盾构机电气设备及元器件基础知识

盾构机电气设备及元器件基础知识培训
培训师介绍课程背景学习目标课程结构课堂规则为什么会有这堂课？
盾构电气系统庞大而复杂，为了更好的理解电气系统，首先要对组成电气系统的电气设备及元器件有一定认识。

所以我开发了这样一个课程，介绍了各类电气设备及元器件的功能和特性，期望对大家有所帮助。

培训师介绍课程背景学习目标课程结构课堂规则培训完成后，我们将要做到：
1.能够陈述各类电气设备及元器件的功能。

2.能够了解各类电气设备及元器件的特性。

培训师介绍课程背景
学习目标课程结构课堂规则
本课程大纲如下：
培训师介绍课程背景学习目标课程结构课堂规则学习过程中，遵守以下规则：
1.请关闭移动电话或设定静音状态；
2.上课中请勿走动、交谈、接听电话；
3.提供真诚的反馈意见；
4.要收获有多少，全看你投入有多深；
5.多互动，多交流，多提问题；
6.信奉“三开原则”：开心、开放、开悟。

01供配电系统
隧道内电缆，一次供电
10000V AC
大功率主驱动供电690V AC
照明/冷却220V AC 动力供电，电动机
400V AC
控制供电24VDC
掘进机中有哪些常见的电压等级？照明/泡沫系统24VAC
10VDC
电位计
定义：用来变换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。

油浸式变压器干式变压器
油浸式变压器是将变压器的器身浸泡在绝缘油里，依靠油箱上的散热片与外界交换热量，将变压器的热量带走。

大容量的变压器油箱装有油泵，将油箱内的热油抽出，与专用的散热装置交换热量，再将冷油送入油箱，如此循环，达到冷却变压器的目的。

油浸式变压器
干式变压器就是指铁芯和绕组不浸泡在绝缘油中的变压器。

冷却方式分为自然空气冷却(AN)和强迫空气冷却(AF)。

干式变压器主要分为开启式、封闭式、浇注式三种形式。

开启式：一种常用的形式，其器身与大气直接接触，适应于比较干燥而洁净的室内。

封闭式：器身处在封闭的外壳内，与大气不直接接触(由于密封、散热条件差，主要用于矿用，属于防爆型)。

浇注式：用环氧树脂或其它树脂浇注作为主绝缘，它结构简单、体积小。

干式变压器
序号油浸式变压器干式变压器
1变压器油具有可燃性,当遇到火焰时可能会燃烧、
爆炸
安全，防火，无污染，可直接运行于负荷中心
2油浸式变压器密封性能不良且宜老化,在运行场所
渗漏油严重,影响设备安全运行
热稳定性好，可靠性高，使用寿命长
3
变压器油需定期检查低损耗，低噪音，节能效果明显，免维护
4变压器油对人体有害散热性能好，过负载能力强，强迫风冷时可提高
容量运行
5油浸式变压器绝缘等级低,按A级绝缘设计、制造防潮性能好，适应高湿度和其他恶劣环境中运行
干式变压器可配备完善的温度检测和保护系统。

采用智能信号温控系统，可自动检测和巡回显示
三相绕组各自的工作温度，可自动启动、停止风
机，并有报警、跳闸等功能设置。

变压器的前端必须有进线开关，用来切断、隔离和保护变压器。

隔离设备是隔离开关，保护设备可以是负荷开关+熔断器，也可以是断路器，或者是它们的组合柜。

隔离开关负荷开关断路器
隔离开关
定义：
用于各级电压，用作改变电路连接或使线路或设备与电源隔离。

特点：
1）隔离开关没有灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路。

2）分位置时，触头间有符合规定要求的绝缘距离和明显的断
开标志；在合位置时，能承载正常回路条件下的电流及在规定时间内异常条件（短路）下的故障电流。

定义：
负荷开关是介于断路器和隔离开关之间的一种开关电器，具有简单的灭弧装置，能切断额定负荷电流和一定的过载电流，但不能切断短路电流，一般将负荷开关与高压熔断器配合使用，利用熔断器切断短路电流，代替断路器，又称“负熔开关”。

