本发明涉及涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种基于钻爆法的隧道机械化施工配电方案的设计方法。
背景技术：
在隧道传统的人工钻爆无轨出渣施工中，大型空压机、通风机、混凝土拌和机、钢材加工机械等大功率用电设备均布置在洞外，洞内涉及较大功率用电设备只有衬砌台车、混凝土输送泵，大家对施工配电方案通常都采用经验法，即简单按全部施工设备电机额定功率总和乘0.75或0.8的经验系数折算，以此确定供电变压器容量。如此，一是未考虑用电设备和输电线路的无功损失和各设备负荷所需用电电流；二是未结合施工组织设计考虑隧道施工各阶段用电峰值变化来优化列装变压器台数及单台容量而造成负荷效率低；三是洞内使用大功率用电设备或特长隧道施工，当需高压进洞时，无法准确把握洞内移动变压器容量与移动频率和洞内低压输电导线规格选取以及受电压降影响而允许设备使用的低压线路长度。
而采用钻爆法机械化施工中，除洞口或洞外布置的大型空压机、通风机、混凝土拌和机、钢材加工机械等大功率用电设备外，洞内投入了凿岩台车、湿喷机组等大功率用电动力机械设备。为提高配电负荷率和用电效率，减少用电设备和输电线路的无功损失，避免导线选择过大造成资源浪费，节约施工成本，确保施工用电布局合理，保障供电对整个施工环节设备安全顺利运行，因此，结合工程施工组织设计，需对施工配电方案进行专项设计计算，解决传统的人工钻爆施工配电存在问题，用于指导隧道机械化临时供配电系统安装，形成合理配置、能耗浪费小、降低施工成本的隧道机械化施工配电方案。
技术实现要素：
为了克服现有技术提及的缺点，本发明提供一种基于钻爆法的隧道机械化施工配电方案的设计方法，对施工配电方案进行专项设计计算，确定供电变压器容量、变压器列装台数、各供电线路的输电导线截面积、各供电线路供电变压器端接出的最大输电线路长度等等参数，指导施工现场安装配电方案，避免配电设施无功损失和资源浪费，确保施工采取能耗较低的配电方案。
本发明为解决上述问题采取的方案是：一种基于钻爆法的隧道机械化施工配电方案的设计方法，其方法步骤如下：
s1.结合工程施工组织设计，通过现场考察，了解临时用电高压端电源进线情况和供给情况，确定用电设备的种类、数量、额定电压un和额定功率pn，根据配电控制和低压供电总箱和分配箱设置位置，规划供电线路走向和线路设计布置方案，并且分别计算各供电线路中用电高峰期所有用电设备的额定功率pn的总和pe；
s2.分别计算各供电线路的负荷有功功率pc和无功功率qc以及视在功率sc，并进一步计算各供电线路的电流值ⅰc，计算公式如下：
pc＝kdpe(单位：kw)；
上述式中，kd为需用系数，取值为0.75～0.8，
s3.根据步骤s2计算的各供电线路的负荷有功功率pc以及电流值ⅰc，计算出需要的各供电线路的总有功率之和σpc和总电流之和σⅰc，以σpc和σⅰc两项指标双控方式选择确定变压器总装容量(即变压器总装容量的最大负荷以及最大电流均不应小于σpc和σⅰc)和变压器输出供电电压un；具体地，变压器总装容量按大于总有功功率之和σpc的1.1～1.15倍选择。
s4.确定变压器总装容量后还应对变压器列装台数及单台容量作进一步确定，其方法步骤如下：充分考虑施工各阶段用电设备投入时实际计算容量、性质和使用时间，进一步确定变压器列装台数及单台容量，其中，单台变压器的容量按变压器总装容量的0.3～0.5倍确定，然后确定各个单台变压器输出供电电压un；当施工组织设计考虑高压进洞方案，须在洞内安装移动变压器时，倍数选低限，当不考虑高压进洞方案时，倍数选高限，变压器列装台数依据变压器总装容量和上述方法选定的单台变压器容量确定(即：列装台数＝变压器总装容量/单台变压器容量或者采用列举法列举各台变压器容量之和等于变压器总装容量来确定)，确定变压器列装台数及单台容量后，应校核选定的各台变压器额定电流总和值，须满足总额定电流值大于σⅰc。
s5.初步计算各供电线路的输电导线截面积s：首先选择低压输电导线规格，从而确定低压输电导线的材质、导线芯的单位面积s'、导线电阻率σ等等，依据s2步骤计算各供电线路的计算电流ⅰc，再按如下公式计算各路导线截面积：
