楊開全，高 雷，楊雄業(yè)，李 陽(yáng)

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

0 引 言

2017年10月25號(hào)，盾構(gòu)行業(yè)的第一本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《全斷面隧道掘進(jìn)機(jī) 盾構(gòu)機(jī)安全要求》（GB/T 34650-2017）推出，對(duì)我國(guó)目前的盾構(gòu)行業(yè)發(fā)展有著巨大意義，從此盾構(gòu)機(jī)的制造將進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化階段，但是在標(biāo)準(zhǔn)里對(duì)盾構(gòu)機(jī)配電制式并沒(méi)有明確指明。因此，本文將盾構(gòu)機(jī)的配電制式展開探討。

1 隧道掘進(jìn)機(jī)的配電制式現(xiàn)狀

盾構(gòu)機(jī)在變壓器選擇上是多臺(tái)、多連接組別的現(xiàn)狀，導(dǎo)致在盾構(gòu)配電制式中有IT、TN-S系統(tǒng)并存。IT系統(tǒng)應(yīng)用于刀盤變頻器，因?yàn)榫哂挟?dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)線電壓不變的優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)供電連續(xù)性要求高的刀盤變頻器；TN-S系統(tǒng)運(yùn)用于除刀盤以外的其他動(dòng)力負(fù)荷配電，依托盾構(gòu)機(jī)整機(jī)是優(yōu)良導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)發(fā)生單項(xiàng)接地故障時(shí)將漏電電流放大為單相短路電流，在斷路器選擇上只需選擇電流斷路器即可，無(wú)需加裝漏電保護(hù)模塊。

因?yàn)樗淼谰蜻M(jìn)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱盾構(gòu)機(jī)）在隧道內(nèi)有空間尺寸的限制，對(duì)盾構(gòu)機(jī)上的設(shè)備也有空間的限制。盾構(gòu)機(jī)變壓器的體積尺寸受到限制，為了滿足負(fù)荷要求，盾構(gòu)機(jī)在變壓器選擇上一般會(huì)選用多臺(tái)變壓器給盾構(gòu)機(jī)動(dòng)力設(shè)備供電。一般采用一臺(tái)Dd0yn11的移相變壓器供給刀盤變頻器，以提供12脈波的交流電源給刀盤變頻器。其他動(dòng)力設(shè)備如推進(jìn)泵電機(jī)、空壓機(jī)等采用一臺(tái)Dyn11的變壓器給設(shè)備供電[1-2]。

隨著國(guó)內(nèi)隧道直徑越來(lái)越大，盾構(gòu)機(jī)的直徑也越來(lái)越大，導(dǎo)致盾構(gòu)上的動(dòng)力負(fù)荷越來(lái)越大，盾構(gòu)機(jī)上變壓器也隨之增多，如表1所示。

從表1反映出：盾構(gòu)機(jī)在變壓器的選擇上是多樣的，共有Dd0、Dyn11、Dd0yn11這3種型式。隨著隧道直徑的增大，變壓器的改變也只體現(xiàn)在容量變化上。而變壓器的多樣性為盾構(gòu)機(jī)配電制式的多樣性提供了可能。

2 刀盤變頻器配電制式

對(duì)于電驅(qū)刀盤來(lái)說(shuō)，要盡可能將扭矩均分在每一臺(tái)電機(jī)上，在設(shè)計(jì)選擇上一般選擇偶數(shù)個(gè)電機(jī)。變頻器采用共直流母線方案，將變頻過(guò)程的整流與逆變分開；變壓器選擇連接組別為Dd0yn11的移相變壓器，三項(xiàng)交流電之間相位互差30°，提供變頻器12脈波的整流電源。這樣選擇變壓器的好處是：在變頻器回路中，將經(jīng)過(guò)整流模塊后的電源進(jìn)行傅里葉分解，得到的諧波計(jì)算式為：

