elec calc 软件在盾构机电气系统设计中的应用
刘书兵， 赵圣国 ，郇利民，王冬梅
（1.北方重工集团有限公司，沈阳 110141；2.全断面掘进机国家重点实验室，沈阳 110141）
摘要 elec calc 软件是法国 Trace Software International 公司开发的一款电气计算软件。使用该软件进行盾构机电气系统设计和计算，可以大幅度提高了电气设计效率，提高设计质量。
关键词：盾构机；电气计算；elec calc 软件
Application of Eleccalc Software in Electrical System Design of Shield Machine
Liu Shubing， Zhao shengguo， Huan limin， Wang Dongmei
(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 International. 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
盾构机作为一种集光、机、电、液、信息于一体的大型隧道施工专用设备，其电气设备数量众多且用电量大，在施工过程中经常发生电气事故，导致电气元件损坏或误动作以及危及人员安全等问题。这些问题产生的原因，多数是因为电气系统的设计不合理，或者是电气系统可靠性较差[1]。要保证盾构机电气系统的合理性和可靠性就必须对电气系统进行负荷计算、变压器型号选择、无功补偿设备、配电元器件整定及配合校验、线路及保护管的选择、短路校验、电压校验、起动校验等多项内容的计算。由于盾构机设备多、回路多、系统复杂、校验项目多，使得这些计算成为盾构机电气系统设计过程中最复杂和最烦琐的一件工作。利用 elec calc电气软件进行盾构机电气系统参数计算，可以大幅度提高了电气设计效率，提高设计质量。
1. elec calc 软件简介
elec calc 软件是法国 Trace Software International 公司开发的一款电气计算软件，可用于高低压工业项目设计、选型和计算中，例如能源，基础设施及重要设施等领域。使用 elec calc 软件可以减少项目成本，缩短项目设计周期，并且通过不同相关标准确保项目安全性。该软件主要功能及特点如下。
1.1 单线图设计
软件具备智能感知和自动接线功能，这种功能可以将下一步最可能需要的元件利用提示的方式显示，大幅提高设计效率。能够以图标式提醒及错误警告；不同供给网络可用不同颜色区分；支持 excel表格输入数据。
1.2 电源&负载计算
支持多种电源供给及负载，可以基于具体参数精确计算，例如根据环境参数或电动机起动模式计算。具有功率平衡计算功能；支持多类型电源：高压、低压电源,变压器，发电机，UPS 等等；支持多种类型负载计算，如电动机，插座，照明，电阻等；支持功率因数补偿计算功能。
1.3 保护&诊断功能
软件具有多级诊断分析功能；自选元件的诊断分析功能；动态图表功能。
1.4 电缆选型计算功能
软件能够依据 IEC 60364-5-52 标准进行电缆选型；
依据 IEC 60909 标准对称分量法进行短路电流计算；
根据电压降，载流量，短路电流及过载保护进行电缆选型；
支持 TT，TN-S，TN-C，IT 接地系统；
依据 IEC 61800 标准总谐波失真计算。
1.5 文档&打印
可通过灵活的配置器自动生成文档，依照设计及计算结果全面且准确的生成计算报告书。
2. 软件使用方法
2.1 新建项目
打开软件新建一个项目，在“工程管理”窗口中选择项目要执行的设计标准，设定海拔高度、气温和土壤环境参数，如图 1 所示。由于盾构机工程一般不存在火灾危险和爆炸危险，所以不需勾选“火灾危险”和“爆炸危险”这两个选项。在“客户”、“设计单位”、“文件”、“校审”和“修订”栏中输入相关的项目信息后，点击“创建”按钮创建一个盾构机电气系统项目。
图1 工程管理界面图
2.2 电气系统建模
软件具有智能设计和自动接线功能，系统模型只用拖/放的方式即可快速完成建立，图形及元件由软件提供数据库支持，同时支持用户自制数据库。建模区域可以采用栅格或网格背景，元件自带智能连接点，键盘的快捷键可以贯穿整个建模环节。另外，软件会根据当前鼠标选中的元件自动推荐可能连接的元件，实现快速、高效的建模。
在建模时应遵循下面几个原则：
- 盾构机的低压配电电压应采用 220/380V，低压配电系统的形式宜采用三相五线制供电，即接地方式采用 TN-S 系统。
- 一般来说，供电系统的配电方式分为放射式、树干式和链式。当用电设备为大容量或负荷性质重要，或在有特殊要求的用电环境中，宜采用放射式配电方式。盾构机上推进油泵电动机、空气压缩机电动机、刀盘驱动电动机、螺旋输送机的驱动电动机及注浆泵电动机等都采用放射式供电。照明系统由于灯具彼此相距很近，并且容量很小可采用链式配电方式。检修插座箱宜采用树干式配电方式[2]。
