elec calc 電氣軟件在盾構機電氣系統設計中的應用

劉書兵1,2 趙圣國1 郇利民1 王冬梅1
（1.北(bei)方(fang)重工集(ji)團有限公(gong)司，沈(shen)陽 110141；2.全斷面掘(jue)進機國(guo)家重點實驗室，沈(shen)陽 110141）

摘要：Elec calc 軟件是法國 Trace Software 公司開發的一款電氣計算軟件。使用該軟件進行盾構機電氣系統設計和計算，可以大幅度提高了電氣設計效率，提高設計質量。

關(guan)鍵(jian)詞：盾構(gou)機；電氣計算(suan)；elec calc 電氣軟件(jian)

Application of Eleccalc Software in Electrical System Design of Shield Machine

Liu Shubing 1,2 Zhao shengguo 1 Huan limin 1 Wang Dongmei 1
(1. Northern Heavy Industries Group Co., Ltd.，Shenyang 110141；2.State Key Laboratory of Tunnel Boring Machine，Shenyang 110141）

Abstract：Elec calc is an electrical computing software developed by Trace Software. Using the software to design and calculate the electric system of shield machine, the efficiency of electric design can be greatly improved and the quality of design can be improved.

Keywords：shield machine；electrical calculation；elec calc software

盾構機作為一種集光、機、電、液、信息于一體的大型隧道施工專用設備，其電氣設備數量眾多且用電量大，在施工過程中經常發生電氣事故，導致電氣元件損壞或誤動作以及危及人員安全等問題。這些問題產生的原因，多數是因為電氣系統的設計不合理，或者是電氣系統可靠性較差。要保證盾構機電氣系統的合理性和可靠性，就必須對電氣系統進行負荷計算、變壓器型號選擇、無功補償設備、配電元器件整定及配合校驗、線路及保護管的選擇、短路校驗、電壓校驗、起動校驗等多項內容的計算。由于盾構機設備多、回路多、系統復雜、校驗項目多，使得這些計算成為盾構機電氣系統設計過程中最復雜和最煩瑣的一件工作。利用 elec calc 電氣軟件進行盾構機電氣系統參數計算，可以大幅度提高電(dian)氣設計效(xiao)率，提升設計質(zhi)量(liang)。

1 Elec calc 軟件簡介

elec calc 軟件是法國 Trace Software 公司開發的一款電氣計算軟件，可用于高低壓工業項目設計、選型和計算中，例如能源、基礎設施及重要設施等領域。使用 elec calc 軟件可以減少項目成本，縮短項目設計周期，并且通過不同相關標準確保項目安全性。該軟件主要功能及特點如下。

1.1 單線圖設計

軟件具備(bei)智(zhi)能(neng)感知和自動接線功能(neng)，這種(zhong)功能(neng)可(ke)以將下一(yi)步可(ke)能(neng)需要(yao)的(de)元件利用提(ti)示的(de)方(fang)式顯示，大(da)幅(fu)提(ti)高(gao)設計效率。能(neng)夠以圖標式提(ti)醒及錯(cuo)誤警告；不(bu)同供(gong)給網絡可(ke)用不(bu)同顏色區分；支持(chi) excel 表(biao)格輸入數據。

1.2 電源&負載計算

支(zhi)(zhi)持(chi)多(duo)種電(dian)源(yuan)供(gong)給及負(fu)載(zai)(zai)，可以基于具(ju)體參(can)數精確計(ji)算，例如根據環境參(can)數或電(dian)動機起動模式(shi)計(ji)算。具(ju)有功率平衡(heng)計(ji)算功能；支(zhi)(zhi)持(chi)多(duo)類型(xing)(xing)電(dian)源(yuan)：高壓(ya)、低壓(ya)電(dian)源(yuan)；變壓(ya)器(qi)；發電(dian)機，UPS 等等；支(zhi)(zhi)持(chi)多(duo)種類型(xing)(xing)負(fu)載(zai)(zai)計(ji)算，如電(dian)動機，插座，照明，電(dian)阻等；支(zhi)(zhi)持(chi)功率因數補償計(ji)算功能。

1.3 保護&診斷功能

軟(ruan)件具有多級診斷(duan)(duan)分(fen)析功(gong)能；自選(xuan)元件的(de)診斷(duan)(duan)分(fen)析功(gong)能；動態圖表功(gong)能。

1.4 電纜選型計算功能

軟(ruan)件能夠依據(ju) IEC 60364-5-52 標準進行電纜選型；依據(ju) IEC 60909 標準對部(bu)分量法進行短路(lu)電流計(ji)算；根據(ju)電壓(ya)降、載流量、短路(lu)電流及過載保(bao)護進行電纜選型；支持 TT, TN-S, TN-C, IT 接地系統(tong)；依據(ju) IEC 61800 標準總諧波失真計(ji)算。