式中：Id為整流電路的直流輸出電流平均值；n為諧波次數(shù)，n=12k±1，k=1，2，3…。

表1 不同直徑下的盾構(gòu)機(jī)變壓器選擇統(tǒng)計(jì)表

從式（1）可以看出，低次諧波只含有12倍數(shù)的奇次諧波，諧波的基波幅值降低，對(duì)電網(wǎng)側(cè)的諧波污染明顯減小。

對(duì)變頻器的供電方式為移相變壓器器的三角側(cè)出線與星側(cè)出線各帶總變頻器的一半負(fù)載。刀盤變頻器是盾構(gòu)機(jī)的重要負(fù)荷，在供配電方案選擇中選擇供電連續(xù)性最好的IT系統(tǒng)。

IT系統(tǒng)的中性線在盾構(gòu)配電中不接地，移相變壓器的星側(cè)和三角側(cè)的電源出線直接引至刀盤變頻柜斷路器進(jìn)線側(cè)，給變頻器的整流單元提供12脈波的交流電源。刀盤變頻器采用IT系統(tǒng)的原因在于IT系統(tǒng)自身的優(yōu)越性：當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，三相負(fù)荷可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)生單相接地故障時(shí)，線電壓與相電壓的關(guān)系如圖1和圖2所示。

IT系統(tǒng)在未發(fā)生接地故障前，三相電壓最大值相等，相位彼此相差120°，三相電壓向量和為0，見(jiàn)圖1。

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，此時(shí)假設(shè)為B相發(fā)生單相接地故障，B相對(duì)地電壓為0，中線點(diǎn)對(duì)地電壓升高為B相電壓，見(jiàn)圖2。

中性點(diǎn)相對(duì)地電壓為-ub1，A相電壓和C相電壓分別為：

而AC之間的線電壓并未改變：

以上運(yùn)算均屬向量運(yùn)算，可知IT系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，相電壓升高為線電壓，而線電壓保持不變。

圖1 三相電壓

圖2 單相接地故障

國(guó)標(biāo)規(guī)定在發(fā)生單相接地故障時(shí)可運(yùn)行2 h，因?yàn)榘l(fā)生單相接地故障時(shí)導(dǎo)線對(duì)地的電壓由相電壓升為線電壓，電壓提高了倍，對(duì)電纜的耐壓程度有了更高等級(jí)的要求。此時(shí)，IT系統(tǒng)屬于“帶病作業(yè)”狀態(tài)，所以IT系統(tǒng)需要安裝絕緣檢測(cè)裝置。當(dāng)?shù)谝淮伟l(fā)生單相接地故障時(shí)，需要及時(shí)發(fā)出警報(bào)，告知盾構(gòu)機(jī)操作人員做好停機(jī)檢修工作。有的絕緣檢測(cè)裝置還可以實(shí)現(xiàn)故障電源的選線、選相技術(shù)，直接定位故障點(diǎn)，節(jié)省故障排查的時(shí)間。

在小直徑盾構(gòu)中，刀盤電機(jī)采用380 V的小功率電機(jī)，可以考慮采用配出中性線的IT系統(tǒng)得到220 V電源，不僅能夠降低盾構(gòu)的制造成本，也可以節(jié)省柜體空間。但是，將中性線配出后，在絕緣監(jiān)測(cè)上要考慮中性線接地的情形。因?yàn)楫?dāng)中性線接地時(shí)，系統(tǒng)已經(jīng)變?yōu)椴豢煽拷拥氐腡N系統(tǒng)。這種情形算不上是故障情形，但是按照IT系統(tǒng)選擇的保護(hù)裝置在這時(shí)就失效，留下較大的安全隱患。只要解決好IT系統(tǒng)中性線接地故障時(shí)的選線、選相問(wèn)題，IT系統(tǒng)應(yīng)用在盾構(gòu)機(jī)配電上將更具有優(yōu)勢(shì)性。