负荷开关
定义：
断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件(包括短路条件)下的电流的开关装置。

作用：
切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大，保证安全运行。

对于10kV 以上的断路器，按灭弧方式不同，一般分为SF 6和真空断路器两种。

断路器
SF 6断路器
真空断路器
断路器
SF6断路器真空断路器
结构紧凑，体积小，重量轻
结构复杂、维修复杂、需要定期检查
SF6气体泄漏情况
绝缘性能强适用于频繁操作，寿命长，维护量小
灭弧能力强防燃、防爆不环保，气体泄漏对人体有害环保、无污染
生产技术要求较高可靠性高
开断能力强，允许连续开断次数较多分断大电流能力不强，一般只用在
35kV以下的电压等级
常用于户外主要用于户内
定义：
箱式变压器是一种高压开关设备、配电变压器和低压配电装置，按一定接线方案排成一体的工厂预制户内、户外紧凑式配电设备，即将高压受电、变压器降压、低压配电等功能有机地组合在一起，安装在一个防潮、防锈、防尘、防鼠、防火、防盗、隔热、全封闭、可移动的钢结构箱体内，机电一体化，全封闭运行，箱式变压器又叫预装式变电站。

a.功率因数愈低则电力损失也愈大；
b.电压降也愈大；
c.增加了设备容量与电力损耗；
d.增加用户的运行费用(电费)；
电力部门规定大容量用户必须保证功率因数在0.9以上，其他用户应
保证在0.85以上。

若达不到以上规定，必须装设电容补偿设备。

电容器补偿容量的确定：
已知负荷有功功率P，补偿前功率因数COSφ1，需提高功率因数到COSφ2，所需电容器的容量Q为：Q=P×(tan arccosφ1- tan arccosφ2) (Kvar)
例：cosφ1=0.6， cosφ2=0.9，P=1000KW，则
Q=1000×(tan arccos0.6- tan arccos0.9)=1000×(1.33-0.48)=850Kvar
低压配电和控制设备
定义：
低压断路器又称自动空气开关或自动空气断路器，简称断路器。

它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。

它可用来分配电能，，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等组合，并且在分断故障电流后不需要更换零部件。

断路器
(1)框架式断路器
框架式低压断路器，又称万能式自动开关。

由于其保护方案和操
作方式较多，装设地点也较灵活，故名为“万能式”或“框架式”开关。

框架式断路器适用于额定电流至4000A 、额定工作电压1150V(壳
架等级额定电流630A 及以下)或 380V(壳架等级额定电流1000A 及以下)
的配电网络中，用来分配电能和作供电线路及电源设备的过载、欠电压、
短路保护之用。

断路器
(2)塑壳断路器
塑料外壳式低压断路器，又称装置式自动开关，其全部机构和导
电部分都装设在一个塑料外壳内，但在壳盖中央露出操作手柄，供手
动操作之用。

塑壳断路器是将触头、灭弧室、脱扣器和操作机构等都装在一个
塑料外壳内，一般不考虑维修，适用于作支路的保护开关，过电流脱
扣器有热磁式和电子式两种，一般热磁式塑壳断路器为非选择性断路
器，仅有过载长延时及短路瞬时两种保护方式，电子式塑壳断路器有
过载长延时、短路短延时、短路瞬时和接地故障四种保护功能。

断路器
(3)电动机保护断路器
电动机保护断路器是塑壳断路器的一种，是鼠笼型异步电动机在启动、运行和
运不可缺或的保护电器之一。

电动机保护断路器采用热磁脱扣器，具有过载长延时和
短路瞬时保护功能。

电动机保护断路器通常根据三相异步电机的额定电流，制成了不同电流等级的
模块，模块系列与电动机的功率等级匹配，因此其保护值及保护时间均不可调，短路
保护的整定值为12倍电机额定电流。

