盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)分體始發(fā)應用研究

劉 建

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南長沙 410100）

0 引言

當前城市地鐵施工技術(shù)已日趨成熟，隨著城市的發(fā)展，地表建筑物越來越密集，地下空間的利用成為城市未來發(fā)展趨勢。地鐵建設作為城市交通發(fā)展重點，通過占用盡可能小的地面施工場地，在不影響地面交通和建筑物的盾構(gòu)分體始發(fā)方式將得到更多應用。為保證盾構(gòu)機在不具備整體始發(fā)空間的條件下，盾構(gòu)機分體始發(fā)順利實施，通過珠三角水資源配置工程隧洞盾構(gòu)分體始發(fā)施工方案，討論盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)在分體始發(fā)中的應用。

1 項目背景

珠三角水資源配置項目始發(fā)井為圓豎井，直徑約35 m，有效長度約22.5 m，有效寬度19 m，井口到底板最大深度60 m，盾構(gòu)機總長約91 m，主機長度約13.5 m（含螺旋機），連接橋及拖車81 m?，F(xiàn)場布置情況如圖1 所示。本項目盾構(gòu)機分體始發(fā)共分為3 個階段，如圖2 所示。

圖1 盾構(gòu)機施工現(xiàn)場

第一階段：將盾構(gòu)機整體拆分成3 部分，主機與連接橋部分正常推進；1#、2#拖車在井下井口位置固定不動；3#～7#拖車放置于地面；其中井下部分擺放位置如圖2 所示。第一階段共掘進18 環(huán)（管片寬度為1.5 m），出渣方式為螺旋機出渣口與拖斗直接相連。

圖2 盾構(gòu)機分體始發(fā)流程

第二階段：將井下部分合并，盾構(gòu)機整體分為井下盾體到2#拖車及地面3#～7#拖車兩部分。該階段掘進至90 m，出渣方式為將皮帶出渣口挪至2#拖車頂部與拖斗相連。

第三階段：盾構(gòu)機在隧道井下整體合并，恢復正常方式掘進。出渣方式改為連續(xù)皮帶+垂直皮帶。

2 電纜延長可能產(chǎn)生的問題

盾構(gòu)機在分體始發(fā)中，電氣系統(tǒng)主要改變的是電纜長度，一般采用中繼端子箱進行線路中轉(zhuǎn)，便于盾構(gòu)機電纜再次拆接。另外，部分控制元器件需要移動位置，方便施工操作（如導向系統(tǒng)盒子從臺車移至井下，遙控器接收器移至井下）。本項目盾構(gòu)機分體過程中存在兩個部位斷開，因此增加了兩個連接中繼箱，一個主要用于連接控制室往盾體方向的控制電纜延長線，主要包括盾體和連接橋的端子盒的連接線，將控制室出線都接到中繼箱，原配置電纜從中繼箱接出。另一個主要延長配電柜出來的動力電纜，放置于井下，將配電柜出來需要延長的線纜接至中繼箱，原動力電纜再從中繼箱接出至各個位置。第二次組裝階段，將主控室中繼箱線拆除，主控室出線與盾體連接橋之間的線路恢復。第三次組裝階段，所有線路恢復拖車之間原有連接線。

電纜分體始發(fā)除了增加電纜成本，同時也給盾構(gòu)機帶來了新的問題。結(jié)合本項目盾構(gòu)機出現(xiàn)的故障問題，對分體始發(fā)可能出現(xiàn)的問題進行分析。

2.1 線路壓降

盾構(gòu)機配電含有多個電壓等級，根據(jù)功能可按表1 劃分。

表1 盾構(gòu)機電壓等級

電纜因為自身存在阻抗和感抗，在傳輸過程中不可避免地會產(chǎn)生電壓損失，隨著電纜的延長，壓降會表現(xiàn)的愈加明顯。延長電纜根據(jù)電流性質(zhì)可以區(qū)分為直流線路和交流線路。交流線路的電壓損失可以分為兩部分：一部分是電流在線路電阻R 上造成的，另一部分是電流在線路的電抗X 引起的。低壓電纜等效電路如圖3 所示。

圖3 低壓電纜的等效電路

電壓損失過大可能造成系統(tǒng)及設備端電壓不能滿足要求，導致設備不能正常運行，甚至由于系統(tǒng)電壓過低而使該系統(tǒng)內(nèi)的大部分負荷不能正常工作。電壓損失計算是工程設計中必不可少的一部分，尤其是長距離線路更是不能忽視。

三相電路系統(tǒng)的壓降可由式（1）計算：

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1 A·km 的電壓損失百分數(shù)，%/A·km

如砂漿攪拌電機功率7.5 kW，用4 mm2銅芯電纜供電，延長電纜按100 m 計算：

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設計手冊》查表知Δua%=2.145，則額定負載下電壓損失為：Δu%=2.145×14.1×0.1=3.02%；Δu=Δu%×U=3.02×400=12.1 V。

