第五章 盾构机的供配电及电控系统 一一一一 盾构机的高压供电系统盾构机的高压供电系统盾构机的高压供电系统盾构机的高压供电系统二二二二 盾构机的变压器的选择盾构机的变压器的选择三三三三 盾构机盾构机盾构机盾构机380/220V380/220V380/220V380/220V低压配电系统低压配电系统低压配电系统低压配电系统四四四四 盾构机中电动机的控制盾构机中电动机的控制盾构机中电动机的控制盾构机中电动机的控制第3讲-盾构机的供配电及电控系统1第五章 盾构机的供配电及电控系统5.1 盾构机的高压供电系统盾构机的高压供电系统 5.1.1 盾构机供电电压等级： 我国城域配电电压等级为10kV一般用电容量满足下列条件之一时，应采用高压10kV供电：用电容量大于250kVA。供电距离大于200米。第3讲-盾构机的供配电及电控系统2 盾构机的供电电源应为盾构机的供电电源应为10kV10kV高压电源。高压电源。 一般盾构机的一般盾构机的10kV10kV高压供电电源应从高压供电电源应从城市城市10kV10kV高压供电开闭所采用放射式直供，高压供电开闭所采用放射式直供，而不宜采用而不宜采用T T接的供电方式。接的供电方式。第3讲-盾构机的供配电及电控系统3 5.1.2 盾构机供电可靠性盾构机供电可靠性： 用电负荷分为三级。 对于一二级用电负荷，保证电源可靠性措施有：双电源供电.独立于正常电源的发电机组自备柴油发电机.采用大容量的应急电源（EPS).第3讲-盾构机的供配电及电控系统4 一级用电负荷：一级用电负荷： 中断供电将造成人身伤亡时中断供电将造成人身伤亡时 中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。 中断供电将影响有重大政治、经济意义的用中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作。电单位的正常工作。 由于我国大中城市城域电网供电可靠性已达由于我国大中城市城域电网供电可靠性已达99.97%99.97%以上。盾构机属于三级用电负荷，故采用一路以上。盾构机属于三级用电负荷，故采用一路10kV10kV高压供电电源供电。高压供电电源供电。 第3讲-盾构机的供配电及电控系统5 二级用电负荷：二级用电负荷： 中断供电将在政治、经济上造成较大损失中断供电将在政治、经济上造成较大损失 。例如：主要设备损坏、大量产品所废、连续生产过程被打乱需较长时间才能恢复、重点企业大量减产等 中断供电将影响重要用电单位的正常工作中断供电将影响重要用电单位的正常工作 。交通。交通枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷枢纽、通信枢纽等用电单位中的重要电力负荷 ；以及中断供电将造成大型影剧院、大型商场等较多人员集中的重要的公共场所秩序混乱 。 三级用电负荷：不属于一二级负荷的即为三级负三级用电负荷：不属于一二级负荷的即为三级负荷。荷。第3讲-盾构机的供配电及电控系统6 盾构机属于三级用电负荷，由于我国大中城市城域电网供电可靠性已达99.97%以上。故采用一路10kV高压供电源供电。 第3讲-盾构机的供配电及电控系统7 但为了保障施工人员及设备的安全，建议地下照明可按二级负荷考虑；另 外在一些特殊地区（水位较浅），隧道内设有排水泵的环境中，排水泵亦可按一级负荷考虑。对于这些一二级负荷，可采用EPS作为第二路电源，其中EPS技术又可分为集中式和分散式。当这些一二级负荷的容量较大时宜可用能自启动的自备柴油发电机作为第二路电源。自备柴油发电机容量选取的原则要能保证所带负荷正常运行，又要保证所带电动机的启动。一般1KVA自备柴油发电机允许直接启动电动机的容量为0.12KW。 第3讲-盾构机的供配电及电控系统8 5.1.3 盾构机的高压配电系统盾构机的高压配电系统 配电所专用电源线的进线开关宜采用断路器或带熔断器的负荷开关。经过电缆引入柜、电源进线柜、计量柜及变压器出线柜构成高压供电系统。其作用就是对高压电源进行保护、计量及对变压器进行保护。对高压电源的保护有过载和短路保护；对变压器的保护有过载和短路保护，容量较大的变压器还有油温及瓦斯保护。 