隧道掘進機配電制式現狀

楊開全，高 雷，楊雄業，李 陽

（中交天和機械設備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

0 引 言

2017年10月25號，盾構行業的第一本國家標準《全斷面隧道掘進機 盾構機安全要求》（GB/T 34650-2017）推出，對我國目前的盾構行業發展有著巨大意義，從此盾構機的制造將進入標準化階段，但是在標準里對盾構機配電制式并沒有明確指明。因此，本文將盾構機的配電制式展開探討。

1 隧道掘進機的配電制式現狀

盾構機在變壓器選擇上是多臺、多連接組別的現狀，導致在盾構配電制式中有IT、TN-S系統并存。IT系統應用于刀盤變頻器，因為具有當發生單相接地故障時線電壓不變的優點，適用于對供電連續性要求高的刀盤變頻器；TN-S系統運用于除刀盤以外的其他動力負荷配電，依托盾構機整機是優良導體的優勢，當發生單項接地故障時將漏電電流放大為單相短路電流，在斷路器選擇上只需選擇電流斷路器即可，無需加裝漏電保護模塊。

因為隧道掘進機（以下簡稱盾構機）在隧道內有空間尺寸的限制，對盾構機上的設備也有空間的限制。盾構機變壓器的體積尺寸受到限制，為了滿足負荷要求，盾構機在變壓器選擇上一般會選用多臺變壓器給盾構機動力設備供電。一般采用一臺Dd0yn11的移相變壓器供給刀盤變頻器，以提供12脈波的交流電源給刀盤變頻器。其他動力設備如推進泵電機、空壓機等采用一臺Dyn11的變壓器給設備供電[1-2]。

隨著國內隧道直徑越來越大，盾構機的直徑也越來越大，導致盾構上的動力負荷越來越大，盾構機上變壓器也隨之增多，如表1所示。

從表1反映出：盾構機在變壓器的選擇上是多樣的，共有Dd0、Dyn11、Dd0yn11這3種型式。隨著隧道直徑的增大，變壓器的改變也只體現在容量變化上。而變壓器的多樣性為盾構機配電制式的多樣性提供了可能。

2 刀盤變頻器配電制式

對于電驅刀盤來說，要盡可能將扭矩均分在每一臺電機上，在設計選擇上一般選擇偶數個電機。變頻器采用共直流母線方案，將變頻過程的整流與逆變分開；變壓器選擇連接組別為Dd0yn11的移相變壓器，三項交流電之間相位互差30°，提供變頻器12脈波的整流電源。這樣選擇變壓器的好處是：在變頻器回路中，將經過整流模塊后的電源進行傅里葉分解，得到的諧波計算式為：

式中：Id為整流電路的直流輸出電流平均值；n為諧波次數，n=12k±1，k=1，2，3…。

表1 不同直徑下的盾構機變壓器選擇統計表

從式（1）可以看出，低次諧波只含有12倍數的奇次諧波，諧波的基波幅值降低，對電網側的諧波污染明顯減小。

對變頻器的供電方式為移相變壓器器的三角側出線與星側出線各帶總變頻器的一半負載。刀盤變頻器是盾構機的重要負荷，在供配電方案選擇中選擇供電連續性最好的IT系統。

IT系統的中性線在盾構配電中不接地，移相變壓器的星側和三角側的電源出線直接引至刀盤變頻柜斷路器進線側，給變頻器的整流單元提供12脈波的交流電源。刀盤變頻器采用IT系統的原因在于IT系統自身的優越性：當發生單相接地故障時，三相負荷可以正常運轉。發生單相接地故障時，線電壓與相電壓的關系如圖1和圖2所示。