直流電路由于沒有感抗，只需考慮電阻壓降Δu=2×I×R。其中，I 為線路電流，R 為電阻。

直流電源為正、負線才能構(gòu)成電壓差，電壓降需要計算兩根電線導體的損耗。

查表可知銅的電阻率ρ 為0.017 4 Ω·mm2/m。根據(jù)歐姆定律：U=R×I，但必須要有負載電流數(shù)據(jù)、導線電阻值才能運算。銅芯電纜電阻率為ρ＝0.017 4 Ω·mm2/m，如配電柜到主控室24 VDC 的40 A 開關電源，延長電纜長度以80 m 計算，采用銅芯10 mm2電纜，因為開關電源一般不會工作在滿載狀態(tài)，假設盾構(gòu)機掘進過程中負載電流約30 A，則電纜延長后主控室處電壓降ΔU 計算如下：

單根線阻：R=ρL/S=0.017 4×80/10≈0.14 Ω；單根線末端電壓降：U=RI=0.14×30=4.2 V。直流供電為正負2 根導線，末端總電壓降：ΔU=4.2×2=8.4 V。

根據(jù)計算結(jié)果可知，電纜延長導致控制電壓壓降較大，而且隨著負載的增加，電壓壓降會更大，而控制元件、傳感器和閥組對電壓都有明顯的要求，電壓過低會不工作或者反饋錯誤的信號，部分元件長時間欠壓運行甚至會損壞。

集中式供電結(jié)構(gòu)中總開關電源一般布置在配電柜，配電柜處電壓24.5 VDC 到主控室時電壓只有17～19 VDC，而盾體處閥組和傳感器可能只有14～16 VDC，這就容易使一些電流敏感型傳感器出現(xiàn)故障，例如推進油缸行程傳感器故障頻繁出現(xiàn)；HAWE 閥的控制器網(wǎng)關在推進模式時報故障，通信失靈，檢查原因是由于推進模式時同時得電的閥組較多，線路電流較大，導致主控室的電壓只有17 VDC 左右，網(wǎng)關停止工作，控制器報故障，通過單獨給網(wǎng)關與控制器供電，推進模式才能正常工作，并調(diào)大配電柜處開關電源由24.5 V 升至29.5 V，此時主控室控制電壓為22.3 V。在分體始發(fā)階段結(jié)束后再將電壓調(diào)回。此后的掘進過程中未再出現(xiàn)此類問題。

為了解決電纜壓降較大的問題，采取以下兩項措施來降低壓降：①當末端負荷不大，供電距離稍遠（如100 m 以上）時，可適當增大電纜截面積以降低電壓損失；②可適當減少負荷電流以減小電路壓降。將負載壓力較大的系統(tǒng)分成多個小系統(tǒng)分開供電。分體始發(fā)階段可以只保留一些掘進階段必需的負載，以減小系統(tǒng)的電流，從而達到降低線路壓降的目的。

2.2 電磁干擾

在電纜延長時，由于場地空間限制，動力電纜、控制電纜及通信電纜之間的間距過小，往往會有十幾甚至幾十根的動力電纜與控制電纜和通信電纜敷設在一根線槽中的情況。且在交流電的情況下，由于每根動力電纜內(nèi)的交流電在正常通過的候都會產(chǎn)生磁場，干擾電流時刻存在。由于所有動力電纜的電源基本上是一個電源，因此電纜內(nèi)電流的波形同相，相應產(chǎn)生的磁場也為同相磁場，磁場之間彼此疊加，產(chǎn)生的干擾電流會更大。且有部分電纜是從變頻器接出，諧波會使產(chǎn)生的電磁場跳動得更劇烈。

由畢薩拉定律，電流的磁場B=kI/r 可知：電場強度與通過線圈的電流成正比，即電流越大磁場強度越大。如果盾構(gòu)上多根動力電纜對信號電纜的影響彼此疊加，極有可能導致控制信號的漂移且偏差值大于信號值的10%，影響是非常明顯的，進而導致盾構(gòu)設備控制的不準確和不穩(wěn)定?？梢姡刂齐娎|和信號電纜不能隨意敷設在動力電纜附近。

因此延長電纜在分體始發(fā)過程中，同樣也需要嚴格實施動力電纜與信號電纜和控制電纜分離，兩種電纜的間距最好在50 mm 以上，電纜分開敷設。信號線的屏蔽層不僅應遵循單點接地，雙絞線電纜宜采用雙端接地，且多余不用的芯線也應全部接地，防止在電纜內(nèi)部形成感應回路。