第3讲-盾构机的供配电及电控系统9第3讲-盾构机的供配电及电控系统10 5.1.4 5.1.4 盾构机的高压供电电缆盾构机的高压供电电缆 采用三相四线制10kV软电缆（L1，L2，L3，PE），隧道内应沿隧道采用支架安装。活套部分在后配套车的变压器车后盘放；其中PE接变压器的接地端子。第3讲-盾构机的供配电及电控系统11 5.2 盾构机的变压器的选择盾构机的变压器的选择 5.2.1 负荷计算 负荷计算的目的是确定供电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是合理地进行无功功率补偿的重要依据。计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电气设备和导线电缆的选择是否经济合理。 在供配电系统的负荷计算中常用的是需要系数法. 第3讲-盾构机的供配电及电控系统12 （1）用电设备的工作制： 盾构机中用电设备种类繁多，用途各异，工作方式不同，按其工作制可分为以下三类。长期工作制（连续运行工作制）。例如隧道通风机、水泵、空气压缩机、液压油泵及螺旋输送机的驱动电机等负荷比较稳定的用电设备，它们在工作中运行时间较长，温度比较稳定。第3讲-盾构机的供配电及电控系统13短时工作制（短时运行工作制）。是指运行时间短而停歇时间长，设备在工作时间内的发热量不足以达到稳定温升，而在间歇时间内能够冷却到环境温度。电动机在停车时间内，温度能降回到环境温度。如盾构机的后配套车的行走电机第3讲-盾构机的供配电及电控系统14 反复短时工作制（断续运行工作制）。该设备以断续方式反复进行工作，工作时间与停歇时间相互代替，周期性地工作或是经常停歇、反复运行。例如起重电动机。反复短时工作制的设备用暂载率（或负荷持续率） 来表示其工作特性. 工作时间加停歇时间称为工作周期。根据我国的技术标准规定工作周期以10min为计算依据。起重机电动机的标准暂载率分为15%、25%、40%、60%四种。如，刀盘驱动电机、推进机构驱动电机、拼装机驱动电机等第3讲-盾构机的供配电及电控系统15（2）设备容量的确定 在进行电力负荷计算时，应首先确定用电设备的设备容量Pe。设备容量在计算时不包括备用设备在内，设备容量是指用电设备组的设备容量Pe。所谓用电设备组是指将同类型的用电设备归为一组，即用电设备组。用电设备铭牌上标示的容量为额定容量PN。在进行负荷计算前，应对各种负荷做如下处理： 对不同工作制用电设备的额定功率PN用电设备组的总容量并不一定是这些设备的额定容量直接相加，而是必须先把它们换算为同工作制下的额定容量（一般折算为长期工作制），才进行相加。第3讲-盾构机的供配电及电控系统16（3）负荷计算方法 常采用需要系数法进行负荷计算 .对于同类型的用电设备组，其负荷曲线具有大致相似的形状 .由于该组电动机实际上不一定都同时运行，而且运行的电动机也不可能都满负荷，同时设备本身及配电线路也有功功率损耗，因此考虑这些因素后该组电动机的有功计算负荷应为: P30(Pjs)=Kd*Pe P30 有功计算负荷 KW； Kd 需要系数。不同的设备有不同的需要系数 Pe 经过折算后的设备容量 KW。 第3讲-盾构机的供配电及电控系统17再根据设备的功率因数计算出无功功率Q30及 S30 Q30= P30*tan S30= P30/cos计算出每台设备的P30及Q30后，再计算总的负荷P30及Q30； 进而计算总的视在功率S30；如果总的功率因数cos较低要进行无功补偿，以降低总的视在功率S30 。 第3讲-盾构机的供配电及电控系统185.2.2 变压器的选择变压器的选择 1 .容量选择：根据计算出的来S30选择变压器的容量，应使变压器的容量S大于S30 ；而且还要保证供电系统的功率因数不能过低，否则应进行功率因数补偿。功率因数一般要补偿到0.9以上。盾构机常用变压器的容量有以下系列： 800 kVA，1000 kVA，1250 kVA，1600 kVA，2000 kVA，2500kVA。变压器的负荷率一般在9075%之间，过高会减小变压器的寿命，还会增加变压器的故障；变压器的负荷率过低会增加变压器的损耗，起不到节能的效果。 第3讲-盾构机的供配电及电控系统19 2.