盾构机低压配电结构及应用分析

陶柳明

（中国铁建重工集团股份有限公司，湖南长沙 410100）

0 引言

盾构机由刀盘、主驱动、管片拼装机、连接桥、螺旋输送机、后配套等主要机械结构组成，广泛应用于地铁、铁路、公路、市政和水电等隧道工程建设，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装管片及测量导向纠偏等功能。其施工技术是集地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制和测量等多门学科知识于一体。

电气作为核心技术之一，主要用于主驱动系统、普通功率系统、PLC 控制系统、监控与照明等系统的配电及控制。随着日趋复杂的施工环境和施工工艺，使得电气配电结构直接关系到盾构机的整体工作性能、效率以及成本，这就要求研发技术人员根据设计要求设计出适配性更高、更合理的配电结构。

1 盾构机低压配电系统

隧道外部提供的高压电通过高压电缆沿隧道壁接入盾构机变压器高压侧，通过变压器变换成690 V 或400 V 的电压等级后，接入各低压配电系统。盾构机的低压配电系统主要分为主驱动配电系统和普通功率配电系统，其中主驱动配电系统由一台单独的变压器，以固定的配电模式为主驱动电机供电；普通功率配电系统，由另外一台普通变压器，为除刀盘以外的所有负载供电。低压配电系统，即为普通功率配电系统。

盾构机低压配电系统按功能可分为动力回路、控制回路和照明回路。目前盾构机低压配电，主要以集中式或分布式配电结构接入配电柜、控制室、控制箱、接线盒及其他外部设备。

1.1 集中式配电结构

盾构机集中式配电结构如图1 所示，变压器低压侧接入主配电柜后，由主配电柜集中分配。经配电柜的配电回路和控制回路直接驱动负载，如电机、电磁阀、传感器等；由主配电柜进入控制室，由控制室直接或经接线盒到达负载。

图1 集中式配电结构

集中式配电结构对盾构机电气系统的配电和控制比较集中，不用过多考虑电气箱柜依照负载就近接入的原则来布局。该结构可有效避免空间狭小造成的各种干涉问题，使电气安全防护、工艺装配工作简单化。主要电气元器件均安装在配电柜和控制室，大大提高了电气系统调试工作效率。当采用这种配电结构时，主配电柜和控制室尺寸相对较大，控制室和配电柜电缆较为集中，增加了接线和敷设难度，且由于外部负载较为分散，造成电缆长度增加，不仅导致制造成本的提高，还可能影响信号传输的稳定性，不利于盾构机的组装和拆解。

1.2 分布式配电结构

盾构机分布式配电结构如图2 所示，变压器低压侧接入主配电柜后，由主配电柜分配主电源至各个本地系统的控制柜或控制箱，再由本地配电单元接入相应负载。可实现控制柜和控制箱根据负载位置和功能布置，如盾体控制箱、拼装机控制箱、泵站控制柜等。该方法原则上实现了负载就近接入本地控制箱柜的目的。各本地控制箱包含独立的配电和PLC 控制单元，各控制单元间通过Profinet 现场总线进行数据交互，实现盾构机各项功能。

图2 分布式配电结构

分布式配电结构，按需求分散配电和控制单元到各个区域，极大缩小了主配电柜和控制室的尺寸，提高了各系统的灵活分布性，实现了被控对象就近接入本地控制箱柜，大大减少了电缆的长度与数量，降低了制造成本，增强了信号稳定性。同时，由于配电结构和PLC 控制单元按功能分散布置，有利于盾构机快速拆装，极大满足了工地的分体始发要求。

分布式配电带来的整体效益明显优于集中式配电，但受盾构机结构和空间的限制，很难完全采用分布式配电结构，还需根据实际情况结合分布式和集中式选择最佳组合。

2 合理选择配电结构

当前盾构机的种类繁多，生产周期缩短，旧机维修改造的需求增加，用户需求复杂多变，针对不同情况可从以下3 个方面综合考虑。

2.1 施工需求

需要分体始发的盾构机宜采用分布式配电结构。盾构机的设计首先就要考虑的是施工需求，要尽可能优化设计来解决客户施工难题，满足客户在应用中的需求。现在城市地铁隧道施工始发井尺寸日益狭窄，越来越多的盾构机需要分体始发，且分体的部位各不相同。电气系统分体始发的主要问题是造成电缆长度的增加，不易敷设，且会造成压降过大、通信距离不足以及信号干扰等问题，分布式配电结构可减少盾构机各独立机械结构之间的电缆，能较好地解决分体始发带来的这些问题，同时降低分体始发成本和装配难度。

2.2 盾构机规格

超小或超大直径盾构机需根据整机结构灵活选择。对于超小直径盾构机，由于盾体内空间有限，可能不足以布置分布式配电单元，且不便于工作人员进入维保，可优先考虑集中式配电，但小直径盾构机的后配套部分尺寸也会受到限制，而设备配置不会减少，会间接导致后配套拖车加长，设备布局分散。若完全采用集中式配电，一方面会使主配电柜的尺寸加大、不便布置，另一方面电缆长度增加，会带来压降过大及通信距离不足等问题，因此后配套部分宜采用分布式配电结构。超大直径盾构机与小直径盾构机相反，盾体空间较充足，而后配套长度缩短，设备布置集中，由于整机长度较短，一般不需要分体始发，可只在盾体部分采用分布式配电结构，后配套部分集中配电。