2.3 通信故障

盾構(gòu)機各控制子站和CPU 之間通過Profinet 總線通信交互，受傳輸介質(zhì)以及網(wǎng)線接頭質(zhì)量的影響，通信信號在通信電纜的傳輸過程中難免會有信號衰減。Profinet 電纜通常正常通信距離為100 m 左右，實際上用到70～80 m 時就會有“丟包”情況。在電纜延長后，部分網(wǎng)線會達到100 m 以上，在盾構(gòu)機掘進過程中偶爾會出現(xiàn)子站通信故障，但短時間內(nèi)通信又會恢復正常。但盾構(gòu)機掘進過程中，施工狀況尤為復雜，短暫的通信中斷有可能給工程造成巨大損失，這時就需要在子站中間增加中繼交換機或更換傳輸能力更好的電纜以達到傳輸要求。根據(jù)現(xiàn)場實測，西門子品牌Profinet 網(wǎng)線有效傳輸距離可達到120～130 m。

2.4 變頻器故障

盾構(gòu)機上有很多電機采用變頻器控制，如泡沫、皮帶機、主驅(qū)動電機等，所有變頻啟動的電機，動力電纜在電纜延長后，均需對電機進行重新整定。當電纜延長時，變頻器對應電機的模型參數(shù)已經(jīng)發(fā)生了變化，電纜延長后，由于電纜各相之間以及各相與地之間都存在等效電容，而變頻器的調(diào)節(jié)頻率比較高，在電纜上會產(chǎn)生較大的容性損耗，電纜越長其容性損耗就越大。如果變頻器的容量相對電機功率不是很大，電纜長度又很長的情況下，可能會導致變頻器容量不足而影響對電機的功率輸出。這也是很多變頻器都有增加輸出電抗器配置的建議。

另外，變頻器中電子器件的高速開關動作會使電壓和電流在短時間發(fā)生突變，使得電壓、電流波形中含有大量的諧波成分，造成電機線圈和繞組發(fā)熱，產(chǎn)生振動和噪聲，加速絕緣老化，還有可能損壞電機。同時各種頻率的諧波會向周圍空間發(fā)射電磁干擾，有可能導致其他設備誤動作。

電纜在長距離敷設后，電纜的分布電容會表現(xiàn)的比較明顯，對設備的控制回路產(chǎn)生較大的影響，乃至影響控制功能，特別是對于變頻器控制普通低壓電機的控制回路，故障較多表現(xiàn)為過電流、啟停不受控等現(xiàn)象，給掘進過程和維保造成很大的安全隱患。由于輸出線上的分布電容和分布電感的共振產(chǎn)生浪涌電壓，會疊加到輸出電壓上，晶閘管、IGBT 的動作頻率越高，電纜越長，產(chǎn)生的浪涌電壓也會變高，最高時甚至可能產(chǎn)生額定電壓數(shù)倍的浪涌電壓，這種情況下，很容易引起過電壓電流保護，甚至燒壞功率模塊和電機。

例如，盾構(gòu)機在啟動皮帶機后，變頻器顯示屏報警界面提示“IGBT 錯誤”，跳停電機；主驅(qū)動電機則可能出現(xiàn)正反轉(zhuǎn)異常現(xiàn)象：在給定方向不變的前提下，多次啟動電機，電機轉(zhuǎn)向隨機出現(xiàn)“正轉(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”，從而有可能引發(fā)一些嚴重的事故，造成重大損失。

2.5 絕緣和漏電

在第一、二分體階段，在電纜延伸過程中，由于電纜拖拽過程中與硬物摩擦可能會使電纜破皮，進而導致保護的絕緣監(jiān)視儀報錯和斷路器跳閘。另外，由于增加了中繼箱，如果中繼箱連接點沒有接緊會出現(xiàn)不同程度的漏電現(xiàn)象，導致上層帶漏電保護功能設備動作，排查和恢復相當消耗人力。例如，盾構(gòu)機多次因為電纜破損導致斷路器跳閘和軟啟動器故障。因此，掘進過程中要安排專業(yè)人員定期檢查電纜連接處的緊固情況，可以考慮每隔一段距離安裝導向輪，電纜之間留有一定的弧垂，以減少電纜與接觸面之間的摩擦，同時還需保持電纜干燥整潔，防止電纜溫度過高影響導電性能。

3 結(jié)語

通過以上分析可以得出，盾構(gòu)機在分體始發(fā)的掘進的過程中，電氣系統(tǒng)可能會發(fā)生很多故障，工程項目需要根據(jù)施工工況合理選擇電纜的延伸長度，解決故障和問題時需要多方面考慮其產(chǎn)生的原因，對發(fā)生的故障和問題及時有效地“對癥下藥”，良好的規(guī)劃在減少設備故障的同時，也可以使盾構(gòu)機在運行過程中規(guī)避風險，有利于提升工作效率。