地下高壓電纜洞道冷卻系統設計概論
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機械部 工程師 |
孫禹銘 |
摘 要
台灣地狹人稠，由於經濟起飛生活水準提高，未來都市計畫皆朝向功能性、便利性及美觀做規劃。為統合現代都市的各項傳輸系統(如自來水、排水、電力、電信、通訊…….等)方便管理，且避免各種管線於汰換更新，或容量增加另需鋪設管路時破壞市容、影響交通，共同管溝的概念因而產生。
「地下共同管溝」揚棄以往埋設管線時所開挖的小管溝，代之以埋設深度較深且具有大斷面的地下洞道，其斷面足以容納各類管線之鋪設，且容許維護人員活動其中。因此，當工程人員需要增加鋪設管線時，便毋需破壞既有道路。整體而言，其經濟效益及社會成本的節省大於初置成本。
雖然從傳統管溝佈設方式轉換成地下洞道的佈設方式，對多數的管線來說沒有什麼影響，然而對電力纜線而言卻有相當大的不同。因為電力纜線於輸送電流時，一定伴有熱傳的問題，如此一來，纜線與土壤間為空氣所隔，其熱傳形式由傳導變成對流，而對流的熱傳係數通常遠小於傳導係數，因此若未能有效解決電力纜線的散熱問題，將導致地下電纜洞道溫度升高(常高達50、60℃)而造成災難。
本文擷取日本於電纜地下化的設計經驗，配合台灣電力公司電纜地下化工程的實務經驗，概略整理現階段有關地下高壓電纜洞道冷卻系統設計資訊，提出供業界同仁參考，並希望能收拋磚引玉之效，引起業界對此一問題的重視與興趣，進而提昇我國在這一方面的設計能力以及冷卻技術。
一、前言
隨著都市的發展，由於人們對空間需求及市容景觀的考量，原本林立的電線桿消失了，服務人們日常生活需要的高壓輸電纜線遂轉入地下化。然而，系統的改變雖然帶給都市全新的風貌(天空不再縱橫交錯雜亂無章)，但所付出的代價卻也不小(地下電纜鋪設成本約為高架電纜鋪設成本的十倍)，且所衍生散熱的問題，一直是近來工程師們努力解決的目標。
二、基本原理與規劃原則
(一)洞道散熱問題分析
1. 目的
地下電纜洞道佈設冷卻系統之最主要目的，便是為了降低輸電纜線銅心之溫度，以避免因為纜線散熱不良，銅心溫度升高而造成災難。
以往傳統的纜線佈設分為室外高架電纜，或埋於地下之傳統管溝兩種架設方式。在熱傳學的觀點，無論是上述第一或第二種佈纜方式，大氣及大地，皆可以視為一個恆溫的熱窟。意即不論電纜散失多少熱量到熱窟中，熱窟的溫度也不會有變化。因此，傳統的佈纜方式，並不需要考慮電纜冷卻的問題。
然而隨著時代進步，配合都市計畫，規劃較具規模的地下電纜洞道，已是必然的趨勢，高壓電纜地下化之後，首要面對的便是纜線的冷卻問題(送電效率)，及維修保養人員的安全問題(換氣)【2】。
2. 原理
地下電纜洞道的散熱問題與前項所述兩種傳統佈纜方式最大的不同，在於電纜周圍不再是恆溫的熱窟，且空氣本身不易導熱，隨著送電時間越久，積熱越多，洞道溫度也跟著上升。
因此，縱使我們感覺電纜周圍的空氣溫度仍在可容忍的範圍內，但是銅心溫度此時已瀕臨極限值，一般工程設計上的應用，為將洞道溫度控制在37℃以下，其對應之銅心溫度為90℃。
3. 洞道熱傳分析
高壓地下輸電洞道散熱是非常複雜的熱傳問題。通常在解熱傳的問題時，首先必須列出熱傳方程式，然後設定邊界條件，再求解熱傳方程式。熱傳方程式包含傳導、對流、纜線發散之熱源，以及冰水管線所組成熱傳方程組(忽略輻射熱傳)。要解此熱傳方程組，一般需要依靠計算機的幫助。
依據日本「電力電纜技術手冊」【3】，以台灣電力公司仙渡345kV地下電纜工程規劃設計【5】為例所列之熱傳方程式及等效電路圖，如下所示：
在列出熱傳方程式後，為了幫助對問題的了解，依據問題的特性，作等效類比電路圖，如圖一所示。
包含熱通量、熱阻及溫度差，一般為了簡化問題，工程師在列出方程式後會找出控制熱阻(以階次分析忽略低次方項目)並加以分析。洞道熱傳問題的熱阻，包含絕緣材料的傳導熱阻、空氣對流熱阻、冷卻系統熱阻及大地熱阻。一般良好的電絕緣體亦為良好的絕熱體，但為了安全的因素，工程師並不會改變絕緣材料以符合熱傳的目的。
