盾構(gòu)機(jī)供配電系統(tǒng)設(shè)計分析

李 強 馬 麗 馮聰聰

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250109）

盾構(gòu)機(jī)是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道管片以及測量導(dǎo)向糾偏等功能，涉及地質(zhì)、土木、機(jī)械、力學(xué)、液壓、電氣、控制和測量等多門學(xué)科技術(shù)，廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、公路、市政和水電等隧道建設(shè)工程。

盾構(gòu)機(jī)一般在軟土底層、砂層、砂卵石地層、風(fēng)化巖及軟硬不均地層、純硬巖地層中都能使用。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行地下掘進(jìn)，穿越江河、富水地層時，隧道內(nèi)會有大量滲透水甚至涌水，其在巖層中掘進(jìn)時也會產(chǎn)生凝結(jié)水。但是，隧道內(nèi)通風(fēng)完全依賴通風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)，空氣流通不暢，再加上開挖面及運轉(zhuǎn)設(shè)備的散熱，造成其工作溫度比較高。由于盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境比較惡劣，所以對其供配電系統(tǒng)的可靠性要求也很高。

盾構(gòu)機(jī)的供配電系統(tǒng)主要包括：10kV高壓電纜、高壓電纜存放裝置、高壓開關(guān)柜、變壓器和低壓配電柜等。供配電系統(tǒng)的主要功能是為盾構(gòu)機(jī)提供動力及電氣保護(hù)。

1 高壓供電系統(tǒng)

根據(jù)負(fù)荷分級、用電容量和地區(qū)供電條件，選擇供電電源、確定供電回路數(shù)。除用電單位宜設(shè)置自備電源的情況外，供電電源應(yīng)從地區(qū)電網(wǎng)取得[1]。由于盾構(gòu)機(jī)用電量大，供電距離長，一般采用10kV高壓供電，從所在城市的10kV高壓電網(wǎng)接引電源。

為保證盾構(gòu)機(jī)用電的可靠性，同時為了不影響施工現(xiàn)場附近的居民用電，建議采用放射狀電網(wǎng)供電，使用專線從10kV高壓開閉所直接供電，這種放射式供電方式具有較高的可靠性[2]。盾構(gòu)機(jī)的10kV高壓電源嚴(yán)禁從市網(wǎng)10kV高壓電網(wǎng)T端接入，因為此種供電方式的電源與居民的用電電源在同一條高壓干線上，一旦盾構(gòu)機(jī)發(fā)生故障，會嚴(yán)重影響居民的用電安全，在周圍有重要場所或重要設(shè)施的情況下尤其嚴(yán)重。

盾構(gòu)機(jī)的高壓供電系統(tǒng)的硬件配置一般有兩種方案，第一種方案是10kV高壓電纜、高壓電纜存放裝置、高壓電纜分支箱、高壓開關(guān)柜和變壓器；第二種方案是10kV高壓電纜、高壓電纜存放裝置、電源進(jìn)線柜和變壓器柜。這兩種方案主要區(qū)別在于：當(dāng)盾構(gòu)機(jī)負(fù)載電壓基本一致時，兩種方案都宜采用。但是，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)負(fù)荷電壓不一致且各電壓的負(fù)荷容量相差比較大時宜采用第二種方案。第一種方案如圖1所示，第二種方案如圖2所示。

圖1 方案一

圖2 方案二

1.1 高壓電纜的選擇

根據(jù)工作環(huán)境及作業(yè)需要，高壓電纜應(yīng)選擇具有一定抗拉強度、可纏繞、耐磨損、絕緣性能好的柔性電纜。

1.1.1 電纜截面積確定

根據(jù)載流量選擇電纜截面積：

式中，Ij為電纜載流量；Sj為變壓器容量，此處取2000kVA；Un為變壓器一次側(cè)額定電壓。查相關(guān)表格可知，可選擇70mm2的電纜。

1.1.2 電纜校驗

電纜長度為3km的高壓電纜單相電阻R和電抗X分別為：

式中，cosφ為功率因數(shù)，取0.9。經(jīng)校驗，電壓損失小于5%，選擇70mm2的電纜滿足要求。

根據(jù)以上分析，筆者選擇10kV高壓氯化聚乙烯橡膠護(hù)套軟電纜，其規(guī)格型號為：DGJN3×70+3×16。

1.2 高壓電纜的存放

目前，盾構(gòu)機(jī)高壓電纜的存放裝置一般有兩種。一種是電纜箱存放，將電纜呈8字型盤放在盾構(gòu)機(jī)尾部的電纜箱內(nèi)；另一種是采用高壓電纜卷筒盤卷。不管是采用電纜箱存放還是電纜卷筒存放，存放部件都必須可靠接地。