变压器型式的选择： 油浸式与干式的选择：干式需要机械通风 带外壳保护式与不带外壳保护式：带外壳保护式可紧凑布置第3讲-盾构机的供配电及电控系统205.3 盾构机盾构机380/220V380/220V低压配电系统低压配电系统 5.3.1接地系统接地系统 由于盾构机的工作环境复杂，为了保障盾构机在工作时由于盾构机的工作环境复杂，为了保障盾构机在工作时设备及人员的安全，盾构机的接地系统应做到万无一失。盾设备及人员的安全，盾构机的接地系统应做到万无一失。盾构机的接地系统包括供电系统接地、计算机系统的接地、静构机的接地系统包括供电系统接地、计算机系统的接地、静电接地及等电位接地等。电接地及等电位接地等。 第3讲-盾构机的供配电及电控系统21（1 1）供电系统接地供电系统接地 供电系统的接地系统一般有如下型式：供电系统的接地系统一般有如下型式：TNTN系统、系统、TTTT系系统和统和ITIT系统。盾构机一般采用系统。盾构机一般采用TNTN系统、系统、TTTT系统。系统。第3讲-盾构机的供配电及电控系统22 TN系统：变压器的工作零线N与接地线PE线共用接地极，接地装置在变压器侧。TN系统又可分为TN-S、TN-C及TN-C-S系统。 TN-S接地系统的工作零线N与接地线PE线在供配电系统中不公用。供配电系统为三相五线制，工作零线N接设备的工作零线，接地线PE线接设备正常工作时不带电的金属外壳，TN-S接地系统的安全性在TN系统最好，但系统的投资较高。以下为TN-S系统的接线形式：第3讲-盾构机的供配电及电控系统23第3讲-盾构机的供配电及电控系统24 TN-C接地系统的工作零线N与接地线PE线在供配电系统中公用，供配电系统为三相四线制，第四根线既接设备的工作零线又接设备正常工作时不带电的金属外壳。TN-S接地系统的安全性在TN系统较差，但系统的投资较低。以下为TN-S系统的接线形式：第3讲-盾构机的供配电及电控系统25第3讲-盾构机的供配电及电控系统26 TNC-S接地系统的工作零线N与接地线PE线在供配电系统中有时公用，有时不公用。采用TN-C-S系统时，当保护线与中性线从某点(一般为进户处)分开后就不能再合并，且中性线绝缘水平应与相线相同。一般在供配电系统的前段公用，在供配电系统的后段不公用。供配电系统为三相五线制和三相四线制混合供电。在供配电系统的前段为三相四线制，第四根线既接设备的工作零线又接设备正常工作时不带电的金属外壳。在供配电系统的后段为三相五线制，工作零线N接设备的工作零线，接地线PE线接设备正常工作时不带电的金属外壳。第3讲-盾构机的供配电及电控系统27 TNC-S接地系统的安全性在TN系统适中。 以下为TNC-S接地系统的接地形式：第3讲-盾构机的供配电及电控系统28第3讲-盾构机的供配电及电控系统29TN系统的三种形式TN-S、TN-C及TN-C-S系统的特点各不相同。但是有一点是相同的，即保护线上不应设置保护电器及隔离电器。在使用时可根据系统的特点选择合适的接地形式。但当设备用电点距离变压器较远时，且设备用电三相分配不平衡时，选择TN系统接地方式就不太合适。这时应选择安全性更高的TT系统。第3讲-盾构机的供配电及电控系统30 TT系统：电力系统有一点直接接地，受电设备的外露可导电部分通过保护线接至与电力系统接地点无直接关联的接地极。变压器的零线N与接地线PE线不共用接地极。PE线在用电设备处做接地极。 在TT系统中，共用同一接地保护装置的所有外露可导电部分，必须用保护线与这些部分共用的接地极连在一起(或与保护接地母线、总接地端子相连)。 在同一低压配电系统中，当全部采用TN系统确有困难时，也可部分采用TT系统接地型式。 以下为TT系统的接线形式：第3讲-盾构机的供配电及电控系统31第3讲-盾构机的供配电及电控系统32 （2）计算机系统的接地盾构机由于有计算机系统的数字地和模拟地，这些接地可以和供电系统的接地公用接地极。但是接地排要分别设置。且接地电阻不能大于1欧姆。有条件时还可考虑计算机控制系统的防电磁干扰屏蔽接地。 （3）静电接地盾构机液压系统的油路管道及气压管道均要做防静电接地。以防管道静电放电产生故障。应用-40*4扁钢或10号 第3讲-盾构机的供配电及电控系统33（4）等电位接地： 由于盾构机的工作环境潮湿，用电设备繁多，一旦发生漏电会对设备及人身产生危害。