1.5 文檔打印

可通(tong)過靈活(huo)的配置器自動生成文檔，依(yi)照設(she)計及計算(suan)結果(guo)全(quan)面且(qie)準確的生成計算(suan)報告(gao)書(shu)。

2 軟件使用方法

2.1 新建項目

打開軟件新建一(yi)個(ge)項目，在(zai)“工程管(guan)理(li)”窗口中選擇項目要(yao)執行的設(she)計標準，設(she)定海拔高度、氣(qi)溫和土壤環境(jing)參(can)數。由于盾構(gou)機(ji)工程一(yi)般不存在(zai)火災危(wei)險(xian)和爆炸危(wei)險(xian)，所以不需勾(gou)選“火災危(wei)險(xian)”和“爆炸危(wei)險(xian)”這兩(liang)個(ge)選項。在(zai)“客戶(hu)”、“設(she)計單位(wei)”、“文(wen)件”、“校審”和“修(xiu)訂”欄中輸入相關的項目信息(xi)后(hou)，點(dian)擊“創建”按鈕創建一(yi)個(ge)盾構(gou)機(ji)電氣(qi)系統(tong)項目。

圖1：工程管(guan)理(li)截面圖

2.2 電氣系統建模

軟(ruan)(ruan)(ruan)件(jian)具有智能設計和自動接線功能，系統模(mo)(mo)型只用(yong)拖/放的(de)方式(shi)即可(ke)快速完成建立(li)，圖形及(ji)元件(jian)由軟(ruan)(ruan)(ruan)件(jian)提供數據(ju)支持，同時支持用(yong)戶自制數據(ju)庫(ku)。建模(mo)(mo)區域可(ke)以采(cai)用(yong)柵格(ge)或網(wang)格(ge)背景(jing)，元件(jian)自帶智能連接點，鍵(jian)盤(pan)的(de)快捷鍵(jian)可(ke)以貫穿整個(ge)建模(mo)(mo)環節(jie)。另外，軟(ruan)(ruan)(ruan)件(jian)會根據(ju)當前(qian)鼠(shu)標(biao)選中的(de)元件(jian)自動推薦可(ke)能連接的(de)元件(jian)，實現快速、高效的(de)建模(mo)(mo)。在建模(mo)(mo)時應遵循下面幾個(ge)原則：

  1. 盾構機的低壓配電電壓應采用 220/380V，低壓配電系統的形式宜采用三相五線制供電，即接地方式采用 TN-S 系統。
  2. 一般來說，供電系統的配電方式分為放射式、樹干式和鏈式。當用電設備為大容量或負荷性質重要，或在有特殊要求的用電環境中，宜采用放射式配電方式。盾構機上推進油泵電動機、空氣壓縮機電動機、刀盤驅動電動機、螺旋輸送機的驅動電動機及注漿泵電動機等都采用放射式供電。照明系統由于燈具較快且容量很小，可采用鏈式配電方式。檢修插座箱宜采用樹干式配電方式。
  3. 盾構機中的電動機對電源電壓的波動較敏感，故應減少電動機起動時電壓的波動。對于容量較大的電動機（功率大于 30kW），在起動時應采用星-三角降壓啟動或軟啟動器起動的方式，如推進油泵電動機、螺旋油泵電動機等。小于 30kW 的電動機，采用直接起動的方式，如冷卻水泵電動機、潤滑油泵電動機等。對于在工作時需要調速的電動機，在起動時可以采用變頻起動，即起動時通過改變頻率來降低起動電流，增大起動轉矩，如刀盤驅動電機、膠帶運輸機等。在軟件中，可以很方便的對電動機的起動方式進行靈活選擇。
  4. 盾構機上用電設備的配電線路應按短路保護、過負載保護和接地故障保護。對于操作人員直接接觸的用電設備，所選斷路器應具有剩余電流動作保護功能，以確保在漏電故障情況下可靠切斷電源。
  5. 電纜的類型應按敷設方式及環境條件選擇。電纜應符合工作電壓的要求，導體的允許載流量不應小于線路的負荷計算電流；線變壓器低壓側母線至用電設備受電端的線路電壓損失，一般不超過用電設備額定電壓的 5%；電纜還應進行熱應力校驗。