IT系統在未發生接地故障前，三相電壓最大值相等，相位彼此相差120°，三相電壓向量和為0，見圖1。

當發生單相接地故障時，此時假設為B相發生單相接地故障，B相對地電壓為0，中線點對地電壓升高為B相電壓，見圖2。

中性點相對地電壓為-ub1，A相電壓和C相電壓分別為：

而AC之間的線電壓并未改變：

以上運算均屬向量運算，可知IT系統發生單相接地故障，相電壓升高為線電壓，而線電壓保持不變。

圖1 三相電壓

圖2 單相接地故障

國標規定在發生單相接地故障時可運行2 h，因為發生單相接地故障時導線對地的電壓由相電壓升為線電壓，電壓提高了倍，對電纜的耐壓程度有了更高等級的要求。此時，IT系統屬于“帶病作業”狀態，所以IT系統需要安裝絕緣檢測裝置。當第一次發生單相接地故障時，需要及時發出警報，告知盾構機操作人員做好停機檢修工作。有的絕緣檢測裝置還可以實現故障電源的選線、選相技術，直接定位故障點，節省故障排查的時間。

在小直徑盾構中，刀盤電機采用380 V的小功率電機，可以考慮采用配出中性線的IT系統得到220 V電源，不僅能夠降低盾構的制造成本，也可以節省柜體空間。但是，將中性線配出后，在絕緣監測上要考慮中性線接地的情形。因為當中性線接地時，系統已經變為不可靠接地的TN系統。這種情形算不上是故障情形，但是按照IT系統選擇的保護裝置在這時就失效，留下較大的安全隱患。只要解決好IT系統中性線接地故障時的選線、選相問題，IT系統應用在盾構機配電上將更具有優勢性。

3 其他動力負荷配電制式

盾構機的其他動力負荷采用TN-S系統，優勢在于：（1）相比于IT系統，可以安全、易得220 V電源，對盾構上眾多不同電壓等級的負荷來說，能減少變壓器的使用帶來的成本問題；（2）相比于TN-C，將保護零線與工作零線在電源側分開，在電機絕緣正產的情況下保護零線中沒有電流流過；（3）相比于TN-C，工作零線斷開后，設備外殼與地之間也不會產生電壓。

在盾構供配電中，發生單相接地故障是所有故障中最常見、概率最高的故障形式。設三相設備的B相發生單相接地故障，此時流過B相的電流為IB=I額+IPE（IB為B相發生接地故障的故障電流；I額為三項設備的運行電流；IPE為B相對保護線的漏電電流）。按國家標準接地電阻≤4 Ω，工程實際在1 Ω左右，有IB=I額+IPE=I額+U相/1（U相為B相相電壓）。在標準的380/220 V的工業配電中，單相接地的故障電流為IB=（I額+220）A。可以看出，盾構機上采用TN-S系統。當發生單相接地故障時的故障電流實際上接近于發生單相短路時的短路電流，此電流將引起電流斷路器發生過流脫扣；在選擇斷路器的時候，TN-S系統選擇電流斷路器即可，無需選擇帶漏電保護功能的斷路器。

整體上看，盾構機是一個優良導體的結構件，在PE線的敷設上可以考慮如下內容：在變壓器側，將PE線就近與盾構機裸露導體部分可靠連接；臺車與臺車之間通過電纜可靠連接，保證整個盾構機處臺車處于同一個電位。在電機側的PE線可以考慮就近與臺車的導體部分連接，以省去因鋪設PE線而帶來的有色金屬成本。

綜上所述，在盾構機的供配電上，配電制式是屬于IT和TN-S系統并存的狀態。IT系統在刀盤配電中可以發揮其供電連續性好、發生單項接地故障時線電壓不變的優點。在其他動力負荷配電中采用TN-S系統，可以依托盾構機整機為優良導體的優點，將漏電電流放大為單相短路電流從而引起電流斷路器脫扣，降低斷路器的選擇成本。

4 結 論

在IT、TN和TT這3種系統中，在盾構機的供配電上，IT系統的優越性明顯好于其他兩種系統。如果能將IT系統的中性導體配出應用于盾構機的配電制式上，將能極大程度地增加盾構機供電的連續性和安全性，降低變壓器的使用數量，從而降低盾構機制造成本。當前，配出中性導體的IT系統（簡稱ITN系統）已有案例成功應用于船電系統中，后續為推動其不發展，還需相關人員不斷進行研究和探討。