電纜熱傳問題，一般係以電纜被覆材料的表面溫度為主要控制變因；空氣的熱傳性質較為複雜，必須視流動情形而定(對流係數)，不僅是地下電纜散熱問題的控制熱阻，也是影響電纜表面溫度最直接的因素。大地的邊界條件，隨著地域及氣候有一定的設定。因此，冷卻系統的設計，便成了解決地下電纜洞道散熱問題最主要的課題。
(二)規劃基本原則
共同管道系統附屬冷卻系統之設置，在於提高額定輸電容量，並提供管道內之安全與方便管理所必要之設施。其規劃之基本原則如下【1】：
1.有效去除發熱量，降低電纜溫度，提高輸電容量。
2.系統最佳化設計，降低初置成本與操作成本。
3.有效管理降低維護成本。
4.考慮經濟性、耐久性、擴充性、可靠度等因素，及易於維護保養，避免發生事故及公害。
三、各類冷卻系統比較與冷卻機房細部配置
為增大地下送電線路的送電容量，由增大電纜線的尺寸開始，有各種的對策，而強制冷卻技術也被開發用來作為增大容量的對策之一。強制冷卻除要確保送電容量外，另要考量電纜線的種類及配置方式，進行有效率且經濟的冷卻設計。
(一)地下電力洞道各類冷卻系統比較
電力電纜線的強制冷卻系統，用於洞道配置及管路配置，大體可分為間接冷卻方式及直接冷卻方式。彙整如表2【1】所示：
風冷系統或水冷系統適用於洞道配置，風冷系統與其他系統相比，其裝置簡單且易於保養，但因需吸取外氣故易受外氣溫度影響，冷卻效果在夏季及冬季有明顯的差別。另從洞道內工作人員佈纜施工的作業性上來看，洞道內的風速須受限制（一般為2 m/s以下），再加上廢氣排放溫升的考量（一般為5~8℃），以致冷卻區間無法加長。因此，多用於短距離的洞道冷卻設計。
長距離的冷卻則採用水冷系統，其冷卻方式有直接及間接兩種。如有需針對特定的電纜線進行冷卻時，採用直接水冷方式較為有利；而降低洞道內的溫度，則採用間接水冷方式較為有利。
直接水冷因可直接冷卻電纜線，故冷卻效果高，但因水壓長時間作用於電纜線上，所以對於電纜線包覆的耐水性及接續部的冷卻方法等，在設計上必須特別注意。
間接水冷因電纜線與冷水管間有空氣介入，冷卻效率較差，但因施工及保養可與電纜線分開施作，因此可作為因應擴增容量計畫的冷卻系統工程；另外，為防災緣故而在防災線槽內配置電纜線，在此情形下可利用線槽的有效空間，在線槽內配置冷水管，讓水於線槽內循環帯走熱量，此亦另一種方式之間接水冷設計。
傳統管路配置，也有間接冷卻及直接冷卻兩種方式，間接水冷方式因電纜線與冷水管間有土壤存在，因此冷卻效率較差，但具有可有效利用管路剩餘空間的優點。
(二)冷水管間接冷卻系統與風冷系統之比較
洞道內的冷水管間接冷卻系統與風冷系統比較，前者可達較長的冷卻區間。且冷水管間接冷卻系統可依不同線路結構(網狀線路結構或單一線路結構)，冷卻全體洞道或進行特定洞道路線的冷卻，以提高冷卻效率是其特徵。管理條件與風冷系統相同，決定了洞道內的作業溫度（一般為37℃）為設計準則後，以滿足此標準為目標進行設計。
(三)強制冷卻系統基本配置
1. 冷卻系統基本配置
所謂洞道內水冷系統，是由冷凍機或冷卻水塔（統稱為冷水製造設備），與冷水管、送水泵、蓄熱槽（統稱為水循環設備）組成。冷水製造設備所製造的冷水經由洞道內冷水管的輸送，將電纜線發生的熱量去除。
(1)冷水製造設備
冷水製造設備，可分為僅有冷卻水塔的簡易冷卻方式，或與冷凍機併用的正式冷卻方式。冷卻電纜線的冷水係由冷卻水塔或冷凍機製造，儲藏於蓄熱槽。冷凍機依據洞道的空氣溫度及蓄熱槽的溫度，計算所需冷卻電纜線路的熱量，並控制運轉之。
(2)水循環設備
冷水製造設備所製造並儲存於蓄熱槽的冷水，經由送水泵向冷水管送水，以除去電纜線的發生熱。除去電纜線發生熱量後的溫水，經回水管路回到蓄熱槽，再度由冷卻水塔或冷凍機變換成冷水。同時，送水泵以洞道溫度不超過其設定溫度的方式進行控制運轉。