由于盾(dun)(dun)構的工作環境潮濕，用(yong)電(dian)設備繁多，一旦發生漏電(dian)會對施工設備及人(ren)身(shen)安全產(chan)生危害，因此盾(dun)(dun)構各電(dian)氣設備應做等電(dian)位聯結。

2.3 參數輸入

完成電(dian)(dian)氣(qi)系(xi)統建模(mo)工(gong)作后，需要輸(shu)入高壓電(dian)(dian)源、變壓器、電(dian)(dian)動(dong)機(ji)插座等(deng)負載、發電(dian)(dian)機(ji)以(yi)及電(dian)(dian)纜等(deng)電(dian)(dian)氣(qi)元件的參(can)(can)數(shu)。單擊(ji)模(mo)型圖上元件的圖標(biao)，在(zai)左(zuo)下方的窗口中輸(shu)入元件的各項參(can)(can)數(shu)。以(yi)電(dian)(dian)動(dong)機(ji)為(wei)例(li)，在(zai)系(xi)統模(mo)型中選擇電(dian)(dian)動(dong)機(ji)圖標(biao)，在(zai)左(zuo)下角窗口中輸(shu)入電(dian)(dian)動(dong)機(ji)的額定功(gong)率、負荷系(xi)數(shu)、功(gong)率因數(shu)等(deng)參(can)(can)數(shu)。

圖2：參數輸入界面

然后(hou)點(dian)擊(ji)窗口(kou)中“詳細(xi)條(tiao)目(mu)”按(an)鈕，打開(kai)詳細(xi)參數(shu)輸入窗口(kou)，輸入電(dian)(dian)動(dong)(dong)機(ji)的允許的穩態壓降、最大起(qi)(qi)動(dong)(dong)壓降、額定轉(zhuan)(zhuan)速、起(qi)(qi)動(dong)(dong)轉(zhuan)(zhuan)矩倍數(shu)、起(qi)(qi)動(dong)(dong)電(dian)(dian)流倍數(shu)、起(qi)(qi)動(dong)(dong)時間、起(qi)(qi)動(dong)(dong)方式(shi)（直接起(qi)(qi)動(dong)(dong)、星三角、軟(ruan)起(qi)(qi)動(dong)(dong)）等詳細(xi)參數(shu)，并勾(gou)選“電(dian)(dian)機(ji)貢(gong)獻短(duan)路(lu)電(dian)(dian)流選項”，完成電(dian)(dian)動(dong)(dong)機(ji)的參數(shu)設置。

圖(tu)3：詳細參(can)數(shu)輸入界面

當上述(shu)電(dian)器元件(jian)的(de)主要(yao)參數(shu)輸入完畢后，選(xuan)中某一元件(jian)或回路(lu)，點擊軟件(jian)工(gong)具(ju)欄中的(de)“自動(dong)設計(ji)”按鈕(niu)，軟件(jian)將(jiang)自動(dong)進行設計(ji)和(he)相應計(ji)算(suan)機校驗。例如可(ke)以自動(dong)計(ji)算(suan)斷(duan)路(lu)器的(de)脫扣(kou)電(dian)流、曲線和(he)脫扣(kou)時間(jian)，可(ke)以自動(dong)計(ji)算(suan)電(dian)纜(lan)的(de)截面積。

2.4 負荷計算

盾構機負荷計(ji)算的(de)是確定變壓器(qi)容量(liang)、電(dian)氣保護裝(zhuang)置(zhi)、導(dao)線截(jie)面的(de)依據，也是合理地進行無(wu)功(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)率(lv)補償的(de)重要依據。軟件可(ke)顯示電(dian)源或(huo)母線的(de)單相(xiang)以及(ji)總(zong)的(de)視在功(gong)(gong)(gong)率(lv)、有功(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)率(lv)、無(wu)功(gong)(gong)(gong)功(gong)(gong)(gong)率(lv)、電(dian)流(liu)和功(gong)(gong)(gong)率(lv)因數等參數。當系統模型中發生任何變化(hua)時，功(gong)(gong)(gong)率(lv)平衡顯示都將實(shi)時更新(xin)，通(tong)過此功(gong)(gong)(gong)能，可(ke)以方(fang)便的(de)進行變壓器(qi)的(de)選(xuan)型，無(wu)功(gong)(gong)(gong)補償的(de)計(ji)算以及(ji)三相(xiang)平衡等。

