地下輸電線路工程技術發展近況
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地工部 組 長 |
王文通 |
自從台電第六輸變電工程於九十年奉政府核定實施後，本工程司由電機部於九十年二月開辦九十年度電機部教育訓練課程…輸電地下電纜工程設計。筆者有幸參加該課程，開始收集並研讀相關資料，再經由參與本司承辦台電仙渡345KV地下電纜規劃、設計工作，其間由於日本關西電力公司之協助，對都會區地下輸電有進一步的認識與瞭解。為了拋磚引玉，筆者自告奮勇將所知加以整理，提出供同仁參考。
本文將依次說明都會區輸電地下化趨勢、地下輸電線路工程技術 (包括土木方面及機電方面) 之發展。
國內所謂輸電線路係指電壓69KV以上之送電線路，其送電方式有架空線及地下電纜方式。由於台灣地狹人稠，寸土寸金，架空線橫跨處，對景觀及民生建設都會產生不同程度的影響。故近年來除原野、鄉間、山區外，很多新建輸電逐漸採取地下電纜方式設計。
台北、高雄及台中等都會區之輸電線路在市區已逐漸採取地下電纜輸電線路設計，筆者所知台電六輸計畫中有許多架空輸電線路進入市區也採用地下電纜方式佈設。345KV輸電地下電纜已經完工運轉者有台南科學園區；正在設計者有台北市仙渡345KV地下電纜線路工程；正在招標將著手規劃設計者有台北市松湖地下電纜工程。161KV地下輸電線路有多處施工中或已完成，161KV地下電纜工程將以統包方式招標者在新竹、花蓮、台南等地均將於近期內逐步展開。
鄰國日本，在東京市、大阪市等都會區比我國先採用地下輸電線路，東京都會區內地下輸電線路佔全部輸電線路85%以上(陳世強，1990年)，東京市已有部份500KV輸電以XLPE電纜佈設於地下洞道。歐洲在丹麥哥本哈根市、德國柏林市亦將400KV輸電線路地下化。
(一)土木技術發展
1. 潛盾隧道
(1)潛盾設計之檢討
此處潛盾隧道與台北捷運工程所採用之潛盾隧道在技術上大體相同，在潛盾設計時依下列步驟進行：
a. 潛盾工法之選用
在地下輸電線路工程中，當明挖法及推進法(pipe jacking method)不適用時才選用潛盾工法(Shield tunneling method)。比較這三種方法時，檢討在安全、施工工期及費用等，妥慎選用。
b. 初步調查
為決定潛盾施工之綱要計畫，需調查相關項目。
c. 潛盾洞道路徑
除了考量地形、地質等技術條件外，尚需顧及鄰近建物之安全，並需徵得政府相關單位之同意。
d. 洞道之覆土深度
為考量洞道斷面、土壤參數、洞道浮動、鄰近建物等，需檢視覆土深度。
e. 潛盾機鑽掘長度
基於洞道沿線地層特性，檢視潛盾機切割齒之磨損，來預估潛盾機可鑽掘之長度。
f. 環片結構設計
依作用於環片之土壓、水壓等荷重，經由結構計算檢視環片結構並配筋。
g. 潛盾機機型選擇
考量設計參數、土壤種類、施工條件、環境條件等，依安全、施工工期及費用選用合適機型。
h. 工作井施工
考量設計參數、土壤種類、施工方法、環境情況等，檢視安全、施工工期及費用，選用合適工作井施工方法。
i. 工作井結構設計
基於工作井之形式、尺寸及深度辦理結構設計。
(2)潛盾洞道施工技術之發展
a. 長距離及高速潛盾鑽掘
由於都會區道路交通繁忙，地下輸電電纜幾乎不可能設中間工作井，潛盾機製造廠商為克服此困難，潛盾機之能量加大，一部機一次鑽掘長度逐漸加長，日本曾有潛盾機外徑5.75m，二部機分別鑽掘5km及6.5km之實績(日本關西電力Gakuen~Toyosaki電纜洞道)。此例平均每月鑽掘280m，請閱照片一及照片二。
b. 潛盾機地下機械接合(Mechanical shield docking method，MSD)
如前節，為克服無法挖掘中間工作井之困難，日本潛盾機廠商研發用二部外徑相同之潛盾機，在洞道中間段用機械方式接合，降低工程費。(至2001年2月止)此種地下機械接合在日本已有7件實績完成 (久原高志，2001年)。前節所提Gakuen-Toyosaki地下電纜工程即用此種方式施工，請詳閱照片三。
c. T分歧潛盾鑽掘法
T分歧潛盾鑽掘法亦於因地下結構物密集，無法設置工作井時採用，此法用一部潛盾機鑽掘，T分歧洞道可能從任何地點由主潛盾機鑽掘T分歧段。然後主鑽掘機與支鑽掘機可同時鑽進，因此輔助施工法和工作井可以省略。此處示一例，日本Uehommachi-Honmachi Line Tunnel(主機外徑7.26mm，線路長度2.7km，支機外徑4.2.4m，支線長度0.85km)，請詳閱照片四。
