地下输电线路工程技术发展近况

地下输电线路工程技术发展近况一、前言自从台电第六输变电工程于九十年奉政府核定实施后，本工程司由电机部于九十年二月开办九十年度电机部教育训练课程…输电地下电缆工程设计。笔者有幸参加该课程，开始收集并研读相关资料，再经由参与本司承办台电仙渡345KV地下电缆规划、设计工作，其间由于日本关西电力公司之协助，对都会区地下输电有进一步的认识与了解。为了抛砖引玉，笔者自告奋勇将所知加以整理，提出供同仁参考。本文将依次说明都会区输电地下化趋势、地下输电线路工程技术(包括土木方面及机电方面)之发展。二、都会区输电地下化之趋势国内所谓输电线路系指电压69KV以上之送电线路，其送电方式有架空线及地下电缆方式。由于台湾地狭人稠，寸土寸金，架空线横跨处，对景观及民生建设都会产生不同程度的影响。故近年来除原野、乡间、山区外，很多新建输电逐渐采取地下电缆方式设计。台北、高雄及台中等都会区之输电线路在市区已逐渐采取地下电缆输电线路设计，笔者所知台电六输计划中有许多架空输电线路进入市区也采用地下电缆方式布设。345KV输电地下电缆已经完工运转者有台南科学园区；正在设计者有台北市仙渡345KV地下电缆线路工程；正在招标将着手规划设计者有台北市松湖地下电缆工程。161KV地下输电线路有多处施工中或已完成，161KV地下电缆工程将以统包方式招标者在新竹、花莲、台南等地均将于近期内逐步展开。邻国日本，在东京市、大阪市等都会区比我国先采用地下输电线路，东京都会区内地下输电线路占全部输电线路85%以上(陈世强，1990年)，东京市已有部份500KV输电以XLPE电缆布设于地下洞道。欧洲在丹麦哥本哈根市、德国柏林市亦将400KV输电线路地下化。三、地下输电线路之技术发展(一)土木技术发展1.潜盾隧道(1)潜盾设计之检讨此处潜盾隧道与台北捷运工程所采用之潜盾隧道在技术上大体相同，在潜盾设计时依下列步骤进行：a.潜盾工法之选用在地下输电线路工程中，当明挖法及推进法(pipejackingmethod)不适用时才选用潜盾工法(Shieldtunnelingmethod)。比较这三种方法时，检讨在安全、施工工期及费用等，妥慎选用。b.初步调查为决定潜盾施工之纲要计划，需调查相关项目。c.潜盾洞道路径除了考虑地形、地质等技术条件外，尚需顾及邻近建物之安全，并需征得政府相关单位之同意。d.洞道之覆土深度为考虑洞道断面、土壤参数、洞道浮动、邻近建物等，需检视覆土深度。e.潜盾机钻掘长度基于洞道沿线地层特性，检视潜盾机切割齿之磨损，来预估潜盾机可钻掘之长度。f.环片结构设计依作用于环片之土压、水压等荷重，经由结构计算检视环片结构并配筋。g.潜盾机机型选择考虑设计参数、土壤种类、施工条件、环境条件等，依安全、施工工期及费用选用合适机型。h.工作井施工考虑设计参数、土壤种类、施工方法、环境情况等，检视安全、施工工期及费用，选用合适工作井施工方法。i.工作井结构设计基于工作井之形式、尺寸及深度办理结构设计。(2)潜盾洞道施工技术之发展a.长距离及高速潜盾钻掘由于都会区道路交通繁忙，地下输电电缆几乎不可能设中间工作井，潜盾机制造厂商为克服此困难，潜盾机之能量加大，一部机一次钻掘长度逐渐加长，日本曾有潜盾机外径5.75m，二部机分别钻掘5km及6.5km之实绩(日本关西电力Gakuen~Toyosaki电缆洞道)。此例平均每月钻掘280m，请阅照片一及照片二。b.潜盾机地下机械接合(Mechanicalshielddockingmethod，MSD)如前节，为克服无法挖掘中间工作井之困难，日本潜盾机厂商研发用二部外径相同之潜盾机，在洞道中间段用机械方式接合，降低工程费。(至2001年2月止)此种地下机械接合在日本已有7件实绩完成(久原高志，2001年)。前节所提Gakuen-Toyosaki地下电缆工程即用此种方式施工，请详阅照片三。c.T分歧潜盾钻掘法T分歧潜盾钻掘法亦于因地下结构物密集，无法设置工作井时采用，此法用一部潜盾机钻掘，T分歧洞道可能从任何地点由主潜盾机钻掘T分歧段。