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，為保護(hù)高壓電纜拖拉時不被其他部位剮蹭、纏繞，采用電纜導(dǎo)向輪對高壓電纜進(jìn)行牽引和保護(hù)。電纜導(dǎo)向輪如圖3所示。

圖3 電纜導(dǎo)向輪

1.3 變壓器

目前，變壓器有油浸式變壓器、氣體絕緣變壓器和干式變壓器。由于盾構(gòu)機(jī)的作業(yè)環(huán)境溫度高、濕度大、通風(fēng)難度大，故不采用氣體絕緣變壓器，多采用油浸式變壓器和干式變壓器這兩種類型的變壓器。在選擇油浸式變壓器時，由于帶出油柜的變壓器安裝不便，故采用全密封式變壓器；而礦物油由于其可燃并有可能爆炸，所以一般采用硅油變壓器。

當(dāng)高壓供電系統(tǒng)采用第一種方案時，變壓器一般選用全密封式硅油變壓器，此種變壓器要求有油溫、油位和瓦斯檢測及報警裝置。當(dāng)高壓供電系統(tǒng)采用第二種方案時，由于采用柜內(nèi)放置方式，變壓器采用干式環(huán)氧樹脂澆筑變壓器；此類變壓器采用專門的繼電器，通過監(jiān)測埋設(shè)在變壓器繞組內(nèi)部的熱傳感器來防止變壓器過載而引發(fā)的過熱，并在柜體安裝有強制冷卻的風(fēng)扇。

2 低壓配電系統(tǒng)

目前，國內(nèi)將用電設(shè)備的電力負(fù)荷根據(jù)其供電可靠性及中斷供電在社會、經(jīng)濟(jì)上所造成的損失或影響程度，劃分為一級負(fù)荷、二級負(fù)荷和三級負(fù)荷[3]。盾構(gòu)機(jī)根據(jù)其情況屬于三級負(fù)荷，采用1路10kV高壓電源供電即可滿足設(shè)計使用要求。但在盾構(gòu)機(jī)作業(yè)施工過程中，如果發(fā)生停電事故，會影響設(shè)備和作業(yè)人員的安全。例如，照明系統(tǒng)一旦停電，作業(yè)人員疏散過程中很可能出現(xiàn)磕碰、擦傷、摔倒、踩踏等情況，所以盾構(gòu)機(jī)的照明系統(tǒng)應(yīng)按照二級負(fù)荷供電；為防止隧道被淹，盾構(gòu)機(jī)排水設(shè)施的排水泵也應(yīng)該安裝二級負(fù)荷供電；此外，通風(fēng)設(shè)備也應(yīng)該按照二級負(fù)荷供電。二級負(fù)荷應(yīng)由兩個電源供電，即應(yīng)有兩回路供電，供電變壓器亦應(yīng)有兩臺（兩臺變壓器不一定在同一變電所）。當(dāng)線路和變配電設(shè)備的檢修以及突然停電時，為了保證設(shè)備安全停產(chǎn)，設(shè)備可用小容量柴油發(fā)電站，其容量由實際需要確定[4]。

2.1 盾構(gòu)機(jī)的負(fù)荷

盾構(gòu)機(jī)的負(fù)荷主要由各系統(tǒng)電機(jī)、控制系統(tǒng)的負(fù)荷以及照明組成。某盾構(gòu)機(jī)的詳細(xì)統(tǒng)計如表1所示。

表1 盾構(gòu)機(jī)負(fù)荷統(tǒng)計

2.2 負(fù)荷計算

負(fù)荷計算的方法有需要系數(shù)法、利用系數(shù)法、單位系數(shù)法等。利用系數(shù)法的計算結(jié)果比較和實際情況接近，所以盾構(gòu)機(jī)的負(fù)荷計算多采用利用系數(shù)法。

采用利用系數(shù)法求出最大負(fù)荷班的平均負(fù)荷，再考慮設(shè)備臺數(shù)和功率差異的影響，乘以與有效臺數(shù)有關(guān)的最大系數(shù)得出計算負(fù)荷[5]。人們可以利用系數(shù)法的相關(guān)計算公式。