d. 深、急彎及陡坡施工
考量未來地下道路，電纜洞道只能在很惡劣情況下施工，例如深度66m，上坡20%急彎半徑50m及複雜土壤組成。因此須開發中央開挖控制系統，潛盾機、環片、軌道材料運送車等。施工案例，Nishi-Umeda電纜洞道(外徑8.18m，線路長度1.5km)，請詳閱照片五。
2. 推進施工法
(1)推進施工法
推進施工(或稱頂管施工)常常在電纜洞道需跨越溪流、鐵路及公路等處所當不能用明挖法時採用。推進施工需於考量施工、環境和土壤情況後，選用最佳推進設計。
a. 推進施工法之採用
在採用推進施工法前需經比較本法與明挖法、潛盾施工法在安全、施工工期和成本等之優劣後決定是否採用。
b. 初步調查
在檢視初步調查項目後決定推進施工之綱要計畫。
c. 推進施工線路
在與道路管理機關討論或收集沿線既有地下結構物後，檢視最佳推進施工線路。
d. 綱要設計
考量地形和既有結構物，執行推進出發井、到達井和推進管線路等綱要設計。
e. 最佳推進施工法之選用
在不同推進施工法間考量安全、施工工期和費用等比較選用。
(2)電纜洞道推進施工之實例
a. 半潛盾施工(Semi-Shidd Construction)
日本橫濱市之Shinko-Kobe Line在橫跨Ikuta溪處採用半潛盾施工，機組外徑2000mm，由於既有密集地下結構物橫在線路，此半潛盾施工線路成為三度空間，包括急彎(最小半徑40m)和陡坡(最大17.2%)，推進長度280m，請詳閱照片六及照片七。
(3)短推進施工之研發
為降低短推進施工費用，推進機研發成功使短推進施工成本不比明挖法為高。此研發例子為推進機外徑700mm，鑽掘長度15m，省去到達井，請詳閱照片八。
3. 共同管道
本工程司曾參與國內市區公共管道之規劃、設計工作，例如台北市東西向快速道路共同管道，一支幹管、二支側管，三管長度均為5.28km，此共同管道與台鐵地下化段共構。另外基隆河截彎取直共同管道工程，全長1.53km，已於88年3月配合截彎取直工程完成，台電並於88年12月底佈設161kv汐止~松山紅白線及161kv松山~大直分歧線之電力電纜完成送審。(彭傑正，2000年)。
(二)機電技術發展
1. 電力電纜
佈設電力電纜有直接埋設、管路式、洞道式、橋梁式及海底式等，每一電纜需就個別情況檢討選用最佳電纜(如XLPE、OF、POF等)以期高可靠度和低成本。以下為電力電纜技術之發展情況。
(1)送電容量設計
依系統規劃需求，選用最佳電力電纜型式及電纜尺寸。
(2)人孔內電纜反曲設計(Offset Design)
人孔之尺寸需經由二反曲圓弧設計來決定。此反曲是為吸收因輸電量變化引致之電纜熱脹冷縮。
(3)電纜佈設設計
在洞道內電纜為吸收因輸電量變化產生之熱脹冷縮需蛇形佈設，電纜支承間隔及支撐方法需由蛇形設計決定。
(4)電纜被套設計
電纜芯(cable core)電流之電磁效用，在被套上感應電壓，稱為被套電壓(Shealth voltage)，為降低被套電壓至允許電壓(台電65v)，需採用最佳接地方式。
(5)電纜佈設拉力設計
電纜佈設拉力需控制在允許值內，以免降低電纜功能。經由核算電纜佈設拉力，以求最佳電纜佈設長度。
(6)通訊電纜之電磁感應電壓
電力電纜通電因電磁感應引致通訊電纜感應電壓，經檢視此通訊電纜感應電壓來決定是否採取補救措施。
(7)鐵塔電纜連接設計
架空輸電線與地下電纜間之接點可設於地面或在鐵塔上，接頭放在鐵塔時，XLPE電纜佈設方法需審慎選擇。
(8)電力電纜長度計算
為減少電纜接點數，需核算電纜被套感應電壓在允許值內(台電65V)，俾使決定電纜接點間最大長度。
(9)電纜防火考量
可採取難燃PVC被覆之電纜以降低火災之發生率，並於洞道內裝設火災偵測器及消防設備。
(10) 充油電纜之充油設計
充油電力電纜在電纜導體周圍充滿絕緣油。在充油供應系統需設油壓量測設備。
2. 地下電纜之冷卻系統
(1)冷卻系統概念
為增大地下輸電線路之送電容量，可依電纜種類、佈設形態，經濟地選用各式各樣之強制冷卻方式。電纜強制冷卻系統通常用於洞道及管路佈設之電纜，此系統又分為間接冷卻及直接冷卻方式。然而其又因冷媒種類及電纜構造而異，請詳表1所示。冷卻系統之概念如圖一所示。
