矩形顶管机供配电系统设计方案及电气安装注意事项

矩形顶管机供配电系统 设计方案 及电气 安装注意 事项

钟汉杰

广东省基础工程集团有限公司 广东 广州 510620

摘要：基于矩形顶管机供配电系统作为隧道顶进施工机电一体化设备安全运行的重要组成部分，本文深入剖析矩形顶管机的电气系统组成和施工供配电的方式选择，并为更好地提高大断面矩形顶管施工供配电运行质量，而提出系统优化设计方案以及电气安装注意事项，旨在为顶管施工的进度和质量增加现实意义与价值。

关键词：矩形顶管机电气系统；供配电方式；设计方案；电气安装；注意事项

Design scheme of power supply and distribution system of rectangular pipe jacking machine and precautions for Electrical Installation

Zhong Hanjie

(Guangdong Basic Engineering Group Co., Ltd.Guangzhou, Guangdong,510620,China)

Abstract:As an important part of safe operation of electromechanical integration equipment in tunnel jacking construction, the power supply and distribution system of rectangular pipe jacking machine,This paper deeply analyzes the electrical system composition of rectangular pipe jacking machine and the choice of construction power supply and distribution mode,And in order to better improve the operation quality of power supply and distribution in large section rectangular pipe jacking construction,And put forward the system optimization design scheme and electrical installation considerations,The aim is to add practical significance and value to the progress and quality of pipe jacking construction.

Keywords: Electric system of rectangular pipe jacking machine; Power supply and distribution mode; Design scheme; electrical installation; Precautions

前言

随着各地城市化的迅速发展，地铁建设已成为缓解交通拥堵的措施之一。而矩形顶管机作为非开挖岩土钻掘工具，已被广泛地应用在地铁隧道及进出口通道工程。但对于次类以电力转化为动力的大型隧道工程专用机电设备，用电量和用电功率都非常大，施工前必须选择好供配电方式，以及确保用电系统符合设计标准要求，才能够在地下隧道安全顺利穿越。而在顶管开挖过程中，有时会遇上工况不良而突然停电，导致顶管机因自身重力下沉造成开挖面的稳定性被破坏；同时，由于电力无法供应，隧道内施工的排水、通风及照明等设备也会受到影响，甚至威胁着现场施工员的人身安全。可以说，电气系统是矩形顶管机安全施工的先决条件，必须谨慎、合理选择好可靠的供配电方式，提高顶进电气设备的运行质量，并消除机电设备无法运转的风险。

1 矩形顶管机电气系统的组成

矩形顶管施工涉及的环节比较多，如注浆、循环系统及管片运送等内容，其各机电设备能够正常运行必须通过电气系统的有效连接。而顶管机的电气系统主要由高压供电、低压配电、控制系统三方面组成。在实际运行中，首先，通过高压开关柜外接当地10kV电源，然后由变压器降压供电，最后将低压电源分别供给泵站、电源柜、变频柜和各控制的柜顶管施工使用。所以，电气系统在顶管隧道开挖工程中发挥着重要作用。

在高压供电系统中，高压开关柜的构造比较复杂，其组成有：电源进线柜、计量柜、变压器及变压器出线柜。为保障供电安全，其开关均选用断路器或带熔断器的负荷开关，且带有接地放电功能；同时，大容量的变压器均带有瓦斯油温等保护装置，使高压开关柜能够有效提供动力及电气保护。还有，在顶管施工现场，高压开关柜必须放于地面平稳可靠的地方，以确保其运行的稳定、安全。

矩形顶管施工的低压配电系统宜采用三相五线制形式，并从动力电源配电柜提供的电源，通过各漏电断路器、电气控制部件、变频器、电气保护部件能够输送至各个用电设备，实现主顶进油缸推动管节及机头顶进，同时在旋转刀盘切削、挤压下，将土体送至土仓。而顶管机中的大容量电机（如油泵、空气压缩机、螺旋输送机、注浆泵等）均采用放射式供电，其他负荷不大的可用树干式供电或链式供电。

