盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)分體始發(fā)應(yīng)用研究

劉 建

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410100）

0 引言

當(dāng)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(lái)越密集，地下空間的利用成為城市未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。地鐵建設(shè)作為城市交通發(fā)展重點(diǎn)，通過(guò)占用盡可能小的地面施工場(chǎng)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(yīng)用。為保證盾構(gòu)機(jī)在不具備整體始發(fā)空間的條件下，盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)順利實(shí)施，通過(guò)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(jī)電氣系統(tǒng)在分體始發(fā)中的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目背景

珠三角水資源配置項(xiàng)目始發(fā)井為圓豎井，直徑約35 m，有效長(zhǎng)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(jī)總長(zhǎng)約91 m，主機(jī)長(zhǎng)度約13.5 m（含螺旋機(jī)），連接橋及拖車(chē)81 m。現(xiàn)場(chǎng)布置情況如圖1 所示。本項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)共分為3 個(gè)階段，如圖2 所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)

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

圖2 盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)流程

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

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

2 電纜延長(zhǎng)可能產(chǎn)生的問(wèn)題

盾構(gòu)機(jī)在分體始發(fā)中，電氣系統(tǒng)主要改變的是電纜長(zhǎng)度，一般采用中繼端子箱進(jìn)行線路中轉(zhuǎn)，便于盾構(gòu)機(jī)電纜再次拆接。另外，部分控制元器件需要移動(dòng)位置，方便施工操作（如導(dǎo)向系統(tǒng)盒子從臺(tái)車(chē)移至井下，遙控器接收器移至井下）。本項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)分體過(guò)程中存在兩個(gè)部位斷開(kāi)，因此增加了兩個(gè)連接中繼箱，一個(gè)主要用于連接控制室往盾體方向的控制電纜延長(zhǎng)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(gè)主要延長(zhǎng)配電柜出來(lái)的動(dòng)力電纜，放置于井下，將配電柜出來(lái)需要延長(zhǎng)的線纜接至中繼箱，原動(dòng)力電纜再?gòu)闹欣^箱接出至各個(gè)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(fù)。第三次組裝階段，所有線路恢復(fù)拖車(chē)之間原有連接線。

電纜分體始發(fā)除了增加電纜成本，同時(shí)也給盾構(gòu)機(jī)帶來(lái)了新的問(wèn)題。結(jié)合本項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)的故障問(wèn)題，對(duì)分體始發(fā)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析。

2.1 線路壓降

盾構(gòu)機(jī)配電含有多個(gè)電壓等級(jí)，根據(jù)功能可按表1 劃分。

表1 盾構(gòu)機(jī)電壓等級(jí)

電纜因?yàn)樽陨泶嬖谧杩购透锌梗趥鬏斶^(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生電壓損失，隨著電纜的延長(zhǎng)，壓降會(huì)表現(xiàn)的愈加明顯。延長(zhǎng)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(guò)大可能造成系統(tǒng)及設(shè)備端電壓不能滿足要求，導(dǎo)致設(shè)備不能正常運(yùn)行，甚至由于系統(tǒng)電壓過(guò)低而使該系統(tǒng)內(nèi)的大部分負(fù)荷不能正常工作。電壓損失計(jì)算是工程設(shè)計(jì)中必不可少的一部分，尤其是長(zhǎng)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(jì)算：

式中 Δu%——線路電壓損失百分?jǐn)?shù)，%

Un——額定電壓，kV

R′、X′——三相線路單位長(zhǎng)度電阻和感抗，Ω/km

cosφ——功率因數(shù)