2.3 生产与维修

从生产与维修改造角度考虑，主要是为了提高工作效率，缩短生产周期，宜采用分布式配电结构：①电气部装阶段，小的电气箱柜可方便更多人分工合作，在工期紧张的时候多人同时进行装配工作，可适当缩短部装时间；②总装及拆机阶段，分布式配电结构可大幅减少电缆敷设和打包的工作量，拆接线工作也可多点同时进行；③后期维修阶段，电气损坏部分方便整体更换。

3 项目应用分析

某工程项目由于始发井尺寸较小，要求盾构机从连接桥和1#拖车间断开分体始发。根据现场情况计算延伸电缆长度：工地始发井深20 m，地面拖车布置在井口旁，距离井口约20 m，电缆到达井下再接入设备内长度约20 m，分体状态需掘进100 m后才能完成整机下井，则延伸电缆总长度为160 m。从用户分体始发需求出发，配电设计整体思路采用分布式配电，在部分无法实现分布式配电的区域采用集中式配电。

项目盾构机主要配电结构图如图3 所示，整机包含盾体、拼装机、螺旋输送机、连接桥及6 节后配套拖车。在盾体左右分别布置控制箱，连接桥和后配套每节拖车均根据功能布置控制箱或控制柜，拼装机控制箱也安装在连接桥上，控制箱只包含控制回路，控制柜包含控制和动力回路。由于盾体和液压泵站处空间不足以布置控制柜，盾体和液压泵站处只布置控制箱，盾体的动力负载接入连接桥控制柜，如齿轮油泵电机、润滑油脂泵电机、超挖刀泵电机等，液压泵站的动力负载接入主配电柜，如推进泵电机、拼装机泵电机等。为了缩小盾体和连接桥控制箱的尺寸，将AC 400 V/DC 24 V 开关电源集中安装在连接桥控制柜，由连接桥控制柜分配DC 24 V 控制电源至控制箱，控制箱内不安装开关电源。在盾体控制箱、连接桥控制柜、控制室、变频柜和主配电柜内装有网络交换机，各控制柜和控制箱PLC 分站之间采用Profinet 总线通信。照明系统分为2 个配电箱供电，一个为前部照明灯供电，另一个给后部照明灯供电，分体始发时2 个照明配电箱可灵活布置。

图3 盾构机主要配电结构

分体始发方案：将1#照明配电箱放置在井下，供井下部分照明，2#照明配电箱放置在地面，供地面部分照明。照明系统只需要延伸1 根从主配电柜到1#照明配电箱的供电电缆，2#照明配电箱电缆不用延伸。其他需要延伸的电缆除主驱动电机电缆外，主要包含主配电柜到连接桥控制柜的动力回路总供电电缆、控制回路总供电电缆及控制室到连接桥的通信电缆。由于延伸电缆长度达160 m，超过Profinet 总线通信最远距离，为了不在线路中间增加网络交换机，建议用户分体始发时用光纤替代Profinet 总线。

根据式（1）校核三相交流负载压降：

式中 Δu%——线路电压损失百分数，%

Un——额定电压，kV

R′、X′——三相线路单位长度电阻和感抗，Ω/km

cosφ——功率因数

I——负荷计算电流，A

l——线路长度，km

Δua%——三相线路的电压损失百分数，%/（A·km）

以连接桥控制柜动力回路总供电电缆为例，连接桥控制柜主要动力负载包括1#、2#齿轮油泵电机共19 kW、润滑油脂泵电机0.55 kW、超挖刀泵电机7.5 kW，总功率为27.05 kW，采用16 mm2铜芯电缆供电，综合考虑功率因数cosφ=0.9，效率η=0.85，电机额定电压Un=0.4 kV，则额定总负荷电流为：

根据《工业与民用配电设计手册》查表知Δua%=0.538，则额定负载下电压损失为：

经计算电压损失符合要求，分体始发电缆规格可按原设计电缆配置。方案中无DC 24 V控制电缆需要延伸，解决了集中式配电分体始发时的控制电压降问题。对比分析本方案与采用集中式配电方案分体始发的主要延伸电缆（表1），单根电缆长度均按160 m 计算。分析可知，相比于集中式配电结构，分布式配电结构可极大地减少分体始发时控制电缆用量，也能减少动力电缆数量，降低分体始发成本和敷设电缆的工作难度，提高施工效率。

表1 分布式配电结构与集中式配电结构对比

4 结论

分布式配电结构是更符合盾构机产品特征和使用特性的配电结构，但需要从设计、生产、施工工况等多角度综合考虑，采取以分布式配电为主，兼顾集中式配电的思路，为盾构机设计最优的配电方案。