因此，盾构机需做等电位接地。应用-40*4扁钢作等电位联结。第3讲-盾构机的供配电及电控系统34 5.3.2 盾构机的低压配电系统的形式盾构机的低压配电系统的形式 低压配电电压应采用220/380V。带电导体系统的型式宜采用单相二线制、两相三线制、三相三线制和三相四线制。 在正常的用电环境中，当大部分用电设备为中小容量，且用电设备无特殊要求时，宜采用树干式树干式配电方式。 当用电设备为大容量，或负荷性质重要，或在有特殊要求的用电环境中，宜采用放射式放射式配电方式。 第3讲-盾构机的供配电及电控系统35 当部分用电设备距供电点较远，而彼此相距很近、容量很小的次要用电设备，可采用链式链式配电方式，但每一回路环链设备不宜超过5台，其总容量不宜超过10kW。 采用何种配电方式要根据用电设备的情况具体而定。一般盾构机中大容量的油泵电机、空气压缩机电机、刀盘驱动电机、螺旋输送机的驱动电机及注浆泵电机都等采用放射式放射式供电。而其他的负荷多数采用树干式配电方式或链式配电方式。某盾构机变电所的低压配电系统图如下：第3讲-盾构机的供配电及电控系统36第3讲-盾构机的供配电及电控系统37第3讲-盾构机的供配电及电控系统38第3讲-盾构机的供配电及电控系统39第3讲-盾构机的供配电及电控系统40第3讲-盾构机的供配电及电控系统41 5.3.3 低压配电电器元件的选择低压配电电器元件的选择 （1 1）盾构机变压器低压侧出线）盾构机变压器低压侧出线 盾构机变压器低压侧出线一般采用电缆出线或封闭式盾构机变压器低压侧出线一般采用电缆出线或封闭式母线出线，出线电缆由变压器低压侧至配电柜后续台车沿母线出线，出线电缆由变压器低压侧至配电柜后续台车沿电缆桥架明敷。若盾构机变压器低压侧出线采用封闭式母电缆桥架明敷。若盾构机变压器低压侧出线采用封闭式母线，由变压器低压侧至配电柜后续台车的封闭式母线槽应线，由变压器低压侧至配电柜后续台车的封闭式母线槽应沿支架敷设，并应在台车之间设拉紧装置。防止母线槽受沿支架敷设，并应在台车之间设拉紧装置。防止母线槽受力而损坏。母线槽的规格与变压器的关系如下：力而损坏。母线槽的规格与变压器的关系如下：第3讲-盾构机的供配电及电控系统42第3讲-盾构机的供配电及电控系统43第3讲-盾构机的供配电及电控系统44第3讲-盾构机的供配电及电控系统45 变压器的容量 母线槽的规格 800KVA 1250A 1000KVA 1600A 1250KVA 2000A 1600KVA 2500A 2000KVA 3200A 2500KVA 4000A （2）盾构机变压器低压侧出线总开关： 盾构机变压器低压侧出线总开关采用智能型框架式断路器，其规格依变压器的容量而定，低压侧出线总开关的规格与变压器的关系如下：第3讲-盾构机的供配电及电控系统46 变压器的容量 母线槽的规格 800KVA 1250A 1000KVA 1600A 1250KVA 2000A 1600KVA 2500A 2000KVA 3200A 2500KVA 4000A 盾构机变压器低压侧出线总开关应设长延时脱扣保护（15S）和短延时脱扣保护（0.20.5S）第3讲-盾构机的供配电及电控系统47（3）盾构机变压器低压侧各馈出线开关 各馈出线开关一般采用塑壳断路器，其规格主要有：额定电压、额定电流、脱扣器的额定电流等其他参数，如CM1-250M/3300 Ie=200A。这些参数依所供回路的负荷大小而定。 盾构机中用电设备的配电线路应装设短路保护、过负载保护和接地故障保护，作用于切断供电电源或发出报警信号。 第3讲-盾构机的供配电及电控系统48 对于操作人员直接接触的用电设备，所选断路器应具有剩余电流动作保护功能,如CML1-400M/3300 Ie=200A In=500Ma t=0.3S。确保在故障情况下可靠切断电源。 盾构机中用电设备配电线路采用的上下级保护电器，其动作应具有选择性；各级之间应能协调配合。但对于非重要负荷的保护电器，可采用无选择性切断。第3讲-盾构机的供配电及电控系统495.3.4 盾构机各用电设备线缆的选择盾构机各用电设备线缆的选择 导体的类型应按敷设方式及环境条件选择。绝缘导体除满足上述条件外，尚应符合工作电压的要求。 导体的允许载流量不应小于线路的负荷计算电流。 