I——負(fù)荷計(jì)算電流，A

l——線路長(zhǎng)度，km

Δua%——三相線路1 A·km 的電壓損失百分?jǐn)?shù)，%/A·km

如砂漿攪拌電機(jī)功率7.5 kW，用4 mm2銅芯電纜供電，延長(zhǎng)電纜按100 m 計(jì)算：

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》查表知Δua%=2.145，則額定負(fù)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(méi)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(fù)線才能構(gòu)成電壓差，電壓降需要計(jì)算兩根電線導(dǎo)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(fù)載電流數(shù)據(jù)、導(dǎo)線電阻值才能運(yùn)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(kāi)關(guān)電源，延長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度以80 m 計(jì)算，采用銅芯10 mm2電纜，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源一般不會(huì)工作在滿載狀態(tài)，假設(shè)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中負(fù)載電流約30 A，則電纜延長(zhǎng)后主控室處電壓降ΔU 計(jì)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(fù)2 根導(dǎo)線，末端總電壓降：ΔU=4.2×2=8.4 V。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，電纜延長(zhǎng)導(dǎo)致控制電壓壓降較大，而且隨著負(fù)載的增加，電壓壓降會(huì)更大，而控制元件、傳感器和閥組對(duì)電壓都有明顯的要求，電壓過(guò)低會(huì)不工作或者反饋錯(cuò)誤的信號(hào)，部分元件長(zhǎng)時(shí)間欠壓運(yùn)行甚至?xí)p壞。

集中式供電結(jié)構(gòu)中總開(kāi)關(guān)電源一般布置在配電柜，配電柜處電壓24.5 VDC 到主控室時(shí)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(jìn)油缸行程傳感器故障頻繁出現(xiàn)；HAWE 閥的控制器網(wǎng)關(guān)在推進(jìn)模式時(shí)報(bào)故障，通信失靈，檢查原因是由于推進(jìn)模式時(shí)同時(shí)得電的閥組較多，線路電流較大，導(dǎo)致主控室的電壓只有17 VDC 左右，網(wǎng)關(guān)停止工作，控制器報(bào)故障，通過(guò)單獨(dú)給網(wǎng)關(guān)與控制器供電，推進(jìn)模式才能正常工作，并調(diào)大配電柜處開(kāi)關(guān)電源由24.5 V 升至29.5 V，此時(shí)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(jìn)過(guò)程中未再出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題。

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

2.2 電磁干擾

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

由畢薩拉定律，電流的磁場(chǎng)B=kI/r 可知：電場(chǎng)強(qiáng)度與通過(guò)線圈的電流成正比，即電流越大磁場(chǎng)強(qiáng)度越大。如果盾構(gòu)上多根動(dòng)力電纜對(duì)信號(hào)電纜的影響彼此疊加，極有可能導(dǎo)致控制信號(hào)的漂移且偏差值大于信號(hào)值的10%，影響是非常明顯的，進(jìn)而導(dǎo)致盾構(gòu)設(shè)備控制的不準(zhǔn)確和不穩(wěn)定。可見(jiàn)，控制電纜和信號(hào)電纜不能隨意敷設(shè)在動(dòng)力電纜附近。

因此延長(zhǎng)電纜在分體始發(fā)過(guò)程中，同樣也需要嚴(yán)格實(shí)施動(dòng)力電纜與信號(hào)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(kāi)敷設(shè)。信號(hào)線的屏蔽層不僅應(yīng)遵循單點(diǎn)接地，雙絞線電纜宜采用雙端接地，且多余不用的芯線也應(yīng)全部接地，防止在電纜內(nèi)部形成感應(yīng)回路。

2.3 通信故障

盾構(gòu)機(jī)各控制子站和CPU 之間通過(guò)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(hào)在通信電纜的傳輸過(guò)程中難免會(huì)有信號(hào)衰減。Profinet 電纜通常正常通信距離為100 m 左右，實(shí)際上用到70～80 m 時(shí)就會(huì)有“丟包”情況。在電纜延長(zhǎng)后，部分網(wǎng)線會(huì)達(dá)到100 m 以上，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中偶爾會(huì)出現(xiàn)子站通信故障，但短時(shí)間內(nèi)通信又會(huì)恢復(fù)正常。但盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，施工狀況尤為復(fù)雜，短暫的通信中斷有可能給工程造成巨大損失，這時(shí)就需要在子站中間增加中繼交換機(jī)或更換傳輸能力更好的電纜以達(dá)到傳輸要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，西門(mén)子品牌Profinet 網(wǎng)線有效傳輸距離可達(dá)到120～130 m。