電纜洞道內有風冷系統及水冷系統二種。風冷系統比其他系統裝置簡單，保養便宜，因其自外吸氣，而受外界氣溫之影響，夏季與冬季之冷卻效果不同。再者就洞道內保養、檢查之作業性考慮需限制洞道內風速，通風之溫度不能大幅上昇，因此冷卻區間長度無法拉長。長距離之冷卻則可採用水冷系統，而此系統又分為直接與間接水冷兩種。直接水冷即直接冷卻電纜、冷卻效果高、平時電纜承受水壓、電纜被套之耐水壓及接續匣之冷卻在設計上需特別考慮。間接水冷者，電纜與冷水管間有空氣在，冷卻效果稍差，電纜與冷卻設備分開設置、分別保養，可依計畫輸電容量增加而增設冷卻系統。現在從防災觀點，有在防災線槽(Trough)內佈設電纜，利用線槽內之空間裝置冷水管，由水循環將線槽內電纜間接水冷卻。
管道佈設電纜之冷卻亦有直接水冷和間接水冷兩種，間接水冷方式者電纜與冷水管間有土壤在，冷卻效率低，然而冷水管有利用電纜管路間空間之好處。
(2)冷卻系統實例
國內在台南科學園區地下電力電纜採用洞道風冷機冷卻(fan Cooler)系統，並已在營運中；而台電仙渡345kv地下輸電電纜則於規劃及初步設計時採用洞道內間接水冷方式。茲於表2列有日本地下電纜間接水冷實例。表中可看出日本關西電力公司南港火力輸電電纜線路區間長3.4km，送電容量183MW至600MW，使用渦流式冷凍機915KW(260USRt)。
(3)各種冷卻系統之比較
本節討論長距離線路之強制冷卻模型，各種冷卻系統之容量計算與概略設備設計及實施，以及風冷和水冷之適用比較。
a. 冷卻設備設計檢討模型
圖二示冷卻設備設計之檢討模型，假設線路長2.5公里之，冷卻設備設計及實施。
現依本項洞道長軸方向之土壤熱抵抗為定值來進行設備設計，實際線路之冷卻設計應考慮洞道長軸方向土壤熱抵抗變化之情況。
本項設備設計條件如下：
(a)電纜：275KV CAZV 1x2500mm2，4回線。相離佈設(電纜間隔s=200mm)。
(b)基底溫度：18℃。
(c)洞道佈設時之土壤熱抵抗：0.158K．m/W。
(d)出水管規範：耐壓值1.0MPa(內徑120mmψ，外徑150mmψ)。
(e)出水管管數之上限：12支(此為回線數之3倍)。
(f)風速之上限：3m/sec。
(g)洞道入口溫度：32℃(風冷之場合)
(h)冷卻水入口溫度：32℃(水冷之冷卻水塔運轉場合)
10℃(水冷之冷凍機及冷卻水塔均運轉場合)
(i)洞道內空氣溫度之上限：37℃。
(j)洞道內發生熱損之上限：400W/m，送電容量700MVA/cct，損失率Lf=0.6程度
b. 設備設計結果
以1項為檢討模型，分別以風冷系統、水冷系統設計所需之冷卻設備，討論兩種冷卻系統之適用性。
採用風冷系統，洞道內電纜發熱量大時，每個風冷區間長度短，需較多風冷區間，此糸統可在明挖洞道使用；而潛盾洞道埋深時，需配合多個風冷區間設多個工作井，在長距離潛盾洞道處很難採用。
選用水冷情況，僅用冷卻水塔不加冷凍機時，其可運轉區間長度雖較風冷系統為長，而在電纜散熱量大時，區間長度亦受限制，其冷卻水管支數增加，很難全數在洞道內設置。
另一方面如採冷卻水塔與冷凍機併用時，冷卻水入口溫度在10℃以下，其冷卻效果良好，在2.5km長電纜線路可以適用。詳如表3所示。
國內自從台電第六輸電工程奉政府核准實施後，國內外規劃、設計機構包括顧問公司，日本電力公司及電纜製造廠、變電設備製造商等均表現高度興趣，本工程司亦積極爭取參與的機會，並先後承辦「路竹科學園區鄰近地下輸電電纜規設」，「仙渡345kv地下輸電線路工程規設」及「彰林后里超高壓變電所規設」等工作。期間經由日本關西電力公司協助，使相關同仁在地下電纜佈設及冷卻系統技術上收穫不少，筆者特將相關技術做一通盤整理，期望同仁在研讀之餘能不吝給予指正和指導。
參考文獻
(1)陳世強(1990年)，”潛盾工法埋設輸電電纜線路”行政院所屬各機關人員共同報告。
(2)彭傑正(2000年)，”共同管道與輸電線路地下化”電機技師79期(民國89年2月)，
P.72~94。
(3)久原高志(2001年)，”潛盾機地中接合(MSD工法)”土木施工42卷6號(2001年5月)，
P.39~43。
(4)社團法人電氣協同研究會(1998年)，”地中送電線之送電容量設計”電氣協同研究
第5.3卷第3號(平成10年1月)，P104~139。
(5)“Underground transmission lines technical information”，日本關西電力公司提供(2001年)。
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