盾構機低壓配電結構及應用分析

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

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

電氣作為核心技術之一，主要用于主驅動系統、普通功率系統、PLC 控制系統、監控與照明等系統的配電及控制。隨著日趨復雜的施工環境和施工工藝，使得電氣配電結構直接關系到盾構機的整體工作性能、效率以及成本，這就要求研發技術人員根據設計要求設計出適配性更高、更合理的配電結構。

1 盾構機低壓配電系統

隧道外部提供的高壓電通過高壓電纜沿隧道壁接入盾構機變壓器高壓側，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。盾構機的低壓配電系統主要分為主驅動配電系統和普通功率配電系統，其中主驅動配電系統由一臺單獨的變壓器，以固定的配電模式為主驅動電機供電；普通功率配電系統，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，即為普通功率配電系統。

盾構機低壓配電系統按功能可分為動力回路、控制回路和照明回路。目前盾構機低壓配電，主要以集中式或分布式配電結構接入配電柜、控制室、控制箱、接線盒及其他外部設備。

1.1 集中式配電結構

盾構機集中式配電結構如圖1 所示，變壓器低壓側接入主配電柜后，由主配電柜集中分配。經配電柜的配電回路和控制回路直接驅動負載，如電機、電磁閥、傳感器等；由主配電柜進入控制室，由控制室直接或經接線盒到達負載。

圖1 集中式配電結構

集中式配電結構對盾構機電氣系統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。該結構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調試工作效率。當采用這種配電結構時，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，增加了接線和敷設難度，且由于外部負載較為分散，造成電纜長度增加，不僅導致制造成本的提高，還可能影響信號傳輸的穩定性，不利于盾構機的組裝和拆解。

1.2 分布式配電結構

盾構機分布式配電結構如圖2 所示，變壓器低壓側接入主配電柜后，由主配電柜分配主電源至各個本地系統的控制柜或控制箱，再由本地配電單元接入相應負載。可實現控制柜和控制箱根據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 現場總線進行數據交互，實現盾構機各項功能。

圖2 分布式配電結構

分布式配電結構，按需求分散配電和控制單元到各個區域，極大縮小了主配電柜和控制室的尺寸，提高了各系統的靈活分布性，實現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量，降低了制造成本，增強了信號穩定性。同時，由于配電結構和PLC 控制單元按功能分散布置，有利于盾構機快速拆裝，極大滿足了工地的分體始發要求。

分布式配電帶來的整體效益明顯優于集中式配電，但受盾構機結構和空間的限制，很難完全采用分布式配電結構，還需根據實際情況結合分布式和集中式選擇最佳組合。

2 合理選擇配電結構

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

2.1 施工需求

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

2.2 盾構機規格

超小或超大直徑盾構機需根據整機結構靈活選擇。對于超小直徑盾構機，由于盾體內空間有限，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，可優先考慮集中式配電，但小直徑盾構機的后配套部分尺寸也會受到限制，而設備配置不會減少，會間接導致后配套拖車加長，設備布局分散。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構。超大直徑盾構機與小直徑盾構機相反，盾體空間較充足，而后配套長度縮短，設備布置集中，由于整機長度較短，一般不需要分體始發，可只在盾體部分采用分布式配電結構，后配套部分集中配電。

2.3 生產與維修

從生產與維修改造角度考慮，主要是為了提高工作效率，縮短生產周期，宜采用分布式配電結構：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，可適當縮短部裝時間；②總裝及拆機階段，分布式配電結構可大幅減少電纜敷設和打包的工作量，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 項目應用分析

某工程項目由于始發井尺寸較小，要求盾構機從連接橋和1#拖車間斷開分體始發。根據現場情況計算延伸電纜長度：工地始發井深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備內長度約20 m，分體狀態需掘進100 m后才能完成整機下井，則延伸電纜總長度為160 m。從用戶分體始發需求出發，配電設計整體思路采用分布式配電，在部分無法實現分布式配電的區域采用集中式配電。

項目盾構機主要配電結構圖如圖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拖車均根據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，控制箱內不安裝開關電源。在盾體控制箱、連接橋控制柜、控制室、變頻柜和主配電柜內裝有網絡交換機，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，分體始發時2 個照明配電箱可靈活布置。

圖3 盾構機主要配電結構

分體始發方案：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絡交換機，建議用戶分體始發時用光纖替代Profinet 總線。

根據式（1）校核三相交流負載壓降：

式中 Δu%——線路電壓損失百分數，%

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

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，%/（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《工業與民用配電設計手冊》查表知Δua%=0.538，則額定負載下電壓損失為：

經計算電壓損失符合要求，分體始發電纜規格可按原設計電纜配置。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構，分布式配電結構可極大地減少分體始發時控制電纜用量，也能減少動力電纜數量，降低分體始發成本和敷設電纜的工作難度，提高施工效率。

表1 分布式配電結構與集中式配電結構對比

4 結論

分布式配電結構是更符合盾構機產品特征和使用特性的配電結構，但需要從設計、生產、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，為盾構機設計最優的配電方案。