控制系统则采用了可编程逻辑控制器（PLC）作为核心部件，在顶管施工中发挥着重要的作用。首先，利用模块化结构使安装在各设备的传感器能够将实时监测的数据传送至PLC；接着，PLC读取信息后及时将数据反馈给主控室；同时，PLC也接收操作员的指令；最后，完成顶管机的掘进、拼装任务。而传感控制系统主要由传感器和编码器等感应设备组合而成，对油缸压力、管路流量、机构角度等起监测作用，并为PLC提供检测数据，便于系统作出控制指令。此外，设备各处的电气控制柜则利用通信线与PLC进行连接，以及通过连接传感器和电磁阀等执行机构实现设备运作的控制。

2 矩形顶管机施工中供配电方式的选择

以往普通型顶管机施工的供配电方式，是从地面箱式变压器引入AC380V电源，通过始发井内低压配电柜接入两路电源至顶管机实施供电。（如图1所示）即一路是对机头内的旋转挖掘系统进行供配电；另一路是顶管机的主顶液压推进系统以及井口的中央控制系统（地面操作台远程控制机头的纠偏装置）进行供配电^[1]。但对矩形顶管机来讲，由于整体功率负荷较大，通常大于1000KVA，且机头设备负载也很多，电气系统也比较复杂。如果采用此种低压供配电方式，电源电缆就会承受巨大的供电电流，当压降过大时极易导致电缆发热烧毁，严重影响顶管机的正常工作。同时，在管片拼装过程中，必须转接多根大截面电缆，以致拖慢施工进度。故此，矩形顶管机须选用10KV高压放射式供电，以及3级用电负荷。

图1 普通型顶管机供配电示意图

基于矩形顶管机施工的特殊性和重要性，如果选用10kV高压双路供电方式，就需要分别接入两路10kV高压电源，再转接到顶管机头和其他施工设备。而外接的两路电源需要分开接入两个不同110KV系统变电所的10KV母线，或者分开接入同一110KV系统变电所的不同10KV母线，才能确保供配电的可靠性。但因10kV供电系统因素此种方式比较难实施，而选用联锁方式实现高压进线供电。即用母线分段带联络开关实现高压双路常供，当一路出现停电时，就会自动断开，合上母线联络开关，由另外一路高压电缆供电。不过，在实际操作中，通常会受条件限制而只能接入单母线进行两路供电。即在施工现场配置1台容量相当大的高压开关柜接入10kV高压电，然后通过变压器降压输出两路380V电源^[2]，一路主供矩形顶管机及顶进施工用电，另一路只供地面施工、辅助设备及办公等用电。为确保顶管施工用电安全，还可配置100kw柴油发电机和双电源联锁控制方式，当高压变电站发生故障断电或者外接电压太低需要应急的状态下，就可启动备用电源，实现两路进线一供一备，先断后通的不间断供电。（如图2所示）

图2 矩形顶管供配电系统示意图

3 大断面矩形顶管供配电系统优化设计方案

在城市地铁隧道及出入口通道工程中，选用的矩形顶管机截面通常很大（如管节有7700mm×4500mm或10400mm×7500mm），相应地电机功率和用电容量都比较多，顶管机自身又很重。以7700mm×4500mm矩形顶管机为例，顶力系统30KW×3×5=450kW；主顶液压站22kW×2=44kw，各个液压泵均为22kW；纠偏使用的千斤顶一般为20个，每个推力1200kN。如果采用上述的矩形顶管供配电方式，在拼装电缆转接时，至少要分别连接3根YCW-3×185 + 1×75电缆和1根YCW-3×150 + 1×50电缆，且伴随顶管机的顶进距离，电缆也要不断加长，造成施工电缆的存放方式和放线操作也会受到影响。如果采用电缆卷筒解决存放和放线问题，但顶管机的空间有限，无法摆放电缆卷筒。所以，为确保大断面矩形顶管供配电系统设计的合理性和可靠性，需要优化选用高压配电转接方式，使其更规范化及模块化，以及发挥电气系统在顶管机整个机电设备中的应有作用。

