浅析盾构机主配电柜主母线系统

邹瑜

摘  要：配电系统的主母线系统瘫痪就意味着其下各个负荷的断电，盾构机作为挖掘隧道的重型机械，主配电柜内的主母线系统稳定性需求高。本文简单介绍盾构机主配电柜主母线的计算和选择。

关键词：盾构机;主配电柜;主母线

盾构机是重型机械设备，包括刀盘，盾体，螺旋机，皮带机，拼装机，辅助液压，后配套拖车等系统组成，这些系统的运行主要是由电机驱动，或者是由电机带动液压泵站实现。盾构机一次侧电压通常是10kV/20kV， 通过主变压器变成低压690VAC/400VAC， 可进一步变压成230VAC/24VDC/AC， 从主变压器二次侧线路通过主配电柜和分配电柜将电分配给各个用电设备。

盾构机主配电柜的主母线一般是裸母排。裸母排按照截面形状分可以分成矩形、圆形、管型等。母线的导体材料有铜、铝、铝合金、或者复合导体如铜包铝或者钢铝复合材料等。因盾构机内部空间小，放置主配电柜的台车狭窄，主配电柜和分配电柜的可用空间少，尤其是高度和深度有严格的限制，而盾构机配电系统的较大，主配电柜的主开关（进线开关）额定电流一般在1000A-5000A的范围内，因此主配电柜内的主要配电系统是用载流高的矩形铜排，在铜排不能满足载流的情况下可以使用矩形镀锡铜排。主配电柜进线柜的垂直铜排下端接入主变压器的电缆，穿过主开关再接至柜子顶部水平铜排，水平铜排给各保护控制设备输出给电机。进线垂直铜排符合所选用的主开关上下端的接线方式，一般为三相水平排布，考虑到配电柜深度的限制，柜顶水平铜排三相垂直排布。铜排的截面积按照如下的条件来选择。

铜排截面的选择：

1.温升。

铜排的温度不能超过铜排所接触的绝缘材料所允许的最高工作温度。隧道掘进和拼装的过程伴随着众多电机的运转，机器的运行温度的降低很大程度上依赖于隧道的通风和隧道空调，一般要求所使用的配电柜具有较高IP等级，配电柜使用IP54，小的配电箱使用IP66，机器上的水不会溅到柜内，如果机器运行温度高，柜内的强制冷却系统让柜子内部各种控制保护的元器件处于合理的工作温度。 在主配电柜内温度为35摄氏度时，柜内铜排温升允许值30摄氏度，最高温升不超过65摄氏度。

2.按短路动稳定选择铜排。

盾构机主配电柜主铜排系统的动稳定校验以三相短路电流为最大短路电流。

2.1三相短路时作用在中间主导体最大受力，该最大的力为：

Fm3-三相短路时作用在主导体的力， N ;

μ0-真空磁导率;

ip-三相短路时的短路电流峰值，A;

支柱间的中心线距离，m;

am-相邻主导体间的有效距离，m;

2.2 子导体的最大受力为：

Fs-短路时作用在子导体的力，N;

Is-两个相邻的连接件之间的最大中心线距离，m;

n-子导体的数量;

as-子导体间的有效距离，m;

2.3 主导体之间的力产生的弯曲应力：

σm，d-主导体之间的力产生的弯曲应力，N/m2;

Vσm-主导体动态应力和静态应力的比值;

Vrm-有三相自动重合闸的主导体应力和没有三相自动重合闸的主导体应力的比值;

β-与支架的类型和数量有关的系数;

Wm-主导体截面模量，m2;

2.4子导体之间的力产生的弯曲应力为：

σs，d-子导体之间的力产生的弯曲应力，N/m2;

Vσs-子导体动态应力和静态应力的比值;

Vrs-有三相自动重合闸的子导体应力和没有三相自动重合闸的子导体应力的比值;

Is-连接件之间或连接件与支架之间的中心线距离，m;

Ws-子导体截面模量，m2;

2.5导体总的弯曲应力为：

盾构机主配电柜的主铜排一般由两根或多根子导体构成时，铜排的总应力应满足：

q-可塑性系数;

fy-材料的屈服点应力，N/m2，见表一;

2.6铜排支架的受力是指绝缘子顶部受到的弯曲力，该力不应大于支架和绝缘子制造厂家给出的规定。

Fr，d-铜排支架的计算最大受力，N;

Fm-短路时主导体间的最大受力，N;

VF-作用在支架上的动态力与静态力之比;

α-支架的系数;

表一：硬导体的最大允许应力（MPa）

项目 导体材料及牌号和状态

铜/硬铜 铝及铝合金

1060  H112 1R35  H112 1035  H112 3A21  H18 6061  T6 6063  T6 6R05  T6

最大允许应力 120/170 30 30 35 100 115 120 125

注：表內所列数值为计及安全系数后的最大允许应力。安全系数一般取1.7（对应材料破坏应力）或1.4（对应于屈服点应力）。

按短路时热稳定选择铜排

对于铜排系统短时热稳定校验应满足

Sth-热等效短路电流密度，A/m2;

Sthr-铜排的额定短时耐受电流密度，A/m2;

Tkr-铜排的额定短时间，s;

Tk-短路电流持续时间，s;

以上动稳定和热稳定的计算是依照短路电流IEC标准校验方法。除了考虑温升和动热稳定校验铜排的选型外，电压降和经济性也是影响铜排选型的要素。依据上述各种条件，一般会选120x10mm2， 100x10 mm2， 80x10 mm2， 60x 10 mm2， 50x10 mm2等尺寸的矩形铜排作为盾构机主配电柜的主母线系统铜排，每相的铜排根数由具体的计算而得。根据柜子的宽度来选择铜排支架的个数，柜子宽度在600-800mm时，主开关所在的进线柜水平铜排左右侧都要安装铜排支架，装有水平铜排的其他柜子至少安装一组支架，是否需要两组需要视具体计算结果而定。

参考文献

[1]《工业与民用供配电设计手册第四版》