盾构机电气系统总体设计及选型分析

1、盾构机电气系统总体设计及选型分析摘要：随着时代发展，盾构机在施工中所占比例越来越重要，若盾构中电气系 统设计及选型不合理的话，会导致设备故障频发，增加施工成本，针对这一情况 必须要对总体设计的合理性进行详细的了解与分析，文章就此提出了相关设计的 产品选型及思路，描绘出了详细的系统设计内容，希望能够提高盾构机的电气系 统设计可靠性以及后续隐形的工作效率。关键词：盾构机；电气系统；设计分析1、刖言盾构机是集机械、液压、电气与自动化控制于一体的综合大型隧道施工设备， 以安全、高效而被广泛应用于地铁施工。盾构作为地铁施工的专用施工装备，具 有高投入、高风险、高科技含量、高施工进度、使用维护专业性强的特

2、点，在运 行过程中有着较多的用电设备数量，就此电气设备的选型很关键，它关系到设备 运行中故障概率的大小，在正常推进时若电气元器件选型不合理，则会提高电气 事故发生的概率，严重的话造成人员受伤和设备损失，进而影响工期。文章从设 计入手，合理分析电气系统的设计可靠性和合理性。2、盾构机的高压供电系统2.1、高低压供电选型我国城域配电电压等级为10KV，一般用电容量满足下列条件时，应采用 10KV高压供电。1、整体功率负荷较大，盾构机负荷一般大于1000KVA。2、供电距离大于200米。若盾构采用低压供电，电源电缆将承受巨大的供电电流，且压降过大，严重 造成电缆发热烧毁进而造成盾构无法正常工作，盾构

3、为3级用电负荷，故盾构选 用10KV高压放射式直供。2.2、高压柜选型高压开关柜一般由电缆引入柜，电源进线柜，计量柜、变压器及变压器出线 柜组成。且开关一般采用断路器或带熔断器的负荷开关，含有接地放电功能，容 量较大的变压器一般还有瓦斯油温等保护，高压柜运用于盾构主要功能则为提供 动力及电气保护。2.21、变压器型式的选择盾构上常用的变压器有油浸式和干式变压器两种，各有优缺点。油浸式优点 体积小，价格低，过载能力强等，其缺点明显，维护不变，噪音大且经常性加油， 裸露在外，危险性较大。干式变压器优点则为维护方便，运行噪音小，变压器保 护做的足，其缺点价格昂贵，体积大。由于盾构空间于变压器单台容量

4、有限，一般液驱选用油浸式变压器，电驱采 用干式变压器。本文以中交天和盾构电驱为例，介绍干式变压器容量选型及计算。变压器容量的选择根据盾构负荷的大小去选择，常见的变压器容量有800KVA、 1000KVA、1250KVA、16000KVA，2000KVA、2500KVA，选择合理的容量较为重要， 过高减小变压器的寿命，增加故障率，过低增加变压器的损耗，节能效果不理想。以天和盾构257工号为例，计算此工号的负荷率，具体如图2.1。图2.1因部分电机铭牌缺失，电气额定功率则按公式（2.1）：(2.1)其中P为额定功率，U为额定电压，I为额定电流，功率因数COS选取0.8, 电机额定功率根据电气图纸所

5、定，额定电压为380。盾构机相关参数如图中-，正常推进选取最大状态，参数如6、7,可看 出总容量约为1419.8KVA，变压器容量计算方法，总容量*1.1=1419.8*1.1=1561.78, 容量选取1600KVA，实际此工号也为1600KVA。2.3、高压电缆的选择根据现场实际施工情况，高压电缆应选取质量较好，可抗拉、缠绕，耐磨损， 绝缘程度高的柔性电缆。1、电缆平方选取如式(2.3)：(2.3)I为电流，S为1600KVA，U为10KVA，计算可得I为92.4，根据电缆截面表， 可选取70平方高压电缆。3、盾构机电机控制与选择3.1、电机选择与控制电机是电能转化为机械能的一种设备，其基

6、本原理为奥斯特电生磁原理，由 转子与定子组成，按工作原理可分为同步电动机，异步电动机及直流电动机，同 步电机价格昂贵，多用于发电机，异步电机结构简单，运行可靠，价格便宜维修 方便。因为盾构配电为交流电，依照经济实惠且维修方便原则，选取三相异步电机， 控制有可逆与不可逆两种。3.2、电机启动方式盾构在正常推进过程中电机大部分为同段时间相互启动，而三相异步电机启 动时启动电流一般过大，容易造成电压不稳，这时根据实际需求得选择相应的启 动方式。正常启动方式有4种。1、直接启动。优点：过短的启动时间，所需元器件较少，开关加电机，成本 较低。缺点：有较高的启动电流，较高的启动扭矩，机械磨损相对较严重。盾

7、构 上一般功率较小、无需变频调速电机选择此方式，如泡沫搅拌电机等等。2、星三角降压启动。优点：在顺利启动过程中降低启动电流，启动转矩较低， 减少启动电流对电网的冲击。缺点：接线较为繁琐，所需元器件较多。盾构上电 机功率较大，对电压冲击较大的电机一般选用星三角降压启动，如拼装机旋转电 机，风机等。3、软启动。软启动通过改变电机上端的电源电压来降低启动电流及扭矩的一 种设备。常见得软启动有旁路型，无旁路型，节能型等等。因旁路型工作效率高， 降低对软启动元件的损耗，对电机有着一定保护，一般盾构上选用旁路型软启， 如螺旋输送机、二次风机也可选择软启动。4、自耦变压器降压启动。其工作原理为电机启动时利用