2.5 短路電流計算

elec calc 基于 IEC 60909 標準(zhun)(zhun)進行短(duan)(duan)路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)計算。根據(ju)該標準(zhun)(zhun)的建(jian)議，采(cai)用對稱分量法進行計算。軟(ruan)件通過(guo)模型結合(he)表格(ge)的方式清晰顯示(shi)流(liu)入短(duan)(duan)路(lu)點(dian)的各(ge)支(zhi)路(lu)的短(duan)(duan)路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，包括最(zui)大短(duan)(duan)路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)（三相、兩(liang)相、相對中(zhong)性線和(he)單相接(jie)地短(duan)(duan)路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)）和(he)最(zui)小短(duan)(duan)路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)（兩(liang)相、相對中(zhong)性線和(he)單相接(jie)地短(duan)(duan)路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)）。單擊任(ren)意元件，均可顯示(shi)短(duan)(duan)路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。軟(ruan)件同(tong)時計算但不顯示(shi)峰值短(duan)(duan)路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，用戶在添加制造商產(chan)(chan)品后(hou)，軟(ruan)件將自動使用峰值短(duan)(duan)路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)校驗產(chan)(chan)品的接(jie)通能力。

2.6 保護選擇性

通(tong)(tong)過自動(dong)保護裝置來(lai)(lai)實現選擇(ze)性，發生故障時，由故障點最(zui)近的(de)保護裝置動(dong)作，其他保護裝置不動(dong)作，將故障影(ying)響(xiang)降至(zhi)最(zui)低，避免整(zheng)個系統(tong)斷(duan)(duan)電(dian)。在 elec calc 軟(ruan)件(jian)中(zhong)可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)通(tong)(tong)過時間電(dian)流(liu)曲線窗(chuang)(chuang)口(kou)(kou)來(lai)(lai)校驗(yan)回路(lu)(lu)設(she)置以(yi)(yi)(yi)及保護的(de)選擇(ze)性，時間電(dian)流(liu)曲線窗(chuang)(chuang)口(kou)(kou)中(zhong)可(ke)(ke)添(tian)加(jia)斷(duan)(duan)路(lu)(lu)器、熔斷(duan)(duan)器、電(dian)纜、熱繼電(dian)器、電(dian)動(dong)機以(yi)(yi)(yi)及變壓(ya)器等元件(jian)曲線。可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)在軟(ruan)件(jian)工具欄中(zhong)單擊“曲線”按鈕，打開曲線窗(chuang)(chuang)口(kou)(kou)。在窗(chuang)(chuang)口(kou)(kou)中(zhong)以(yi)(yi)(yi)依(yi)次(ci)添(tian)加(jia)回路(lu)(lu)的(de)各個元器件(jian)，通(tong)(tong)過查看整(zheng)個電(dian)動(dong)機回路(lu)(lu)所有(you)元件(jian)的(de)曲線來(lai)(lai)檢查元件(jian)的(de)設(she)置。也可(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)以(yi)(yi)(yi)相同的(de)方(fang)式來(lai)(lai)添(tian)加(jia)多(duo)個斷(duan)(duan)路(lu)(lu)器來(lai)(lai)校驗(yan)保護的(de)選擇(ze)性。

2.7 設備選型

軟件(jian)提(ti)供(gong)有西門子、施耐德、GE、ABB 等眾多(duo)世界知名電氣設備制(zhi)造商的產品數據(ju)庫。為了確保(bao)選(xuan)型(xing)數據(ju)準確性，軟件(jian)一直(zhi)(zhi)持續更新數據(ju)庫，可通(tong)過(guo)官網(wang)下載元件(jian)的詳(xiang)細資料(liao)。用戶可以根據(ju)軟件(jian)建議選(xuan)取合適的型(xing)號(hao)，非(fei)常方(fang)便快捷(jie)。軟件(jian)同時還支持用戶自定(ding)義(yi)產品數據(ju)庫，包含直(zhi)(zhi)接錄入(ru)和(he)修(xiu)改(gai)已(yi)有數據(ju)兩(liang)種方(fang)式。