2. 間接水冷之適用例(日本)【1】
以關西電力―南港火力線為例，線路區間長3.4 km，為求送電容量由183 MW增大至600 MW，使用較大容量915 kw（260 USRt）的冷凍機。
中部電力―梅森金山線的情況，送電容量分為2個，這顯示出當初的規模只用冷卻水塔進行簡易冷卻即可，將來容量增加時可用冷凍機來冷卻。
五、設計理念
由於地下電纜洞道逐年增加送電線路容量，及至終期時為確保在高負載容量與較高週遭空氣溫度的考量下，必須以循環冷卻水來對洞道做強制冷卻，再利用冷卻機房的主機帶走循環水中的熱量。
冷卻系統的目的就是要保證下列需求：
1. 接點的溫度必須低於設計值。
2. 洞道內的溫度必須低於設計值。
六、最佳設計
為確保輸電設計容量，需要設置電纜強制冷卻系統，如何檢討及選用強制冷卻系統的方式及型式是重要且不可忽視的，這也是本文的重要探討課題所在。
最佳冷卻系統之配置評估
經由前述比較分析，最佳冷卻系統是洞道內冷水管間接冷卻系統。其配置概念如圖二【3】所示：
電纜洞道內強制冷卻系統直接影響電纜輸電能力，如何選用最適宜之冷卻系統，需考慮有以下五要素：
1. 需能確保系統之可靠度；
2. 要考慮系統故障之備用性及設備保養方便性；
3. 能減輕維修人員之工作負荷；
4. 運轉操作費用要低；
5. 系統需有擴充性且增設容易。
一般而言，選用設備簡單的系統可使系統之可靠度提高，及減輕工作人員之負荷。除1、2點外，其餘三要素亦需一併考量。綜合以上所述，洞道內冷水管間接冷卻系統是目前最合乎需求的方式。
七、結 論
一般科學園區預定地內多規劃有高壓的輸電系統，從區外以潛盾的方式引入區內之地下管道系統，無需大肆開挖既有道路，也不會造成交通阻塞引起民怨；然而，區內佈纜路線縱橫交錯，且各路線所設計之洞道數多不相同，其中包括三孔、兩孔及一孔三種不同形式之地下電纜共同管道，也因此增加了地下高壓輸電系統設計的困難度。
另外，由區內往區外延伸之洞道設計，又與區內之設計迥然不同。依據基本原則及評估結果，採行冰水管間接冷卻系統，應為往後地下高壓電纜洞道冷卻系統設計之主流。
(1)日本共同管溝設計指針,ch4.
(2)日本「地中送電規程」,ch X 換氣設備,財團法人日本電氣協會送電專門部會.
(3)日本「電力電缆技術手冊」,ch9,第9.11圖,飯塚喜八郎 監修.
(4)1998 ASHRAE HANDBOOK, FUNDAMENTALS,ch1.
(5)台灣電力公司仙渡345kV地下電纜工程規劃設計工作服務建議書,ch6, P6-3,P6-28,財團法人中華顧問
工程司，2001.
附錄一機電工程參考之相關規章
1. 中華民國國家標準(CNS)
2. 最新建築技術規則
3. 美國空氣擴散協會(ADC)
4. 美國國家標準協會(ANSI)
5. 美國材料試驗協會(ASTM)
6. 美國機械工程學會(ASME)
7. 美國焊接協會(AWS)
8. 美國氣流暨空調協會(AMCA)
9. 美國冷暖氣暨冷凍工程師協會(ASHRAE)
10. 國際電工委員會(IEC)
11. 美國電機製造業協會(NEMA)
12. 國際標準協會(ISO)
13. 板金與空調承商國家協會(SMACNA)
14. 美國鋼鐵表面處理規格(SSPC)
15. 美國防火協會(NFPA)
16. 英國國家標準(BS)
17. 德國工業規範(DIN)
18. 日本工業標準(JIS)
19. 台北市下水道用戶排水設備標準
20. National Plumbing Code(1997)
21. ASPE DATA Book(1980)
22. 內政部頒布之各類場所消防安全法規(88年9月)及各類場所消防安全設備設置標準(88年9月)。
23. 美國國家電氣規則(NEC)
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