盾構機供配電系統設計分析

李 強 馬 麗 馮聰聰

（濟南重工股份有限公司，濟南 250109）

盾構機是一種隧道掘進的專用工程機械，集光、機、電、液、傳感、信息技術于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道管片以及測量導向糾偏等功能，涉及地質、土木、機械、力學、液壓、電氣、控制和測量等多門學科技術，廣泛應用于地鐵、鐵路、公路、市政和水電等隧道建設工程。

盾構機一般在軟土底層、砂層、砂卵石地層、風化巖及軟硬不均地層、純硬巖地層中都能使用。當盾構機進行地下掘進，穿越江河、富水地層時，隧道內會有大量滲透水甚至涌水，其在巖層中掘進時也會產生凝結水。但是，隧道內通風完全依賴通風機和引風機，空氣流通不暢，再加上開挖面及運轉設備的散熱，造成其工作溫度比較高。由于盾構機電氣系統作業環境比較惡劣，所以對其供配電系統的可靠性要求也很高。

盾構機的供配電系統主要包括：10kV高壓電纜、高壓電纜存放裝置、高壓開關柜、變壓器和低壓配電柜等。供配電系統的主要功能是為盾構機提供動力及電氣保護。

1 高壓供電系統

根據負荷分級、用電容量和地區供電條件，選擇供電電源、確定供電回路數。除用電單位宜設置自備電源的情況外，供電電源應從地區電網取得[1]。由于盾構機用電量大，供電距離長，一般采用10kV高壓供電，從所在城市的10kV高壓電網接引電源。

為保證盾構機用電的可靠性，同時為了不影響施工現場附近的居民用電，建議采用放射狀電網供電，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]。盾構機的10kV高壓電源嚴禁從市網10kV高壓電網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，一旦盾構機發生故障，會嚴重影響居民的用電安全，在周圍有重要場所或重要設施的情況下尤其嚴重。

盾構機的高壓供電系統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、電源進線柜和變壓器柜。這兩種方案主要區別在于：當盾構機負載電壓基本一致時，兩種方案都宜采用。但是，當盾構機負荷電壓不一致且各電壓的負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

根據工作環境及作業需要，高壓電纜應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為變壓器一次側額定電壓。查相關表格可知，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，取0.9。經校驗，電壓損失小于5%，選擇70mm2的電纜滿足要求。

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

1.2 高壓電纜的存放

目前，盾構機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字型盤放在盾構機尾部的電纜箱內；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。

在盾構機掘進過程中，為保護高壓電纜拖拉時不被其他部位剮蹭、纏繞，采用電纜導向輪對高壓電纜進行牽引和保護。電纜導向輪如圖3所示。

圖3 電纜導向輪

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。由于盾構機的作業環境溫度高、濕度大、通風難度大，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。

當高壓供電系統采用第一種方案時，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。當高壓供電系統采用第二種方案時，由于采用柜內放置方式，變壓器采用干式環氧樹脂澆筑變壓器；此類變壓器采用專門的繼電器，通過監測埋設在變壓器繞組內部的熱傳感器來防止變壓器過載而引發的過熱，并在柜體安裝有強制冷卻的風扇。

2 低壓配電系統

目前，國內將用電設備的電力負荷根據其供電可靠性及中斷供電在社會、經濟上所造成的損失或影響程度，劃分為一級負荷、二級負荷和三級負荷[3]。盾構機根據其情況屬于三級負荷，采用1路10kV高壓電源供電即可滿足設計使用要求。但在盾構機作業施工過程中，如果發生停電事故，會影響設備和作業人員的安全。例如，照明系統一旦停電，作業人員疏散過程中很可能出現磕碰、擦傷、摔倒、踩踏等情況，所以盾構機的照明系統應按照二級負荷供電；為防止隧道被淹，盾構機排水設施的排水泵也應該安裝二級負荷供電；此外，通風設備也應該按照二級負荷供電。二級負荷應由兩個電源供電，即應有兩回路供電，供電變壓器亦應有兩臺（兩臺變壓器不一定在同一變電所）。當線路和變配電設備的檢修以及突然停電時，為了保證設備安全停產，設備可用小容量柴油發電站，其容量由實際需要確定[4]。

2.1 盾構機的負荷

盾構機的負荷主要由各系統電機、控制系統的負荷以及照明組成。某盾構機的詳細統計如表1所示。

表1 盾構機負荷統計

2.2 負荷計算

負荷計算的方法有需要系數法、利用系數法、單位系數法等。利用系數法的計算結果比較和實際情況接近，所以盾構機的負荷計算多采用利用系數法。

采用利用系數法求出最大負荷班的平均負荷，再考慮設備臺數和功率差異的影響，乘以與有效臺數有關的最大系數得出計算負荷[5]。人們可以利用系數法的相關計算公式。

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，可根據有效臺數和平均利用系數從表中查得。

式中，Kl為用電設備組在最大負荷班內的利用系數；tanφ為用電設備組的功率因數角對應的正切值；Pe為用電設備組的設備功率。

盾構機在工作時有以下特點：持續作業時間長，經常連續工作數小時甚至幾天；各驅動泵電機及油泵電機基本同時工作，空氣系統及水系統持續間歇運轉，通風系統、控制系統、照明持續工作；功率因數采用集中補償，能使系統功率因數保持較高的水平。

根據盾構機工作特點，對負荷計算進行簡化。Pe為各設備銘牌功率之和，Kl取1，功率因數cosφ=0.9，可得盾構機的負荷即變壓器低壓側負荷為：有功功率Pc=1766.45kW；無功功率Qc=855.53kvar；視在功率Sc=1962.72kVA。

根據經驗，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

考慮到盾構機的工作環境，盾構機低壓配電系統采用TN系統，如圖4所示。

圖5 某盾構機的低壓配電系統

圖4 盾構機低壓配電系統TN系統

對盾構機低壓配電TN系統而言，故障防護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，或敷設在鋼制材料上，因其感應和或鄰近效應能增大導體的有效阻抗；當有PEN線（兼作保護線的中性線）時，必須先與用電設備的接地端子直接連接，然后與該設備的中性線端子連接；當導線截面≤6mm2（銅），或電纜為可移動時，中性線與保護線應分開；TN系統變壓器低壓側的中性點、配電柜和用電設備的外露可導電部分都應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，控制和保護的開關在回路有PEN線時為3極，當回路內有中性線和專門的PE線時，最好采用4極。

根據設備的負荷等級，某盾構機的低壓配電系統如圖5所示。

3 結語

針對盾構機的運行環境，通過對其高壓供電系統和低壓配電系統設計合理性和可靠性的分析，本文對盾構機電氣系統在設計及制造中的一些安全問題進行探討。同時，本文給出了高壓供電系統的供電方案、高壓電纜的選擇、變壓器的選型及高壓電纜的存放要求，根據對低壓配電系統的負荷分析和計算，給出了負荷計算過程以及比較合理的低壓配電系統圖。

盾構機是一套大型的系統設備，不同的工程實踐中供配電系統也有所不同，因此供配電系統設計要根據具體的工程實際統籌考慮。此外，電氣元件的選型、電氣設備的安裝和維保等也應該有所考量。無論情況如何變化，在實際工程中，供配電系統設計都應該合理、可靠，這樣才能保證施工過程中人員及設備的安全，保障施工的順利進行。