式中：由于受用电负载功率下安全电流值限制，ⅰc应小于最高工作温度(≤65℃)条件下导线出厂标称值。ⅰm为导线芯的单位面积s'允许长期通过的安全载流量，由初选低压输电导线规格后，查阅安全载流量图册可得；其中铜导线ⅰm为5～8(a/mm2)、铝导线ⅰm为3～5(a/mm2)，一般情况下，距离短、截面积小、散热好、气温低等，导线的导电能力强些，安全载流量选上限。导线距离长、截面积大、散热不好、气温高、自然环境差等，导线的导电能力弱些，安全载流量选下限。
s6.根据步骤s5初选择低压输电导线规格，查阅电阻率图册可得导线芯的电阻率σ，初选择允许电压降幅值△un,再计算各个单台供电变压器端接出的最大低压输电线路长度l，用以指导各个供电变压器的安装位置，计算公式如下：
式中：un为变压器输出供电电压，该参数即步骤s4确定的单台变压器的出厂标准低压输出电压，一般取值220-400v，这里作为动力用电，输出电压优选取值为400v；s为步骤s5计算的低压输电线路导线截面积；△un为允许电压降幅值,其取值范围为0＜△un≤30v；sc为视在功率；σ为导线电阻率，由初选低压输电导线规格后，查阅电阻率图册可得(常温下，一般铜芯线电阻率取0.018ω·mm2/m，铝芯线电阻率取0.029ω·mm2/m)。
s7.根据远距离低压输电满足导线安全载流量前提，按电压损失条件对前述初步计算各供电线路的输电导线截面积s和最大输电线路长度l的合理性进行反演分析，目的是验证选择的s'是否合理，是否满足允许电压降要求，其具体方式为：
按初选导线芯的安全载流量ⅰm对应的单位面积s'、最大输电线路长度l、电阻率σ等参数计算反演线路电压降值△u，假如△u≤△un(允许电压降幅值)，则判定输入设备端的电压满足设备所需正常作业电压要求，假如△u＞△un，则需返回步骤s5，重新选择更大单位面积s'或电阻率σ更小的导线，尽量优化s'选值，不会因为选用过大截面积的导线造成浪费。反演线路电压降的计算公式如下：
反演线路电流：
反演导线电阻：ω＝σl/s'
反演线路电压降：
s8.按用电负荷、机械设备允许电压降数值、初步计算导线长度、截面积等指标，反演分析，确定输电线路长度。
s9.最终，为确保施工安全生产正常开展，按计算选定的低压输电导线规格的导线和最大输电线路距离l，当实际低压输电线路长度超过计算确定的最大输电线路距离l时，往隧道洞内引入高压线路，并在隧道洞内安装可移动的箱式变压器，以便降低低压供电输送距离。
本发明的有益效果是：本发明的配电设计方法，通过步骤s1-s3合理计算出变压器总装容量，避免隧道机械化施工配电时设施无功损失和资源浪费，指导施工配电采取最优能耗的配电方案；步骤s4对变压器列装台数及单台容量作进一步确定，步骤s5指导输电导线规格的选择，步骤s6最终计算出变压器的最大输电线路距离，指导施工方案确定变压器列装位置。本发明的方法的计算公式正确，参数取值合理，降低能耗，经济实用，确保机械化施工安全顺利进行，提供的计算方法可指导类似工程实践；隧道洞内机械化施工设备低压供电线路合理经济的长度按用电设备视在功率和输电线路截面积、电阻率以及供电电压、允许电压降等计算，确定隧道洞内机械化施工最大经济合理低压输电线路长度。如此，实现隧道机械化钻爆与支护施工安全顺利进行的效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例子对本发明进行进一步的说明。
一种基于钻爆法的隧道机械化施工配电方案的设计方法，其方法步骤如下：
s1.结合工程施工组织设计，通过现场考察，了解临时用电高压端电源进线情况和供给情况，确定用电设备的种类、数量、额定电压un和额定功率pn，根据配电控制和低压供电总箱和分配箱设置位置，规划供电线路走向和线路设计布置方案，并且分别计算各供电线路中用电高峰期所有用电设备的额定功率pn的总和pe；
s2.分别计算各供电线路的负荷有功功率pc和无功功率qc以及视在功率sc，并进一步计算各供电线路的电流值ⅰc，计算公式如下：
pc＝kdpe(单位：kw)；