然后主钻掘机与支钻掘机可同时钻进，因此辅助施工法和工作井可以省略。此处示一例，日本Uehommachi-HonmachiLineTunnel(主机外径7.26mm，线路长度2.7km，支机外径4.2.4m，支线长度0.85km)，请详阅照片四。d.深、急弯及陡坡施工考虑未来地下道路，电缆洞道只能在很恶劣情况下施工，例如深度66m，上坡20%急弯半径50m及复杂土壤组成。因此须开发中央开挖控制系统，潜盾机、环片、轨道材料运送车等。施工案例，Nishi-Umeda电缆洞道(外径8.18m，线路长度1.5km)，请详阅照片五。2.推进施工法(1)推进施工法推进施工(或称顶管施工)常常在电缆洞道需跨越溪流、铁路及公路等处所当不能用明挖法时采用。推进施工需于考虑施工、环境和土壤情况后，选用最佳推进设计。a.推进施工法之采用在采用推进施工法前需经比较本法与明挖法、潜盾施工法在安全、施工工期和成本等之优劣后决定是否采用。b.初步调查在检视初步调查项目后决定推进施工之纲要计划。c.推进施工线路在与道路管理机关讨论或收集沿线既有地下结构物后，检视最佳推进施工线路。d.纲要设计考虑地形和既有结构物，执行推进出发井、到达井和推进管线路等纲要设计。e.最佳推进施工法之选用在不同推进施工法间考虑安全、施工工期和费用等比较选用。(2)电缆洞道推进施工之实例a.半潜盾施工(Semi-ShiddConstruction)日本横滨市之Shinko-KobeLine在横跨Ikuta溪处采用半潜盾施工，机组外径2000mm，由于既有密集地下结构物横在线路，此半潜盾施工线路成为三度空间，包括急弯(最小半径40m)和陡坡(最大17.2%)，推进长度280m，请详阅照片六及照片七。(3)短推进施工之研发为降低短推进施工费用，推进机研发成功使短推进施工成本不比明挖法为高。此研发例子为推进机外径700mm，钻掘长度15m，省去到达井，请详阅照片八。3.共同管道本工程司曾参与国内市区公共管道之规划、设计工作，例如台北市东西向快速道路共同管道，一支干管、二支侧管，三管长度均为5.28km，此共同管道与台铁地下化段共构。另外基隆河截弯取直共同管道工程，全长1.53km，已于88年3月配合截弯取直工程完成，台电并于88年12月底布设161kv汐止~松山红白线及161kv松山~大直分歧线之电力电缆完成送审。(彭杰正，2000年)。(二)机电技术发展1.电力电缆布设电力电缆有直接埋设、管路式、洞道式、桥梁式及海底式等，每一电缆需就个别情况检讨选用最佳电缆(如XLPE、OF、POF等)以期高可靠度和低成本。以下为电力电缆技术之发展情况。(1)送电容量设计依系统规划需求，选用最佳电力电缆型式及电缆尺寸。(2)人孔内电缆反曲设计(OffsetDesign)人孔之尺寸需经由二反曲圆弧设计来决定。此反曲是为吸收因输电量变化引致之电缆热胀冷缩。(3)电缆布设设计在洞道内电缆为吸收因输电量变化产生之热胀冷缩需蛇形布设，电缆支承间隔及支撑方法需由蛇形设计决定。(4)电缆被套设计电缆芯(cablecore)电流之电磁效用，在被套上感应电压，称为被套电压(Shealthvoltage)，为降低被套电压至允许电压(台电65v)，需采用最佳接地方式。(5)电缆布设拉力设计电缆布设拉力需控制在允许值内，以免降低电缆功能。经由核算电缆布设拉力，以求最佳电缆布设长度。(6)通讯电缆之电磁感应电压电力电缆通电因电磁感应引致通讯电缆感应电压，经检视此通讯电缆感应电压来决定是否采取补救措施。(7)铁塔电缆连接设计架空输电线与地下电缆间之接点可设于地面或在铁塔上，接头放在铁塔时，XLPE电缆布设方法需审慎选择。(8)电力电缆长度计算为减少电缆接点数，需核算电缆被套感应电压在允许值内(台电65V)，俾使决定电缆接点间最大长度。(9)电缆防火考虑可采取难燃PVC被覆之电缆以降低火灾之发生率，并于洞道内装设火灾侦测器及消防设备。