为增加电池有效续航，洞内充电问题开始进入人们视线，需充电桩进洞。

关键词  高原项目  隧道  新能源设备  续航  充电桩 

一、引言

在高原隧道项目中，需大量采用设备代替人工施工，以降低人工劳动强度。但传统燃油设备面临缺氧降耗明显、洞内排烟难等问题，计划采用电动新能源设备替代传统燃油设备。

但随着隧道掘进，洞内运输距离加大，新能源设备受电池技术影响，续航不足，不能满足一个施工循环要求。需要研究大功率充电桩进洞为新能源设备充电，减少设备空驶距离，增加电池有效续航。

二、洞内充电布局情况

（一）、主坑道充电桩推荐布局方式：

1.充电桩安装位置可放置于二衬台车后方，方便掌子面作业的挖机及装载机及时补电。

2.充电桩需考虑防撞功能，可参考下图在周围设置防护栏，保障充电安全。

围栏尺寸：2100nn*1400mm*1400mm(W*H*D)

（二）、辅助坑道充电桩推荐布局方式：

辅助坑道断面较窄，不适宜在坑道内直接放置直流桩，建议开挖充电桩洞室放置充电桩，间隔300m左右。车辆充电时侧位停于充电桩洞室旁。充电桩洞室建议尺寸为4m宽*3m深*5m高，方便装载机和挖机吊装充电桩(可参考下图) 。

（三）、洞室内配备配电箱，充电桩，灭火器。配电箱与充电桩之间电缆通过地面桥架方式走线，可参考下图：

三、充电桩安装要求及关键技术

（一）、充电机顶部需设计有吊环，方便随着工程的推进向前移动，在无水泥基础的情况下，充电机底座应增加20cm铁支架并加固处理，可稳定放置于地面，底部留有进线空间。

（二）、充电设备要求

1.充电设备可在海拔5000m场合正常使用，产品设计需满足对应的电气间隙和爬电距离。

2.当充电满或因故障、外部操作等原因结束充电后，充电机的功率模块能自动与外部供电脱离，防止功率模块对电网的干扰。

3.充电设备需考虑高温高湿高粉尘工作环境，风冷充电桩可在环境温度65 度以内工作。环境温度 65 度以上时，需采用液冷充电桩(核心充电模块IP67以上防护等级)为车辆提供充电服务。

4.充电设备需考虑抗震要求和瓦斯要求。

5.充电设备的布置宜靠近上级供配电设备，以缩短供电电缆的路径。

6.充电设备应布置在停车位旁且不应妨碍其他车辆的正常停车、充电和通行。设备外廓距充电位边缘的净距不宜小于0.4m，同时应采取措施保护充电设备及操作人员安全。

7.充电设备应垂直安装于与地平面垂直的立面，偏离垂直位置任一方向的误差不应大于5°。

8.充电设备保护接地端子应可靠接地。

（三）、供电系统要求

1.电压等级

充电设备配电总容量在250kVA以上时，宜采用 10kV电压供电；交流380V充电设备，通过配电箱接入低压线路或接入配电变压器的低压母线。

2.供电容量

(1)场站总负荷计算

场站总负荷由两部分组成：充电设备总负荷、场站其他设备负荷

注：上式为经验公式，具体以项目设计为准。其中，同时系数可取0.7；充电设备效率取0.94；充电设备功率因数取0.95。

(2)供电容量计算

供电系统容量应满足场站内充电、照明、办公等用电需求，并留有一定裕。

S2  = 总负荷S1/变压器实际负载系数

注：上式为经验公式，具体以项目设计为准。其中变压器实际负载系数一般不大于0.85。

(3)根据计算的场站所需的供电容量，核验场站是否可以提供足够的容量。若容量不足，需考虑配电扩容或调整充电设备输出功率等方案。

3.电能质量

(1) 充电设备接入10kV及以上电网的功率因数应满足并网要求，其配电变压器在最大负荷时高压侧功率因数不应低于0.95。

(2)供电电压偏差：

10kV及以下三相供电：电压偏差范围为标称电压的-7%~+7%；

220V 单相供电：电压偏差范围为标称电压的- 10%~+7%。

(3) 充电设备所产生的电压波动和闪变、 谐波电流和电压正弦畸变率、三相电压不平衡允许限制应符合现行国家标准 GB/T12326 、GB/T14549 、GB/T15543 的有关规定。

4.电缆要求

(1) 干燥隧道内充电桩 380V 电缆可采用地埋或地面支架走线方式；地面经常性渗水或高湿等环境，可采用桥架方式走线。

(2)中压电力电缆宜选用：铜芯交联聚乙烯绝缘类型；低压电力电缆宜选用： 铜芯交联聚乙烯绝缘类型、铜芯聚氯乙烯绝缘类型。

(3) 低压三相回路宜选用五芯电缆， 单相回路宜选用三芯电缆，且电缆中性线截面应与相线截面相同。

(4) 三相用电设备的电力电缆的外护套宜采用钢带铠装。单芯电缆的外护套不应采用导磁性材料铠装。

(5) 交流单芯电缆不宜单根穿钢管敷设，当需要单根穿管时，应采用非导磁

管材，也可采用经过磁路分隔处理的钢管。

5.通风

风冷充电桩采用自然通风方式， 距离墙面保持 1m 以上距离。

6.防雷接地

充电站的防雷接地、防静电接地、电气设备的工作接地、保护接地及信息系统的接地宜共用接地装置，接地电阻不应大于4Ω。户外接地以环形水平接地体为主，辅以一般性垂直接地极。通常水平接地极采用热镀锌扁钢和圆钢，垂直接地极采用热镀锌角钢、钢管或圆钢。

最小规格要求：扁钢≥40*4 、圆钢直径≥12mm、角钢≥50*5、钢管壁厚≥4.5mm。腐蚀严重的地区，接地装置应适当加大截面积，或采用阴极保护等措施。

四、使用范围

充电桩进洞技术适用于长大隧道、采用新能源设备施工的项目，尤其高原项目。

充电桩进洞将减少挖机、装载机等行驶缓慢车辆来回充电的时间，节省1-2小时，不但提高电池实际续航能力，也提高了施工效率。

五、结论

因新能源设备发展较晚，导致充电桩进洞在国内目前还没有较广泛的推广应用，但随着隧道进尺加大，洞内充电优势非常明显，且很有必要。