3 其他動(dòng)力負(fù)荷配電制式

盾構(gòu)機(jī)的其他動(dòng)力負(fù)荷采用TN-S系統(tǒng)，優(yōu)勢(shì)在于：（1）相比于IT系統(tǒng)，可以安全、易得220 V電源，對(duì)盾構(gòu)上眾多不同電壓等級(jí)的負(fù)荷來(lái)說(shuō)，能減少變壓器的使用帶來(lái)的成本問(wèn)題；（2）相比于TN-C，將保護(hù)零線與工作零線在電源側(cè)分開，在電機(jī)絕緣正產(chǎn)的情況下保護(hù)零線中沒(méi)有電流流過(guò)；（3）相比于TN-C，工作零線斷開后，設(shè)備外殼與地之間也不會(huì)產(chǎn)生電壓。

在盾構(gòu)供配電中，發(fā)生單相接地故障是所有故障中最常見(jiàn)、概率最高的故障形式。設(shè)三相設(shè)備的B相發(fā)生單相接地故障，此時(shí)流過(guò)B相的電流為IB=I額+IPE（IB為B相發(fā)生接地故障的故障電流；I額為三項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行電流；IPE為B相對(duì)保護(hù)線的漏電電流）。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)接地電阻≤4 Ω，工程實(shí)際在1 Ω左右，有IB=I額+IPE=I額+U相/1（U相為B相相電壓）。在標(biāo)準(zhǔn)的380/220 V的工業(yè)配電中，單相接地的故障電流為IB=（I額+220）A?？梢钥闯?，盾構(gòu)機(jī)上采用TN-S系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的故障電流實(shí)際上接近于發(fā)生單相短路時(shí)的短路電流，此電流將引起電流斷路器發(fā)生過(guò)流脫扣；在選擇斷路器的時(shí)候，TN-S系統(tǒng)選擇電流斷路器即可，無(wú)需選擇帶漏電保護(hù)功能的斷路器。

整體上看，盾構(gòu)機(jī)是一個(gè)優(yōu)良導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)件，在PE線的敷設(shè)上可以考慮如下內(nèi)容：在變壓器側(cè)，將PE線就近與盾構(gòu)機(jī)裸露導(dǎo)體部分可靠連接；臺(tái)車與臺(tái)車之間通過(guò)電纜可靠連接，保證整個(gè)盾構(gòu)機(jī)處臺(tái)車處于同一個(gè)電位。在電機(jī)側(cè)的PE線可以考慮就近與臺(tái)車的導(dǎo)體部分連接，以省去因鋪設(shè)PE線而帶來(lái)的有色金屬成本。

綜上所述，在盾構(gòu)機(jī)的供配電上，配電制式是屬于IT和TN-S系統(tǒng)并存的狀態(tài)。IT系統(tǒng)在刀盤配電中可以發(fā)揮其供電連續(xù)性好、發(fā)生單項(xiàng)接地故障時(shí)線電壓不變的優(yōu)點(diǎn)。在其他動(dòng)力負(fù)荷配電中采用TN-S系統(tǒng)，可以依托盾構(gòu)機(jī)整機(jī)為優(yōu)良導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)，將漏電電流放大為單相短路電流從而引起電流斷路器脫扣，降低斷路器的選擇成本。

4 結(jié) 論

在IT、TN和TT這3種系統(tǒng)中，在盾構(gòu)機(jī)的供配電上，IT系統(tǒng)的優(yōu)越性明顯好于其他兩種系統(tǒng)。如果能將IT系統(tǒng)的中性導(dǎo)體配出應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)的配電制式上，將能極大程度地增加盾構(gòu)機(jī)供電的連續(xù)性和安全性，降低變壓器的使用數(shù)量，從而降低盾構(gòu)機(jī)制造成本。當(dāng)前，配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ITN系統(tǒng)）已有案例成功應(yīng)用于船電系統(tǒng)中，后續(xù)為推動(dòng)其不發(fā)展，還需相關(guān)人員不斷進(jìn)行研究和探討。