(10)充油电缆之充油设计充油电力电缆在电缆导体周围充满绝缘油。在充油供应系统需设油压量测设备。2.地下电缆之冷却系统(1)冷却系统概念为增大地下输电线路之送电容量，可依电缆种类、布设形态，经济地选用各式各样之强制冷却方式。电缆强制冷却系统通常用于洞道及管路布设之电缆，此系统又分为间接冷却及直接冷却方式。然而其又因冷媒种类及电缆构造而异，请详表1所示。冷却系统之概念如图一所示。电缆洞道内有风冷系统及水冷系统二种。风冷系统比其它系统装置简单，保养便宜，因其自外吸气，而受外界气温之影响，夏季与冬季之冷却效果不同。再者就洞道内保养、检查之作业性考虑需限制洞道内风速，通风之温度不能大幅上升，因此冷却区间长度无法拉长。长距离之冷却则可采用水冷系统，而此系统又分为直接与间接水冷两种。直接水冷即直接冷却电缆、冷却效果高、平时电缆承受水压、电缆被套之耐水压及接续匣之冷却在设计上需特别考虑。间接水冷者，电缆与冷水管间有空气在，冷却效果稍差，电缆与冷却设备分开设置、分别保养，可依计划输电容量增加而增设冷却系统。现在从防灾观点，有在防灾线槽(Trough)内布设电缆，利用线槽内之空间装置冷水管，由水循环将线槽内电缆间接水冷却。管道布设电缆之冷却亦有直接水冷和间接水冷两种，间接水冷方式者电缆与冷水管间有土壤在，冷却效率低，然而冷水管有利用电缆管路间空间之好处。(2)冷却系统实例国内在台南科学园区地下电力电缆采用洞道风冷机冷却(fanCooler)系统，并已在营运中；而台电仙渡345kv地下输电电缆则于规划及初步设计时采用洞道内间接水冷方式。兹于表2列有日本地下电缆间接水冷实例。表中可看出日本关西电力公司南港火力输电电缆线路区间长3.4km，送电容量183MW至600MW，使用涡流式冷冻机915KW(260USRt)。(3)各种冷却系统之比较本节讨论长距离线路之强制冷却模型，各种冷却系统之容量计算与概略设备设计及实施，以及风冷和水冷之适用比较。a.冷却设备设计检讨模型图二示冷却设备设计之检讨模型，假设线路长2.5公里之，冷却设备设计及实施。现依本项洞道长轴方向之土壤热抵抗为定值来进行设备设计，实际线路之冷却设计应考虑洞道长轴方向土壤热抵抗变化之情况。本项设备设计条件如下：(a)电缆：275KVCAZV1x2500mm2，4回线。相离布设(电缆间隔s=200mm)。(b)基底温度：18℃。(c)洞道布设时之土壤热抵抗：0.158K．m/W。(d)出水管规范：耐压值1.0MPa(内径120mmψ，外径150mmψ)。(e)出水管管数之上限：12支(此为回线数之3倍)。(f)风速之上限：3m/sec。(g)洞道入口温度：32℃(风冷之场合)(h)冷却水入口温度：32℃(水冷之冷却水塔运转场合)10℃(水冷之冷冻机及冷却水塔均运转场合)(i)洞道内空气温度之上限：37℃。(j)洞道内发生热损之上限：400W/m，送电容量700MVA/cct，损失率Lf=0.6程度b.设备设计结果以1项为检讨模型，分别以风冷系统、水冷系统设计所需之冷却设备，讨论两种冷却系统之适用性。采用风冷系统，洞道内电缆发热量大时，每个风冷区间长度短，需较多风冷区间，此纟统可在明挖洞道使用；而潜盾洞道埋深时，需配合多个风冷区间设多个工作井，在长距离潜盾洞道处很难采用。选用水冷情况，仅用冷却水塔不加冷冻机时，其可运转区间长度虽较风冷系统为长，而在电缆散热量大时，区间长度亦受限制，其冷却水管支数增加，很难全数在洞道内设置。另一方面如采冷却水塔与冷冻机并用时，冷却水入口温度在10℃以下，其冷却效果良好，在2.5km长电缆线路可以适用。详如表3所示。四、结论国内自从台电第六输电工程奉政府核准实施后，国内外规划、设计机构包括顾问公司，日本电力公司及电缆制造厂、变电设备制造商等均表现高度兴趣，本工程司亦积极争取参与的机会，并先后承办「路竹科学园区邻近地下输电电缆规设」，「仙渡345kv地下输电线路工程规设」及「彰林后里超高压变电所规设」等工作。期间经由日本关