断路器
断路器
(4)微型断路器
微型断路器，简称MCB (Micro Circiut Breaker )，是建筑电气终端配电装置引中使用最广泛的一种终端保护电器。

用于125A以下的单相、三相的短路、过载、过压等保护，包括单极1P，二极2P、三极3P、四极4P等四种。

断路器
微型断路器都已经做成模数化，可以自由组合，并且附件丰富，特别是断路器与漏电保护器模块组合，可以实现短路、过载、漏电保护。

微型断路器的整定值和时间均不可调，但是有多种脱扣特性可供选择。

序号特性类型适用场合
1B适用于对纯阻性负荷和低感照明系统提供线路保护
2C适用于对感性负荷和高感照明系统提供线路保护
3D适用于对高感性负荷和有较大冲击电流产生的配电系统提
供线路保护
4K适用于对电动机系统及变压器配电系统提供可靠保护
接触器
定义：
接触器是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。

接触器由电磁系统、触头系统和灭弧装置组成。

其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作，常开触头闭合。

当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常开触头断开。

接触器的触头包括主触头和辅助触头。

主触头允许通过较大的电流，起接通和切断主电路的作用，通常以主触头允许通过的最大电流(即额定电流)作为接触器的技术参数之一。

辅助触头只允许通过较小的电流，使用时一般接在控制电路中。

接触器
接触器
接触器主触点接触器线圈
软启动器
电动机直接全压启动的危害引起电网电压波动，影响
同电网其它设备的运行。

伤害电机绝缘，降低电机寿命。

电动力对电机的伤害
对机械设备的伤害
软启动器
优势：
软启动时，启动电流一般为额定电流的2~3倍，电网电压波动率一般在10%以内，对其它设备的影响非常小。

软启动时，最大电流降低一半左右，瞬间发热量仅为直接启动的1/4左右，绝缘寿命会大大延长，对电机的冲击力也大大减轻；软起时电机端电压可以从零起调，可完全免除过电压伤害。

定义：
继电器是一种电控制器件，是当输入量(激励
量)的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使
被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。

它具有控
制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)
之间的互动关系。

通常应用于自动化的控制电路中，
它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自
动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、
转换电路等作用。

继电器
继电器
(1)中间继电器
中间继电器的结构和工作原理与交流接触器基本相同，主要区别是触点数目多，由于触头没有灭弧装置，因此触头容量小，只允许通过小电流。

在选用中间继电器时，主要是考虑电压等级和触头数目。

继电器
(2)热继电器
热继电器主要用来对异步电动机进行过载保护，其工作原理是过载电流通过热元件后，使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将电动机控制电路断开，实现电动机断电停车，起到过载保护的作用。

由于双金属片受热弯曲过程中，热量的传递需要较长的时间，因此，热继电器不能用作短路保护，而只能用作过载保护。

(3)安全继电器
“安全继电器”并不是“没有故障的继电器”，而是发生故障时做出有规则的动作，它具有强制导向接点结构，万一发生接点熔结现象时也能确保安全。

这一点同一般继电器完全不同。

根据不同保护等级的机械，需要选择不同安全继电器。

对安全电路的要求： a.在紧急停止解除时，机器不能出现突然再启动 b.万一机器安全电路发生故障时，可以停止机器动力电源 c.安全电路发生故障时，机器不能再启动
继电器
开关电源
开关电源就是通过控制电路，驱动电子开关器件不停地“接通”和“关断”，对输入电压进行脉冲调制，从而实现AC / DC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压的电源装置。

