刘 建

（中国铁建重工集团股份有限公司，湖南长沙 410100）

0 引言

当前城市地铁施工技术已日趋成熟，随着城市的发展，地表建筑物越来越密集，地下空间的利用成为城市未来发展趋势。地铁建设作为城市交通发展重点，通过占用尽可能小的地面施工场地，在不影响地面交通和建筑物的盾构分体始发方式将得到更多应用。为保证盾构机在不具备整体始发空间的条件下，盾构机分体始发顺利实施，通过珠三角水资源配置工程隧洞盾构分体始发施工方案，讨论盾构机电气系统在分体始发中的应用。

1 项目背景

珠三角水资源配置项目始发井为圆竖井，直径约35 m，有效长度约22.5 m，有效宽度19 m，井口到底板最大深度60 m，盾构机总长约91 m，主机长度约13.5 m（含螺旋机），连接桥及拖车81 m。现场布置情况如图1 所示。本项目盾构机分体始发共分为3 个阶段，如图2 所示。

图1 盾构机施工现场

第一阶段：将盾构机整体拆分成3 部分，主机与连接桥部分正常推进；1#、2#拖车在井下井口位置固定不动；3#～7#拖车放置于地面；其中井下部分摆放位置如图2 所示。第一阶段共掘进18 环（管片宽度为1.5 m），出渣方式为螺旋机出渣口与拖斗直接相连。

图2 盾构机分体始发流程

第二阶段：将井下部分合并，盾构机整体分为井下盾体到2#拖车及地面3#～7#拖车两部分。该阶段掘进至90 m，出渣方式为将皮带出渣口挪至2#拖车顶部与拖斗相连。

第三阶段：盾构机在隧道井下整体合并，恢复正常方式掘进。出渣方式改为连续皮带+垂直皮带。

2 电缆延长可能产生的问题

盾构机在分体始发中，电气系统主要改变的是电缆长度，一般采用中继端子箱进行线路中转，便于盾构机电缆再次拆接。另外，部分控制元器件需要移动位置，方便施工操作（如导向系统盒子从台车移至井下，遥控器接收器移至井下）。本项目盾构机分体过程中存在两个部位断开，因此增加了两个连接中继箱，一个主要用于连接控制室往盾体方向的控制电缆延长线，主要包括盾体和连接桥的端子盒的连接线，将控制室出线都接到中继箱，原配置电缆从中继箱接出。另一个主要延长配电柜出来的动力电缆，放置于井下，将配电柜出来需要延长的线缆接至中继箱，原动力电缆再从中继箱接出至各个位置。第二次组装阶段，将主控室中继箱线拆除，主控室出线与盾体连接桥之间的线路恢复。第三次组装阶段，所有线路恢复拖车之间原有连接线。

电缆分体始发除了增加电缆成本，同时也给盾构机带来了新的问题。结合本项目盾构机出现的故障问题，对分体始发可能出现的问题进行分析。

2.1 线路压降

盾构机配电含有多个电压等级，根据功能可按表1 划分。

表1 盾构机电压等级

电缆因为自身存在阻抗和感抗，在传输过程中不可避免地会产生电压损失，随着电缆的延长，压降会表现的愈加明显。延长电缆根据电流性质可以区分为直流线路和交流线路。交流线路的电压损失可以分为两部分：一部分是电流在线路电阻R 上造成的，另一部分是电流在线路的电抗X 引起的。低压电缆等效电路如图3 所示。

图3 低压电缆的等效电路

电压损失过大可能造成系统及设备端电压不能满足要求，导致设备不能正常运行，甚至由于系统电压过低而使该系统内的大部分负荷不能正常工作。电压损失计算是工程设计中必不可少的一部分，尤其是长距离线路更是不能忽视。

三相电路系统的压降可由式（1）计算：

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1 A·km 的电压损失百分数，%/A·km

如砂浆搅拌电机功率7.5 kW，用4 mm2铜芯电缆供电，延长电缆按100 m 计算：

根据《工业与民用配电设计手册》查表知Δua%=2.145，则额定负载下电压损失为：Δu%=2.145×14.1×0.1=3.02%；Δu=Δu%×U=3.02×400=12.1 V。