8、自耦变压器来降低定 子上的电压，待启动后，在与自耦变压器脱离。其优点为材料成本低，效率较高， 其缺点为短路电流大，绝缘性能较差，容易造成触电的危险。3.3、电机调速控制一一变频器在正常盾构掘进施工中，操作人员需对电机进行调速控制，如刀盘驱动电机， 根据实际扭矩及负载实时调控，如泡沫系统，根据土仓内含水程度调节泡沫流量 的大小，这些电机控制应根据不同实际负载来调整它的转速满足施工需求。变频器是一种很好的改变电机转速的设备，其工作原理为通过改变输出频率，来实现 电机转速的控制，其优点为调速性能好，对电机保护较高。4、传感器及元器件反馈信号的选择盾构机作为机电液一体的大型设备，需时时检测各个系统的压

9、力及流量等， 以便判断此系统是否存在故障，盾构上常见的传感器有压力变送器，温度变送器， 流量变送器，行程变送器，液位变送器等等，反馈信号有多种，如电压反馈信号 1-5VDC，电流反馈信号 0-20ma、4-20ma。4.1、电压反馈信号与电流反馈信号的选择盾构上大部分元器件集中在配电柜中，根据每个系统的元器件多少来合理分 配配电柜的位置，传感器则安装在其所需要位置，若选择电压反馈信号，掘进中 产生的噪声电压可能达到数V，同时反馈回来的电压因电缆长度不同产生不同程 度的压降，不能准确模拟各系统的温度、压力等，而电流信号有着很强的抗干扰 能力，掘进过程中所产生的噪声电流非常小，一般在nA级别，所以

10、工业中选取 电流信号作为反馈方式。4.2、0-20ma 与 4-20ma 的选择。0-20ma与4-20ma同为电流信号，上限都取20ma，那是因为防爆的要求，不 同的是一个下限为0ma，一个为4ma。若采用0-20ma电流信号作为反馈，假设 我们所测量的压力变送器为10mpa。当压力为0mpa时，所采集的电流信号为 0ma，不能区分此时是处于断线状态还是0mpa时刻。若采用4-20ma反馈信号，当压力为0mpa时，所采集的电流信号为4ma，相 比0ma，很好的区分是否处于断线状态，且这种变送器只需外接两根线，低功耗 的信号接收对于两线制的传感器显得非常重要，所以我们采用4-20ma作为信号

11、反馈。4.3、比例放大版功能及反馈在推进系统中，我们假设一个75KW电机做为控制泵排量的动力单元，油缸 伸缩应具备快慢功能，此功能可调节液压系统中比例阀实现，信号通过比例放大 版输出比例电流来控制比例阀芯继而控制相应的液体流量。市面上技术较成熟的放大版有WEST品牌，主要型号有PAM-195-P、PAM- 196-P、PAM-197-P，其中PAM-195-P主用于换向阀，PAM-196-P有两个独立通道， 适用于压力阀、比例阀节流阀等，PAM-197-P为开关量输入的功率放大器，以天 和6米级盾构为例，推进油缸有4个分区，我们可以选用2个有着两个独立通道 的PAM-196-P型放大版，它可通

12、过操作软件设置内部参数进而改变它的输出电流。5、PLC的选择PLC可编程控制器是盾构机的控制中枢，犹如人体大脑，让各系统相互关联， 相互影响，目前，市面上主要有日系及欧系两大派系，日系以三菱、欧姆龙为首， 欧系以西门子、施耐德为首，两者编程理念不同，以三菱为例，编程直观易懂， 指令丰富，控制步进和伺服容易实现，欧系以西门子为例，指令较抽象，不好理 解，但通信与过程控制是西门子的强项，在此，我们选择三菱PLC为例。CPU为PLC的核心，所有数据处理及运算都由它处理，我们主要根据容量及 处理速度去选型，以天和6米级土压盾构为例，程序容量不到50K，根据三菱 CPU现有产品，Q06DEHCPU足以满

13、足我们需求，其容量为60K，处理速度为 0.0095us，且多CPU之间支持高速通讯，支持USB和网络。各个模块之间采用CC-LINK通讯，QJ61BT11N通讯专用模块可很好的连接CPU 与各设备站，通讯电缆选取专用通讯三芯屏蔽线，根据实际需求采用不同功能模 块，盾构设备中需远程输入输出模块，本地输入输出模块，设备站等，根据不同 需要选择相应型号。6、结束语盾构机在掘进的过程中电气系统的运行效果至关重要，文章结合高压低压以 及电气控制系统等进行重点分析，提出其中选型的合理性和可靠性，进行了较为 深入的探讨，电气系统的设计过程在整个设计方面是一个相对复杂的问题，无论 如何设计都需做好合理性分析及选型，最终确保施工的顺利进行。参考文献：1田水.盾构电力供配电系统研究中国新技术新产品-20112周庆.谈土压平衡盾构机螺旋输送机系统的改造J工程建设