2.4 變頻器故障

盾構(gòu)機(jī)上有很多電機(jī)采用變頻器控制，如泡沫、皮帶機(jī)、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，所有變頻啟動(dòng)的電機(jī)，動(dòng)力電纜在電纜延長(zhǎng)后，均需對(duì)電機(jī)進(jìn)行重新整定。當(dāng)電纜延長(zhǎng)時(shí)，變頻器對(duì)應(yīng)電機(jī)的模型參數(shù)已經(jīng)發(fā)生了變化，電纜延長(zhǎng)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(huì)產(chǎn)生較大的容性損耗，電纜越長(zhǎng)其容性損耗就越大。如果變頻器的容量相對(duì)電機(jī)功率不是很大，電纜長(zhǎng)度又很長(zhǎng)的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致變頻器容量不足而影響對(duì)電機(jī)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(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)使電壓和電流在短時(shí)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(jī)線圈和繞組發(fā)熱，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，加速絕緣老化，還有可能損壞電機(jī)。同時(shí)各種頻率的諧波會(huì)向周?chē)臻g發(fā)射電磁干擾，有可能導(dǎo)致其他設(shè)備誤動(dòng)作。

電纜在長(zhǎng)距離敷設(shè)后，電纜的分布電容會(huì)表現(xiàn)的比較明顯，對(duì)設(shè)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(duì)于變頻器控制普通低壓電機(jī)的控制回路，故障較多表現(xiàn)為過(guò)電流、啟停不受控等現(xiàn)象，給掘進(jìn)過(guò)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(huì)疊加到輸出電壓上，晶閘管、IGBT 的動(dòng)作頻率越高，電纜越長(zhǎng)，產(chǎn)生的浪涌電壓也會(huì)變高，最高時(shí)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(guò)電壓電流保護(hù)，甚至燒壞功率模塊和電機(jī)。

例如，盾構(gòu)機(jī)在啟動(dòng)皮帶機(jī)后，變頻器顯示屏報(bào)警界面提示“IGBT 錯(cuò)誤”，跳停電機(jī)；主驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)向隨機(jī)出現(xiàn)“正轉(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”，從而有可能引發(fā)一些嚴(yán)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(guò)程中，由于電纜拖拽過(guò)程中與硬物摩擦可能會(huì)使電纜破皮，進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)的絕緣監(jiān)視儀報(bào)錯(cuò)和斷路器跳閘。另外，由于增加了中繼箱，如果中繼箱連接點(diǎn)沒(méi)有接緊會(huì)出現(xiàn)不同程度的漏電現(xiàn)象，導(dǎo)致上層帶漏電保護(hù)功能設(shè)備動(dòng)作，排查和恢復(fù)相當(dāng)消耗人力。例如，盾構(gòu)機(jī)多次因?yàn)殡娎|破損導(dǎo)致斷路器跳閘和軟啟動(dòng)器故障。因此，掘進(jìn)過(guò)程中要安排專(zhuān)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(dǎo)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(shí)還需保持電纜干燥整潔，防止電纜溫度過(guò)高影響導(dǎo)電性能。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以得出，盾構(gòu)機(jī)在分體始發(fā)的掘進(jìn)的過(guò)程中，電氣系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生很多故障，工程項(xiàng)目需要根據(jù)施工工況合理選擇電纜的延伸長(zhǎng)度，解決故障和問(wèn)題時(shí)需要多方面考慮其產(chǎn)生的原因，對(duì)發(fā)生的故障和問(wèn)題及時(shí)有效地“對(duì)癥下藥”，良好的規(guī)劃在減少設(shè)備故障的同時(shí)，也可以使盾構(gòu)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，有利于提升工作效率。