上述式中，kd为需用系数，取值为0.75～0.8，
s3.根据步骤s2计算的各供电线路的负荷有功功率pc以及电流值ⅰc，计算出需要的各供电线路的总有功率之和σpc和总电流之和σⅰc，以σpc和σⅰc两项指标双控方式选择确定变压器总装容量(即变压器总装容量的最大负荷以及最大电流均不应小于σpc和σⅰc)；具体地，变压器总装容量按大于总有功率之和σpc的1.1～1.15倍选择。
s4.确定变压器总装容量后还应对变压器列装台数及单台容量作进一步确定，其方法步骤如下：充分考虑施工各阶段用电设备投入时实际计算容量、性质和使用时间，进一步确定变压器列装台数及单台容量，其中，单台变压器的容量按变压器总装容量的0.3～0.5倍确定，然后确定各个单台变压器输出供电电压un；当施工组织设计考虑高压进洞方案，须在洞内安装移动变压器时，倍数选低限，当不考虑高压进洞方案时，倍数选高限，变压器列装台数依据变压器总装容量和上述方法选定的单台变压器容量确定，确定变压器列装台数及单台容量后，应校核选定的各台变压器额定电流总和值，须满足总额定电流值大于σⅰc。
s5.初步计算各供电线路的输电导线截面积s,初选择低压输电导线规格，依据s2步骤计算各供电线路的计算电流ⅰc，再按如下公式计算各路导线截面积：
式中：由于受用电负载功率下安全电流值限制，ⅰc应小于最高工作温度(≤65℃)条件下导线出厂标称值。ⅰm为导线芯的单位面积s允许长期通过的安全载流量，其中铜导线ⅰm为5～8(a/mm2)、铝导线ⅰm为3～5(a/mm2)，一般情况下，距离短、截面积小、散热好、气温低等，导线的导电能力强些，安全载流选上限。导线距离长、截面积大、散热不好、气温高、自然环境差等，导线的导电能力弱些，安全载流选下限。
s6.计算供电变压器端接出的最大低压输电线路长度l，计算公式如下：
式中：un为变压器输出供电电压，一般取值为220～400v；s为低压输电线路导线截面积；△u为允许电压降幅值,其取值范围为0＜△u≤30v；sc为视在功率；σ为导线电阻率(常温下，一般铜芯线电阻率取0.018ω·mm2/m，铝芯线电阻率取0.029ω·mm2/m)。
s7.根据远距离低压输电满足导线安全载流量前提，按电压损失条件对前述初选导线截面积、长度的合理性进行反演分析，其具体方式为：
按初选导线芯的安全载流量ⅰm的单位面积s'、最大输电线路长度l、电阻率σ等参数计算反演线路电压降值△u，假如△u≤△un(允许电压降幅值)，则判定输入设备端的电压满足设备所需正常作业电压要求，假如△u＞△un，则需返回步骤s5，重新选择更大单位面积s'或电阻率更小的导线。反演线路电压降的计算公式如下：
反演线路电流：
反演导线电阻：ω＝σl/s'
反演线路电压降：△u＝ic×ω。
s8.按用电负荷、机械设备允许电压降数值、初步计算导线长度、截面积等指标，反演分析，确定输电线路长度。例如：当隧道洞内采用两台凿岩台车机械化施工时，设备用电负荷最大总功率为470kw，根据前述步骤，计算得出有功功率pc为376kw、无功功率qc为260kvar、视在功率sc为457.1kva、电流ⅰc为694.5a。基于允许电压降幅值△u为30v，试算选择导线截面积，再反演分析，得出低压输电导线采用240㎜2铜芯电缆，输电线路长度为606m。
s9.最终，为确保施工安全生产正常开展，按计算选定的低压输电导线和最大输电线路距离，当实际低压输电线路长度超过计算确定的最大输电线路距离l时，往隧道洞内引入高压线路，并在隧道洞内安装可移动的箱式变压器，以便降低低压供电输送距离。
其中，洞口变压器列装台数应结合施工各阶段用电负荷量，可灵活暂停运行台数，以提高在运行的变压器负荷率，确保变压器负荷率达到90％以上；同时洞口变压器的安装位置距离洞口控制在50～100m。在低压配电采用tn-s系统，三级配电方式。
在一些实施方式中，考虑在低压输电线路近用电设备端采取就地无功补偿措施来降低线路和设备无功损失，以增加隧道洞内机械化施工低压输电线路长度。
以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。