2.2.1 有功功率Pc（kW）

2.2.2 無功功率 Qc（kvar）

2.2.3 視在功率Sc（kVA）

式中，Km為最大系數(shù)，可根據(jù)有效臺數(shù)和平均利用系數(shù)從表中查得。

式中，Kl為用電設(shè)備組在最大負(fù)荷班內(nèi)的利用系數(shù)；tanφ為用電設(shè)備組的功率因數(shù)角對應(yīng)的正切值；Pe為用電設(shè)備組的設(shè)備功率。

盾構(gòu)機(jī)在工作時有以下特點：持續(xù)作業(yè)時間長，經(jīng)常連續(xù)工作數(shù)小時甚至幾天；各驅(qū)動泵電機(jī)及油泵電機(jī)基本同時工作，空氣系統(tǒng)及水系統(tǒng)持續(xù)間歇運轉(zhuǎn)，通風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、照明持續(xù)工作；功率因數(shù)采用集中補償，能使系統(tǒng)功率因數(shù)保持較高的水平。

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)工作特點，對負(fù)荷計算進(jìn)行簡化。Pe為各設(shè)備銘牌功率之和，Kl取1，功率因數(shù)cosφ=0.9，可得盾構(gòu)機(jī)的負(fù)荷即變壓器低壓側(cè)負(fù)荷為：有功功率Pc=1766.45kW；無功功率Qc=855.53kvar；視在功率Sc=1962.72kVA。

根據(jù)經(jīng)驗，ΔPB=1.5%Pc，ΔQB=10%Qc，故有功功率=1792.95kW， 無 功 功 率=941.08k var， 視 在 功 率=2024.92kVA。

所以，變壓器的容量可選為2000kVA，與之前用于計算高壓電纜載流量的變壓器容量一致。

2.3 低壓配電系統(tǒng)

考慮到盾構(gòu)機(jī)的工作環(huán)境，盾構(gòu)機(jī)低壓配電系統(tǒng)采用TN系統(tǒng)，如圖4所示。

圖5 某盾構(gòu)機(jī)的低壓配電系統(tǒng)

圖4 盾構(gòu)機(jī)低壓配電系統(tǒng)TN系統(tǒng)

對盾構(gòu)機(jī)低壓配電TN系統(tǒng)而言，故障防護(hù)電器必須滿足以下要求：PE線必須可靠接地，并盡量多接地；PE線不得穿鐵-磁特性的管子或線槽，或敷設(shè)在鋼制材料上，因其感應(yīng)和或鄰近效應(yīng)能增大導(dǎo)體的有效阻抗；當(dāng)有PEN線（兼作保護(hù)線的中性線）時，必須先與用電設(shè)備的接地端子直接連接，然后與該設(shè)備的中性線端子連接；當(dāng)導(dǎo)線截面≤6mm2（銅），或電纜為可移動時，中性線與保護(hù)線應(yīng)分開；TN系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)的中性點、配電柜和用電設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分都應(yīng)通過一共用的接地裝置接地；PEN線在任何情況下都不能切斷，控制和保護(hù)的開關(guān)在回路有PEN線時為3極，當(dāng)回路內(nèi)有中性線和專門的PE線時，最好采用4極。

根據(jù)設(shè)備的負(fù)荷等級，某盾構(gòu)機(jī)的低壓配電系統(tǒng)如圖5所示。

3 結(jié)語

針對盾構(gòu)機(jī)的運行環(huán)境，通過對其高壓供電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)設(shè)計合理性和可靠性的分析，本文對盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)在設(shè)計及制造中的一些安全問題進(jìn)行探討。同時，本文給出了高壓供電系統(tǒng)的供電方案、高壓電纜的選擇、變壓器的選型及高壓電纜的存放要求，根據(jù)對低壓配電系統(tǒng)的負(fù)荷分析和計算，給出了負(fù)荷計算過程以及比較合理的低壓配電系統(tǒng)圖。

盾構(gòu)機(jī)是一套大型的系統(tǒng)設(shè)備，不同的工程實踐中供配電系統(tǒng)也有所不同，因此供配電系統(tǒng)設(shè)計要根據(jù)具體的工程實際統(tǒng)籌考慮。此外，電氣元件的選型、電氣設(shè)備的安裝和維保等也應(yīng)該有所考量。無論情況如何變化，在實際工程中，供配電系統(tǒng)設(shè)計都應(yīng)該合理、可靠，這樣才能保證施工過程中人員及設(shè)備的安全，保障施工的順利進(jìn)行。