2.8 工作模式模擬

elec calc 軟(ruan)件可以(yi)進(jin)行(xing)(xing)不(bu)同(tong)運(yun)行(xing)(xing)方(fang)(fang)式(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)模(mo)(mo)擬(ni)仿真。用(yong)戶(hu)通過在工作(zuo)(zuo)模(mo)(mo)式(shi)(shi)管(guan)理器里設(she)(she)置某模(mo)(mo)擬(ni)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)運(yun)行(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)式(shi)(shi)，設(she)(she)置每個(ge)方(fang)(fang)式(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)源和負荷分配。當系(xi)統發生任何變化時，所(suo)有(you)運(yun)行(xing)(xing)方(fang)(fang)式(shi)(shi)將重新(xin)計算。在盾構機供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)系(xi)統設(she)(she)計中(zhong)，一(yi)般來(lai)說有(you)兩種供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)模(mo)(mo)式(shi)(shi)，工作(zuo)(zuo)模(mo)(mo)式(shi)(shi)1為整個(ge)系(xi)統供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)，為正常運(yun)行(xing)(xing)方(fang)(fang)式(shi)(shi)。工作(zuo)(zuo)模(mo)(mo)式(shi)(shi)2為“應(ying)急供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)”模(mo)(mo)式(shi)(shi)，即當前供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)時，切換(huan)到應(ying)急發電(dian)(dian)(dian)供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)。用(yong)戶(hu)可通過軟(ruan)件工具欄中(zhong)“選擇顯(xian)示工作(zuo)(zuo)模(mo)(mo)式(shi)(shi)”按鈕(niu)來(lai)進(jin)行(xing)(xing)工作(zuo)(zuo)方(fang)(fang)式(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)切換(huan)，進(jin)行(xing)(xing)相應(ying)的(de)(de)(de)(de)計算，選擇合適的(de)(de)(de)(de)元件和設(she)(she)置最佳的(de)(de)(de)(de)參(can)數。此(ci)外(wai)，用(yong)戶(hu)還可以(yi)設(she)(she)置不(bu)同(tong)電(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)(de)(de)顏(yan)色，在進(jin)行(xing)(xing)工作(zuo)(zuo)模(mo)(mo)式(shi)(shi)模(mo)(mo)擬(ni)時就能清晰的(de)(de)(de)(de)查看不(bu)同(tong)運(yun)行(xing)(xing)方(fang)(fang)式(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)情(qing)況。

2.9 文件導出

elec calc 軟件支持(chi)一鍵自(zi)動(dong)生(sheng)成(cheng)計(ji)算(suan)報告(gao)，計(ji)算(suan)報告(gao)包含圖形、計(ji)算(suan)書(shu)、電(dian)纜表和(he)部分(fen)設備清單(dan)(dan)，可根據內容(rong)按位置分(fen)類需(xu)要生(sheng)成(cheng)不同的文(wen)檔。報告(gao)支持(chi)中、英、法(fa)、西、荷等(deng)多種語言。軟件可以導(dao)(dao)(dao)出(chu)供(gong)電(dian)系統(tong)的總單(dan)(dan)線(xian)圖和(he)分(fen)頁單(dan)(dan)線(xian)圖，支持(chi) DWG 和(he) PDF 兩種格(ge)式(shi)的單(dan)(dan)線(xian)圖導(dao)(dao)(dao)出(chu)。軟件還(huan)提(ti)供(gong)多種類型的表格(ge)模(mo)板，支持(chi)將電(dian)纜、電(dian)動(dong)機、元器件等(deng)計(ji)算(suan)、選型數據導(dao)(dao)(dao)出(chu)至 excel 中。

3 結論

盾(dun)構(gou)(gou)機電(dian)氣(qi)(qi)系統是為(wei)了(le)(le)給盾(dun)構(gou)(gou)機及其輔助設(she)備提(ti)供動力和(he)電(dian)氣(qi)(qi)保(bao)護，并且控制設(she)備運轉，因此電(dian)氣(qi)(qi)系統的(de)各項參數計(ji)算至關(guan)重要，必(bi)須經過科學計(ji)算，才能保(bao)證盾(dun)構(gou)(gou)機安全、穩(wen)定的(de)運行。該軟件已在(zai)我公司的(de)多(duo)個項目(mu)中得到了(le)(le)應(ying)用，大大提(ti)高了(le)(le)設(she)計(ji)者的(de)工作效率，加快(kuai)了(le)(le)設(she)計(ji)進(jin)程，提(ti)高了(le)(le)設(she)計(ji)質量，為(wei)公司提(ti)高市場競爭力奠定了(le)(le)很好的(de)基礎。

參考文獻

[1] 李中山,馬立明(ming),李敏霞,馬懷祥.盾(dun)構的(de)電氣(qi)系統可靠(kao)性分析(xi)[J]. 筑(zhu)路(lu)機(ji)械與施工機(ji)械化,2009,26(08):21-25+8.

[2] 李中山,許鳴(ming)珠.盾構(gou)的供電電系統(tong)合理性(xing)及可靠性(xing)分析[J].建(jian)筑機械,2009(05):61-64+68.

作者簡介
劉書兵（1976-），男，遼(liao)寧(ning)沈陽人(ren)，高級工(gong)程師，主要從事盾構(gou)機(ji)的電(dian)氣及自(zi)動控制系統研發設計工(gong)作(zuo)。

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試(shi)用 elec calc 電氣(qi)軟件