3.1 高压配电转接方式

为确保矩形顶管施工安全，先将施工现场外接的10kV高压电缆通过高压转接箱进行转接，然后再接入箱式变电站实施供电配送。同时，为方便高压转接箱的出线端适时拆卸，须安装高压重载连接器。当进行管片拼装时，能够随时将箱式变电站的电源断开，直接连接高压转接箱。而由于高压转接箱的开关操作和电缆拆卸比较频繁，需要设置机械互锁，断电时打开箱柜门或箱柜门关闭后方可通电，进而确保顶管施工的用电安全。

箱式变压站内设有变压器，将高压转接箱输送而来的10kV供电电压降至400V低压电，然后分成3～4路的低压配电线路，供电给机头内的运行电气设备。变压器应该选用2000kVA的干式变压器，以及2887A的二次绕组侧额定电流；还有，在变压器的前侧装设真空断路器和后端安装低压框架式断路器，以便更好地进行电压等级转换。

3.2 供配电系统框架

由于大断面矩形顶管机的负载主要来自于电机，其容量约占总供配电系统的3/4。所以，在对大断面矩形顶管机的供配电系统进行框架设计前，需要先根据各分系统的容量进行负载容量计算，进而验算该顶管机是否满足施工的用电需求。

大断面矩形顶管机根据各系统的负载容量大小将供配电系统分为两层：第一层是箱式变电站和低压配电柜，对于负载容量特别多的大刀盘系统、螺旋机和偏心刀盘系统（线路开关起码1250A）均由箱式变电站直接低压侧供电；其他所有系统则由低压配电柜提供电源，如果供配电系统运行超过4小时，需增设1个低压配电柜以及时配送电。而顶管开挖时的顶进系统无需通过箱式变电站，由施工现场的顶进动力站直接提供AC400V电压电源。第二层是分系统内的低压供配电，根据分系统负载容量情况分成若干个电气控制柜，如润滑系统、纠编系统、注浆系统及其他备用电。（如图3所示）

图3 大断面矩形顶管机供配电系统框架示意图

3.3 电气控制柜连接模式

大断面矩形顶管机施工的各个电气系统是按功能及机械结构进行布置，同时在每个系统中都会按需分配若干个电气控制柜。而电气控制柜的供配电方式，是从进线开始到电机、阀类和传感器等负载设备的整个电气回路。

（1）按不同电压等级进行连接。电气控制柜的进线电压均为AC400V，通过由三相变压器按需降压至供电等级。各电机设备和备用线路的供电都用AC400V，柜内照明、插座及阀类设备的供电需要AC220V（有些阀类设备只用AC110V），而传感器、PLC模块和小通径的阀组供电只需DC24V，可由开关电源或隔离变压器整流所得。

（2）对于电气回路，要先考虑电机这一负载的启动方式，然后铺设主回路，最后再控制回路。其他PLC和电磁阀等负载设备也按以上方式铺设。此外，每条电气回路上的电气元件，需按负载容量和控制方式进行严格选型。还要注意，所选用电气元件的电压等级、可持续最大电流等相关参数是否匹配，以及漏电保护装置在整个供配电系统中能否上下配合。

4 矩形顶管机电气安装注意事项

矩形顶管机除了供配电系统运行质量需要着重探究外，其电气安装也不可忽视。究其原因，如果顶管机在隧道开挖过程中，机电设备一旦出现短路、过载、缺相等问题，就有可能被逼中断顶进作业，施工任务也会受到影响^[3]。故此，矩形顶管机的电气安装工序也占据着重要的地位，务必严格按相关规范标准要求进行操作，才能够确保顶管机按时完成掘进任务。

4.1 顶管机设备用电容量

矩形顶管机的用电容量，施工前需要核算后才可以开展作业。这是因为即便其机身已标明相关的额定功率信息，在不同的施工条件下，顶管机的额定功率也有可能出现变动。故此，务必将其功率容量进行核算，才能够更好地为施工指挥控制室提供可靠的机电设备数据。

