盾構(gòu)機低壓配電結(jié)構(gòu)及應(yīng)用分析

陶柳明

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南長沙 410100）

0 引言

盾構(gòu)機由刀盤、主驅(qū)動、管片拼裝機、連接橋、螺旋輸送機、后配套等主要機械結(jié)構(gòu)組成，廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、公路、市政和水電等隧道工程建設(shè)，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝管片及測量導(dǎo)向糾偏等功能。其施工技術(shù)是集地質(zhì)、土木、機械、力學(xué)、液壓、電氣、控制和測量等多門學(xué)科知識于一體。

電氣作為核心技術(shù)之一，主要用于主驅(qū)動系統(tǒng)、普通功率系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)、監(jiān)控與照明等系統(tǒng)的配電及控制。隨著日趨復(fù)雜的施工環(huán)境和施工工藝，使得電氣配電結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到盾構(gòu)機的整體工作性能、效率以及成本，這就要求研發(fā)技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計出適配性更高、更合理的配電結(jié)構(gòu)。

1 盾構(gòu)機低壓配電系統(tǒng)

隧道外部提供的高壓電通過高壓電纜沿隧道壁接入盾構(gòu)機變壓器高壓側(cè)，通過變壓器變換成690 V 或400 V 的電壓等級后，接入各低壓配電系統(tǒng)。盾構(gòu)機的低壓配電系統(tǒng)主要分為主驅(qū)動配電系統(tǒng)和普通功率配電系統(tǒng)，其中主驅(qū)動配電系統(tǒng)由一臺單獨的變壓器，以固定的配電模式為主驅(qū)動電機供電；普通功率配電系統(tǒng)，由另外一臺普通變壓器，為除刀盤以外的所有負載供電。低壓配電系統(tǒng)，即為普通功率配電系統(tǒng)。

盾構(gòu)機低壓配電系統(tǒng)按功能可分為動力回路、控制回路和照明回路。目前盾構(gòu)機低壓配電，主要以集中式或分布式配電結(jié)構(gòu)接入配電柜、控制室、控制箱、接線盒及其他外部設(shè)備。

1.1 集中式配電結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)機集中式配電結(jié)構(gòu)如圖1 所示，變壓器低壓側(cè)接入主配電柜后，由主配電柜集中分配。經(jīng)配電柜的配電回路和控制回路直接驅(qū)動負載，如電機、電磁閥、傳感器等；由主配電柜進入控制室，由控制室直接或經(jīng)接線盒到達負載。

圖1 集中式配電結(jié)構(gòu)

集中式配電結(jié)構(gòu)對盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)的配電和控制比較集中，不用過多考慮電氣箱柜依照負載就近接入的原則來布局。該結(jié)構(gòu)可有效避免空間狹小造成的各種干涉問題，使電氣安全防護、工藝裝配工作簡單化。主要電氣元器件均安裝在配電柜和控制室，大大提高了電氣系統(tǒng)調(diào)試工作效率。當(dāng)采用這種配電結(jié)構(gòu)時，主配電柜和控制室尺寸相對較大，控制室和配電柜電纜較為集中，增加了接線和敷設(shè)難度，且由于外部負載較為分散，造成電纜長度增加，不僅導(dǎo)致制造成本的提高，還可能影響信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，不利于盾構(gòu)機的組裝和拆解。

1.2 分布式配電結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)機分布式配電結(jié)構(gòu)如圖2 所示，變壓器低壓側(cè)接入主配電柜后，由主配電柜分配主電源至各個本地系統(tǒng)的控制柜或控制箱，再由本地配電單元接入相應(yīng)負載?？蓪崿F(xiàn)控制柜和控制箱根據(jù)負載位置和功能布置，如盾體控制箱、拼裝機控制箱、泵站控制柜等。該方法原則上實現(xiàn)了負載就近接入本地控制箱柜的目的。各本地控制箱包含獨立的配電和PLC 控制單元，各控制單元間通過Profinet 現(xiàn)場總線進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)盾構(gòu)機各項功能。

圖2 分布式配電結(jié)構(gòu)