电子开关器件有晶体管、场效应管、可控硅闸流管、IGBT等。

开关电源
工作原理
a.将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

b.将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

c.将斩波后的高频脉冲，转换成满足输出电压的高频脉冲。

d.将变压器输出的高频脉冲整流成直流，提供稳定可靠的直流电源。

电流分配器是穆尔(murr)电子公司的用于24V DC 应用的智能电流分
配器模块。

MICO Basic 模块监测电流分配并且以最大程度延迟关机、必
要时及时开机的方式应对短路情况。

MICO Basic 可以保护许多有相似需
求的传感器和执行器。

电流范围可以预设2,4或者6、10A 值，模块监测四
通道。

电流分配器类似于直流断路器的功能，保护后可以复位，但保护
值可以灵活设置，同一个模块可以用在不同的负载回路中。

电流分配器
变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率
均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置。

随着对自动化需求的增加，
变频器控制的三相交流电机慢慢成为自动加工设备的标准配置。

交流调速正慢
慢取代直流调速。

优势：
a.平滑软启动，降低启动冲击电流，确保电机安全
b.风机、水泵能耗按速度的立方递减
c.高精度宽范围的无级调速，变传统电机为智能电机
d.非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制
盾构中变频器常见于主驱动系统，用于精确调节电机转速与转矩。

变频器
电机是一种其工作原理基于电磁感应定律和电磁力定律之上，实现机电能量转换或电能特性变换的机械，具有电能生产、传输和使用或者作为电量之间、电量和机械量之间的变换器的功能，是工业、农业、交通运输业和家用电器的重要组成部分。

主要技术参数：
额定功率PN (kW) ：额定运行时轴端输出的机械功率
额定电压UN (V) ：额定运行时定子绕组的线电压
额定电流IN (A)：额定电压下运行，输出功率为额定值时，定子绕组的线电流额定频率fN (Hz) ：定子的电源频率
额定转速nN (r/min) ：额定运行时转子的转速
电缆是由一根或多根相互绝缘的导体和外包绝缘保护层制成，将电力或信息从一处传输到另一处的导线。

电缆故障接触电阻变大，导致严重发热.
电缆接头故障电缆选型不当，
加速电缆老化过负荷运行
一般发生在直埋或排管里的电缆
接头处电缆直接埋在有酸碱作用的地区相当多的电缆故障都是由于机械损伤引起的外力损伤绝缘受潮化学腐蚀
载流量
电缆的载流量即电缆允许通过的额定电流。

电缆的载流量受电缆截面积、电缆导体类型、敷设方式、环境温度等的影响，电缆截面积越小，其单位截面积的载流量越大；环境温度越低，电缆载流量越大。

在选用电缆时，不同截面积的电缆载流量，均应查询电缆手册。

工程上，一般采用经验值。

如下口诀：
“铝芯绝缘线载流量与截面的倍数关系：
10下五，100上二，
25、35，四、三界，70、95，两倍半。

穿管、温度，八、九折。

裸线加一半。

铜线升级算”。

载流量
02控制系统
PLC(可编程控制器)
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序
的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC的组成如图所示，PLC的各组成部分均已做成模块，可以灵活配置，包括：电源模块、CPU模块、I/O模块、通信接口模块等等。

接近开关又称无触点接近开关，是一种无需与运动部件直接接触而可以准确反应出运动机构的位置和行程。

当物体离接近开关的感应面达到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机（plc)装置提供控制指令。

接近开关是种开关型传感器（即无触点开关），它既有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。

产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。

在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节等。

接近开关的负载可以是信号灯、继电器线圈或可编程控制器PLC 的数字量输入模块。

PLC 数字量输入模块一般可分为两类：一类的公共输入端为电源正极，电流从输入模块流出，此时，一定要选用NPN 型接近开关；另一类的公共输入端为电源负极，电流流入输入模块，此时，一定要选用PNP 型接近开关。

接近开关
温度传感器
温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

温度传感器
(1)热电阻传感
金属随着温度变化，其电阻值也发生变化。

对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。

电阻共有两种变化类型：
a.正温度系数
温度升高 = 阻值增加
温度降低 = 阻值减少
b.负温度系数
温度升高 = 阻值减少
温度降低 = 阻值增加
温度传感器
(2)热电偶传感
热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。

再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。

由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。

不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。

热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。

对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏/℃之间。

由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。

也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。