直流电路由于没有感抗，只需考虑电阻压降Δu=2×I×R。其中，I 为线路电流，R 为电阻。

直流电源为正、负线才能构成电压差，电压降需要计算两根电线导体的损耗。

查表可知铜的电阻率ρ 为0.017 4 Ω·mm2/m。根据欧姆定律：U=R×I，但必须要有负载电流数据、导线电阻值才能运算。铜芯电缆电阻率为ρ＝0.017 4 Ω·mm2/m，如配电柜到主控室24 VDC 的40 A 开关电源，延长电缆长度以80 m 计算，采用铜芯10 mm2电缆，因为开关电源一般不会工作在满载状态，假设盾构机掘进过程中负载电流约30 A，则电缆延长后主控室处电压降ΔU 计算如下：

单根线阻：R=ρL/S=0.017 4×80/10≈0.14 Ω；单根线末端电压降：U=RI=0.14×30=4.2 V。直流供电为正负2 根导线，末端总电压降：ΔU=4.2×2=8.4 V。

根据计算结果可知，电缆延长导致控制电压压降较大，而且随着负载的增加，电压压降会更大，而控制元件、传感器和阀组对电压都有明显的要求，电压过低会不工作或者反馈错误的信号，部分元件长时间欠压运行甚至会损坏。

集中式供电结构中总开关电源一般布置在配电柜，配电柜处电压24.5 VDC 到主控室时电压只有17～19 VDC，而盾体处阀组和传感器可能只有14～16 VDC，这就容易使一些电流敏感型传感器出现故障，例如推进油缸行程传感器故障频繁出现；HAWE 阀的控制器网关在推进模式时报故障，通信失灵，检查原因是由于推进模式时同时得电的阀组较多，线路电流较大，导致主控室的电压只有17 VDC 左右，网关停止工作，控制器报故障，通过单独给网关与控制器供电，推进模式才能正常工作，并调大配电柜处开关电源由24.5 V 升至29.5 V，此时主控室控制电压为22.3 V。在分体始发阶段结束后再将电压调回。此后的掘进过程中未再出现此类问题。

为了解决电缆压降较大的问题，采取以下两项措施来降低压降：①当末端负荷不大，供电距离稍远（如100 m 以上）时，可适当增大电缆截面积以降低电压损失；②可适当减少负荷电流以减小电路压降。将负载压力较大的系统分成多个小系统分开供电。分体始发阶段可以只保留一些掘进阶段必需的负载，以减小系统的电流，从而达到降低线路压降的目的。

2.2 电磁干扰

在电缆延长时，由于场地空间限制，动力电缆、控制电缆及通信电缆之间的间距过小，往往会有十几甚至几十根的动力电缆与控制电缆和通信电缆敷设在一根线槽中的情况。且在交流电的情况下，由于每根动力电缆内的交流电在正常通过的候都会产生磁场，干扰电流时刻存在。由于所有动力电缆的电源基本上是一个电源，因此电缆内电流的波形同相，相应产生的磁场也为同相磁场，磁场之间彼此叠加，产生的干扰电流会更大。且有部分电缆是从变频器接出，谐波会使产生的电磁场跳动得更剧烈。

由毕萨拉定律，电流的磁场B=kI/r 可知：电场强度与通过线圈的电流成正比，即电流越大磁场强度越大。如果盾构上多根动力电缆对信号电缆的影响彼此叠加，极有可能导致控制信号的漂移且偏差值大于信号值的10%，影响是非常明显的，进而导致盾构设备控制的不准确和不稳定。可见，控制电缆和信号电缆不能随意敷设在动力电缆附近。

因此延长电缆在分体始发过程中，同样也需要严格实施动力电缆与信号电缆和控制电缆分离，两种电缆的间距最好在50 mm 以上，电缆分开敷设。信号线的屏蔽层不仅应遵循单点接地，双绞线电缆宜采用双端接地，且多余不用的芯线也应全部接地，防止在电缆内部形成感应回路。