分布式配電結(jié)構(gòu)，按需求分散配電和控制單元到各個區(qū)域，極大縮小了主配電柜和控制室的尺寸，提高了各系統(tǒng)的靈活分布性，實現(xiàn)了被控對象就近接入本地控制箱柜，大大減少了電纜的長度與數(shù)量，降低了制造成本，增強了信號穩(wěn)定性。同時，由于配電結(jié)構(gòu)和PLC 控制單元按功能分散布置，有利于盾構(gòu)機快速拆裝，極大滿足了工地的分體始發(fā)要求。

分布式配電帶來的整體效益明顯優(yōu)于集中式配電，但受盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)和空間的限制，很難完全采用分布式配電結(jié)構(gòu)，還需根據(jù)實際情況結(jié)合分布式和集中式選擇最佳組合。

2 合理選擇配電結(jié)構(gòu)

當(dāng)前盾構(gòu)機的種類繁多，生產(chǎn)周期縮短，舊機維修改造的需求增加，用戶需求復(fù)雜多變，針對不同情況可從以下3 個方面綜合考慮。

2.1 施工需求

需要分體始發(fā)的盾構(gòu)機宜采用分布式配電結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)機的設(shè)計首先就要考慮的是施工需求，要盡可能優(yōu)化設(shè)計來解決客戶施工難題，滿足客戶在應(yīng)用中的需求?，F(xiàn)在城市地鐵隧道施工始發(fā)井尺寸日益狹窄，越來越多的盾構(gòu)機需要分體始發(fā)，且分體的部位各不相同。電氣系統(tǒng)分體始發(fā)的主要問題是造成電纜長度的增加，不易敷設(shè)，且會造成壓降過大、通信距離不足以及信號干擾等問題，分布式配電結(jié)構(gòu)可減少盾構(gòu)機各獨立機械結(jié)構(gòu)之間的電纜，能較好地解決分體始發(fā)帶來的這些問題，同時降低分體始發(fā)成本和裝配難度。

2.2 盾構(gòu)機規(guī)格

超小或超大直徑盾構(gòu)機需根據(jù)整機結(jié)構(gòu)靈活選擇。對于超小直徑盾構(gòu)機，由于盾體內(nèi)空間有限，可能不足以布置分布式配電單元，且不便于工作人員進入維保，可優(yōu)先考慮集中式配電，但小直徑盾構(gòu)機的后配套部分尺寸也會受到限制，而設(shè)備配置不會減少，會間接導(dǎo)致后配套拖車加長，設(shè)備布局分散。若完全采用集中式配電，一方面會使主配電柜的尺寸加大、不便布置，另一方面電纜長度增加，會帶來壓降過大及通信距離不足等問題，因此后配套部分宜采用分布式配電結(jié)構(gòu)。超大直徑盾構(gòu)機與小直徑盾構(gòu)機相反，盾體空間較充足，而后配套長度縮短，設(shè)備布置集中，由于整機長度較短，一般不需要分體始發(fā)，可只在盾體部分采用分布式配電結(jié)構(gòu)，后配套部分集中配電。

2.3 生產(chǎn)與維修

從生產(chǎn)與維修改造角度考慮，主要是為了提高工作效率，縮短生產(chǎn)周期，宜采用分布式配電結(jié)構(gòu)：①電氣部裝階段，小的電氣箱柜可方便更多人分工合作，在工期緊張的時候多人同時進行裝配工作，可適當(dāng)縮短部裝時間；②總裝及拆機階段，分布式配電結(jié)構(gòu)可大幅減少電纜敷設(shè)和打包的工作量，拆接線工作也可多點同時進行；③后期維修階段，電氣損壞部分方便整體更換。

3 項目應(yīng)用分析

某工程項目由于始發(fā)井尺寸較小，要求盾構(gòu)機從連接橋和1#拖車間斷開分體始發(fā)。根據(jù)現(xiàn)場情況計算延伸電纜長度：工地始發(fā)井深20 m，地面拖車布置在井口旁，距離井口約20 m，電纜到達井下再接入設(shè)備內(nèi)長度約20 m，分體狀態(tài)需掘進100 m后才能完成整機下井，則延伸電纜總長度為160 m。從用戶分體始發(fā)需求出發(fā)，配電設(shè)計整體思路采用分布式配電，在部分無法實現(xiàn)分布式配電的區(qū)域采用集中式配電。