线路电压损失应满足用电设备正常工作及起动时端电压的要求。从变压器低压侧母线至用电设备受电端的线路电压损失，一般不超过用电设备额定电压的5%。第3讲-盾构机的供配电及电控系统50 PE线采用单芯绝缘导线时，按机械强度要求，截面不应小于下列数值：有机械性的保护时为25m；无机械性的保护时为4 m。第3讲-盾构机的供配电及电控系统51 5.4 盾构机中电动机的控制盾构机中电动机的控制 5.4.1 电动机的控制电动机的控制 盾构机中采用的驱动电机大量为交流异步电机，控制分为可逆和不可逆控制。 QF为断路器，起短路保护作用；KH热继电器，起过载保护作用。KM接触器，起控制作用。启动时： KM闭合。停机时， KM断开。第3讲-盾构机的供配电及电控系统52第3讲-盾构机的供配电及电控系统535.4.2 电动机的启动电动机的启动 盾构机中采用的驱动电机大量为交流异步电机，且多数为三相鼠笼式电动机.由于交流电机对电压非常敏感，而三相异步电动机在启动时过大的启动电流会引起电压的急剧下降，从而影响其他设备的运行。这时限制电动机的启动电流就是要首先考虑的问题。常用星三角降压启动、自藕变压器降压启动及软启动。 第3讲-盾构机的供配电及电控系统54 三相鼠笼式电动机在额定电压下的启动电流Iq=（6），电动机的定子绕组正常情况下能够承受在额定电压下的启动电流。三相鼠笼式电动机在启动时对电机结构本身没有损坏。三相鼠笼式电动机的启动主要考虑启动时对电网的影响。第3讲-盾构机的供配电及电控系统55（1）星三角降压启动 适用于正常运行时电动机的接法为三角形的鼠笼式三相异步电动机。在电动机启动时将电动机的三相定子绕组接成星形，从而降低了电动机定子绕组的启动电压，进而降低了电动机定子绕组的启动电流，也就降低了对电源或电网的冲击。星三角降压启动时，电动机的启动电流及启动转矩均为电动机在额定电压下直接启动时的1/3。第3讲-盾构机的供配电及电控系统56 QF为断路器，起短路保护作用；KH2为热继电器，起过载保护作用。KM1为接触器，起控制作用。启动时： KM12闭合。运行时， KM1、KM3闭合。第3讲-盾构机的供配电及电控系统57第3讲-盾构机的供配电及电控系统58第3讲-盾构机的供配电及电控系统59（2）自藕变压器降压启动电动机启动时在定子侧增设一台三相自藕变压器，电动机的定子接在三相自藕变压器的二次侧，三相自藕变压器的一次侧接电网，由于降低了电动机定子绕组的启动电压，进而降低了电动机定子绕组的启动电流，也就降低了对电源或电网的冲击。自藕变压器降压启动时，电动机的启动电流及启动转矩均为电动机在额定电压下直接启动时的1/(K*K)。第3讲-盾构机的供配电及电控系统60第3讲-盾构机的供配电及电控系统61第3讲-盾构机的供配电及电控系统62第3讲-盾构机的供配电及电控系统63（3 3）软启动）软启动一拖一软启动一拖一软启动第3讲-盾构机的供配电及电控系统64一拖多软启动一拖多软启动第3讲-盾构机的供配电及电控系统65 5.4.2 盾构机中电动机的调速盾构机中电动机的调速 对于在正常时需调速的电动机，盾构机中大量采用变频调速控制来解决电动机的调速问题。交流电动机的速度通过对电源的频率来控制。而电源的频率依被控的物理量（如温度、流量、压力等）而变化。需要恒物理量控制时可组成闭环控制系统，通过计算机内的PID控制器来控制。 变频电路一般采用交-直-交。 交-直变换通过整流电路来实现；直-交变换通过逆变电路来实现。逆变电路是指把直流电变成交流电供向负载.第3讲-盾构机的供配电及电控系统66s1和s4导通，负载RL的电流从左向右； s2和s3导通，负载RL的电流从右向左.第3讲-盾构机的供配电及电控系统67 变频控制的优点：调速性能好。变频控制的优点：调速性能好。 电动机过载能力不变；调速范围较宽；系统的稳定性电动机过载能力不变；调速范围较宽；系统的稳定性不变；还可解决电动机的启动问题（增加了电动机的启动不变；还可解决电动机的启动问题（增加了电动机的启动转矩）。转矩）。第3讲-盾构机的供配电及电控系统68第3讲-盾构机的供配电及电控系统69 需要恒物理量控制时可组成闭环控制系统，通过计算机内的PID控制器来控制。第3讲-盾构机的供配电及电控系统70第3讲-盾构机的供配电及电控系统71