2.3 通信故障

盾构机各控制子站和CPU 之间通过Profinet 总线通信交互，受传输介质以及网线接头质量的影响，通信信号在通信电缆的传输过程中难免会有信号衰减。Profinet 电缆通常正常通信距离为100 m 左右，实际上用到70～80 m 时就会有“丢包”情况。在电缆延长后，部分网线会达到100 m 以上，在盾构机掘进过程中偶尔会出现子站通信故障，但短时间内通信又会恢复正常。但盾构机掘进过程中，施工状况尤为复杂，短暂的通信中断有可能给工程造成巨大损失，这时就需要在子站中间增加中继交换机或更换传输能力更好的电缆以达到传输要求。根据现场实测，西门子品牌Profinet 网线有效传输距离可达到120～130 m。

2.4 变频器故障

盾构机上有很多电机采用变频器控制，如泡沫、皮带机、主驱动电机等，所有变频启动的电机，动力电缆在电缆延长后，均需对电机进行重新整定。当电缆延长时，变频器对应电机的模型参数已经发生了变化，电缆延长后，由于电缆各相之间以及各相与地之间都存在等效电容，而变频器的调节频率比较高，在电缆上会产生较大的容性损耗，电缆越长其容性损耗就越大。如果变频器的容量相对电机功率不是很大，电缆长度又很长的情况下，可能会导致变频器容量不足而影响对电机的功率输出。这也是很多变频器都有增加输出电抗器配置的建议。

另外，变频器中电子器件的高速开关动作会使电压和电流在短时间发生突变，使得电压、电流波形中含有大量的谐波成分，造成电机线圈和绕组发热，产生振动和噪声，加速绝缘老化，还有可能损坏电机。同时各种频率的谐波会向周围空间发射电磁干扰，有可能导致其他设备误动作。

电缆在长距离敷设后，电缆的分布电容会表现的比较明显，对设备的控制回路产生较大的影响，乃至影响控制功能，特别是对于变频器控制普通低压电机的控制回路，故障较多表现为过电流、启停不受控等现象，给掘进过程和维保造成很大的安全隐患。由于输出线上的分布电容和分布电感的共振产生浪涌电压，会叠加到输出电压上，晶闸管、IGBT 的动作频率越高，电缆越长，产生的浪涌电压也会变高，最高时甚至可能产生额定电压数倍的浪涌电压，这种情况下，很容易引起过电压电流保护，甚至烧坏功率模块和电机。

例如，盾构机在启动皮带机后，变频器显示屏报警界面提示“IGBT 错误”，跳停电机；主驱动电机则可能出现正反转异常现象：在给定方向不变的前提下，多次启动电机，电机转向随机出现“正转”或“反转”，从而有可能引发一些严重的事故，造成重大损失。

2.5 绝缘和漏电

在第一、二分体阶段，在电缆延伸过程中，由于电缆拖拽过程中与硬物摩擦可能会使电缆破皮，进而导致保护的绝缘监视仪报错和断路器跳闸。另外，由于增加了中继箱，如果中继箱连接点没有接紧会出现不同程度的漏电现象，导致上层带漏电保护功能设备动作，排查和恢复相当消耗人力。例如，盾构机多次因为电缆破损导致断路器跳闸和软启动器故障。因此，掘进过程中要安排专业人员定期检查电缆连接处的紧固情况，可以考虑每隔一段距离安装导向轮，电缆之间留有一定的弧垂，以减少电缆与接触面之间的摩擦，同时还需保持电缆干燥整洁，防止电缆温度过高影响导电性能。

3 结语

通过以上分析可以得出，盾构机在分体始发的掘进的过程中，电气系统可能会发生很多故障，工程项目需要根据施工工况合理选择电缆的延伸长度，解决故障和问题时需要多方面考虑其产生的原因，对发生的故障和问题及时有效地“对症下药”，良好的规划在减少设备故障的同时，也可以使盾构机在运行过程中规避风险，有利于提升工作效率。