項目盾構(gòu)機主要配電結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，整機包含盾體、拼裝機、螺旋輸送機、連接橋及6 節(jié)后配套拖車。在盾體左右分別布置控制箱，連接橋和后配套每節(jié)拖車均根據(jù)功能布置控制箱或控制柜，拼裝機控制箱也安裝在連接橋上，控制箱只包含控制回路，控制柜包含控制和動力回路。由于盾體和液壓泵站處空間不足以布置控制柜，盾體和液壓泵站處只布置控制箱，盾體的動力負載接入連接橋控制柜，如齒輪油泵電機、潤滑油脂泵電機、超挖刀泵電機等，液壓泵站的動力負載接入主配電柜，如推進泵電機、拼裝機泵電機等。為了縮小盾體和連接橋控制箱的尺寸，將AC 400 V/DC 24 V 開關(guān)電源集中安裝在連接橋控制柜，由連接橋控制柜分配DC 24 V 控制電源至控制箱，控制箱內(nèi)不安裝開關(guān)電源。在盾體控制箱、連接橋控制柜、控制室、變頻柜和主配電柜內(nèi)裝有網(wǎng)絡(luò)交換機，各控制柜和控制箱PLC 分站之間采用Profinet 總線通信。照明系統(tǒng)分為2 個配電箱供電，一個為前部照明燈供電，另一個給后部照明燈供電，分體始發(fā)時2 個照明配電箱可靈活布置。

圖3 盾構(gòu)機主要配電結(jié)構(gòu)

分體始發(fā)方案：將1#照明配電箱放置在井下，供井下部分照明，2#照明配電箱放置在地面，供地面部分照明。照明系統(tǒng)只需要延伸1 根從主配電柜到1#照明配電箱的供電電纜，2#照明配電箱電纜不用延伸。其他需要延伸的電纜除主驅(qū)動電機電纜外，主要包含主配電柜到連接橋控制柜的動力回路總供電電纜、控制回路總供電電纜及控制室到連接橋的通信電纜。由于延伸電纜長度達160 m，超過Profinet 總線通信最遠距離，為了不在線路中間增加網(wǎng)絡(luò)交換機，建議用戶分體始發(fā)時用光纖替代Profinet 總線。

根據(jù)式（1）校核三相交流負載壓降：

式中 Δu%——線路電壓損失百分數(shù)，%

Un——額定電壓，kV

R′、X′——三相線路單位長度電阻和感抗，Ω/km

cosφ——功率因數(shù)

I——負荷計算電流，A

l——線路長度，km

Δua%——三相線路的電壓損失百分數(shù)，%/（A·km）

以連接橋控制柜動力回路總供電電纜為例，連接橋控制柜主要動力負載包括1#、2#齒輪油泵電機共19 kW、潤滑油脂泵電機0.55 kW、超挖刀泵電機7.5 kW，總功率為27.05 kW，采用16 mm2銅芯電纜供電，綜合考慮功率因數(shù)cosφ=0.9，效率η=0.85，電機額定電壓Un=0.4 kV，則額定總負荷電流為：

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》查表知Δua%=0.538，則額定負載下電壓損失為：

經(jīng)計算電壓損失符合要求，分體始發(fā)電纜規(guī)格可按原設(shè)計電纜配置。方案中無DC 24 V控制電纜需要延伸，解決了集中式配電分體始發(fā)時的控制電壓降問題。對比分析本方案與采用集中式配電方案分體始發(fā)的主要延伸電纜（表1），單根電纜長度均按160 m 計算。分析可知，相比于集中式配電結(jié)構(gòu)，分布式配電結(jié)構(gòu)可極大地減少分體始發(fā)時控制電纜用量，也能減少動力電纜數(shù)量，降低分體始發(fā)成本和敷設(shè)電纜的工作難度，提高施工效率。

表1 分布式配電結(jié)構(gòu)與集中式配電結(jié)構(gòu)對比

4 結(jié)論

分布式配電結(jié)構(gòu)是更符合盾構(gòu)機產(chǎn)品特征和使用特性的配電結(jié)構(gòu)，但需要從設(shè)計、生產(chǎn)、施工工況等多角度綜合考慮，采取以分布式配電為主，兼顧集中式配電的思路，為盾構(gòu)機設(shè)計最優(yōu)的配電方案。