4.2 箱式变压器选址

由于地铁工程相关项目的施工现场规模通常都比较大，以致用电负荷相对较多。所以，供配电内部设置的箱式变压器在总配电枢纽中是至关重要的，其位置确定必须结合实际状况进行综合考虑。第一，要靠近外接电源；第二，须在负荷中心附近；第三，电源进、出线要方便；第四，选址道路要畅通；第五，周边环境要符合要求，灰尘、潮气、振动尽可能少，且不可有腐蚀介质、积水及易燃易爆物；第六，严禁在污染源的下风侧以及地处容易积水的正下方。

4.3 电线敷设

由于顶管机功率相当大，在起动时，必定会影响照明。所以，动力线和照明线必须严格分开。同时，埋设的电线须选取能够通过施工高峰期的最大用电量，且为方便修理和避免对其他的各类压力管线造成干扰，必须与管线保持安全距离。电线套管在地下埋深须≥0.6m，并且在其地面做好硬化措施，以及设置警示标志，以确保施工安全。

4.4 供配电系统开关

其一，分配电箱可选用HR5型隔离开关，在安全性能方面要比HD型石板开关高。此外，开关箱选用HK1或HK8型闸刀开关，是较为经济的。其二，断路器可选用NM1塑壳式空气开关或DZ47微型自动开关，价格不高，且体积小。其三，在进行三级配电、二级漏电保护时，由于二级配电系统通常已配置漏电开关，所以在开关箱的末端只需再安装漏电开关即可。也就是说，开关箱中的漏电开关动作时间比总配电箱中的漏电开关要短。

4.5 接地装置

系统接地措施通常采用变压器二次侧中性点接地，这样可以有效利用顶管机的大面积金属外壳作为接地点，与变压器中性点连接后，便实现了可靠的接地。还需注意接线方式不可采用串接，必须与隧道内所有电气设备的金属外壳（如电动机、配电箱柜的外壳）进行可靠接地。

另外，在二级、三级配电系统的重复接地方面，由于顶管施工始发井均为钢筋混凝土基础，同时隧道施工时的地下排污管以及地面到井下的顶管机循环水管等已经与始发井基础中钢筋连成一体，可以说是自然的接地体。所以，施工前只要用ZC-8型接地电阻仪进行测试，其重复接地值须≤10Ω，工作接地值须≤4Ω。还有，每个月实施严格检查或不定期抽查，保证重复接地线符合标准，以及TN-S系统正常运行。

4.6 照明

顶管机前端的土仓中，环境比较潮湿，如果操作人员在狭窄的空间里面极易触碰带电体而危及生命。所以，在进入土仓检查刀盘或更换刀具时，应用的照明用具电压须≤24V，同时灯具需带金属防护罩，禁止随便带AC220V防水荧光灯进入土仓进行作业。还有，在顶管施工的隧道内必须做好应急照明措施。每隔30环管片就装设应急照明灯，以便突然停电时能够保证隧道内的作业照明。此外，顶管机上已装有足够容量大的24V直流控制电源，不仅能够为照明提供电源，还可以作为土仓的照明回路。

4.7 连接线路

矩形顶管机内的所有元器件、模块之间连接的线路，如果在操作时接触不良或误操作导致线路短路，不仅影响PLC数据处理模块的传输质量，还有可能导致顶管机的供配电系统存在安全运行隐患。故此，在电气线路安装时，切记不可触彭到带电部件，并严格遵守 “先接线后通电，先接电路部件再接电源部件；先接主电路后接控制电路，再接其他电路；先断电后拆线”的操作规程。还有，线路接线时，务必先接负载端，后接电源端；先接接地端，后接三相电源相线。若一旦出现发热、发响、焦臭等异常现象，必须马上切断电源，保持现场，并向当班负责人汇报，及时查找原因制定解决方案。

5 总结

综上所述，矩形顶管机是运用多种先进技术和一系列电控配置实现自动化顶进的施工设备，其供配电系统必须根据项目实际状况需求，制定切实可行的电气运行框架，并严格控制电气安装的关键环节，才能够真正满足工程项目的安全、实用所需，进一步为创造良好的施工效益奠定基础。

参考文献

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