- 盾构机中的电动机对电源电压的波动较敏感，故应减小电动机起动时电压的波动。对于容量较大的电动机（功率大于 30kW），在起动时应采用星一三角降压起动或软起动器起动的方式，如推进油泵电动机、螺旋油泵电动机等等。小于 30kW的电动机，采用直接起动的方式，如冷却水泵电动
机、润滑油泵电动机等。对于在工作时需要调速的电动机，在起动时可以采用变频起动，即起动时通过改变频率来降低起动电流，增大起动转矩，如刀盘驱动电机、胶带运输机等。在软件中，可以很方便的对电动机的起动方式进行灵活选择。 - 盾构机上用电设备的配电线路应装设短路保护、过负载保护和接地故障保护。对于操作人员直接接触的用电设备，所选断路器应具有剩余电流动作保护功能，以确保在漏电故障情况下可靠切断电源。
- 电缆的类型应按敷设方式及环境条件选择。电缆应符合工作电压的要求，导体的允许载流量不应小于线路的负荷计算电流；线变压器低压侧母线至用电设备受电端的线路电压损失，一般不超过用电设备额定电压的 5%；电缆还应进行热应力校验。由于盾构的工作环境潮湿，用电设备繁多，一旦发生漏电会对施工设备及人身安全产生危害，因此盾构各电气设备应做等电位联结。
2.3 参数输入
完成电气系统建模工作后，需要输入高压电源、变压器、电动机插座等负载、发电机以及电缆等电气元件的参数。单击模型图上元件的图标，在左下方的窗口中输入元件的各项参数。本文以电动机为例进行说明，在系统模型中选择电动机图标，在左下角窗口中输入电动机的额定功率、负荷系数、功率因数等参数，如图 2 所示。
图2 参数输入界面
然后点击窗口中“详细条目”按钮，打开详细参数输入窗口，如图 3 所示。在这个窗口中输入电动机的允许的稳态压降、最大起动压降、额定转速、起动转矩倍数、起动电流倍数、起动时间、起动方式（直接起动、星三角、软起动）等详细参数，并勾选“电机贡献短路电流选项”，完成电动机的参数设置。
图3 详细参数输入界面
当上述电器元件的主要参数输入完毕后，选中某一元件或回路，点击软件工具栏中的“自动设计”按钮，软件将自动进行设计和相应计算机校验。例如可以自动计算断路器的脱扣电流、曲线和脱扣时间，可以自动计算电缆的截面积。
2.4 负荷计算
盾构机负荷计算的目的是确定变压器容量、电气保护装置、导线截面的依据，也是合理地进行无功功率补偿的重要依据。软件可显示电源或母线的单相以及总的视在功率、有功功率、无功功率、电流和功率因数等参数。当系统模型中发生任何变化时，功率平衡显示都将实时更新，通过此功能，可以方便的进行变压器的选型，无功补偿的计算以及三相平衡等。
2.5 短路电流计算
elec calc 基于 IEC 60909 标准进行短路电流计算。根据该标准的建议，采用对称分量法进行计算。软件通过模型结合表格的方式清晰显示流入短路点的各支路的短路电流，包括最大短路电流（三相、两相、相对中性线和单相接地短路电流）和最小短路电流（两相、相对中性线和单相接地短路电流）。单击任意元件，均可显示短路电流。软件同时计算但不显示峰值短路电流，用户在添加制造商产品后，软件将自动使用峰值短路电流校验产品的接通能力。
2.6 保护选择性
通过自动保护装置来实现选择性，发生故障时，由故障点最近的保护装置动作，其他保护装置不动作，将故障影响降至最低，避免整个系统断电。在 elec calc 软件中可以通过时间电流曲线窗口来校验回路设置以及保护的选择性，时间电流曲线窗口中可添加断路器、熔断器、电缆、热继电器、电动机以及变压器等元件曲线。可以在软件工具栏中单击“曲线”按钮，打开曲线窗口。在窗口可以依次添加回路的各个元器件，通过查看整个电动机回路所有元件的曲线来检查元件的设置。也可以以相同的方式来添加多个断路器来校验保护的选择性。
2.7 设备选型
软件提供有西门子、施耐德、GE、ABB 等众多世界知名电气设备制造商的产品数据库。为了确保选型数据准确性，软件一直持续更新数据库，可通过官网下载元件的详细资料。用户可以根据软件建议选取合适的型号，非常方便快捷。软件同时还支持用户自定义产品数据库，包含直接录入和修改已有数据两种方式。
2.8 工作模式模拟
elec calc 软件可以进行不同运行方式的模拟仿真。用户通过在工作模式管理器里面设置来模拟不同的运行的方式，设置每个方式的供电电源和负荷分配。当系统发生任何变化时，所有运行方式将重新计算。
在盾构机供电系统设计中，一般来说有两种供电模式:
工作模式 1 为整个系统由市电供电，为正常运行方式。
工作模式 2 为“应急供电”模式，即当市电停止供电时，切换到应急发电机供电。
用户可通过软件工具栏中 “选择显示工作模式”按钮来进行工作方式的切换，进行相应的计算，选择合适的元件和设置最佳的参数。此外，用户还可以设置不同电源的颜色，在进行工作模式模拟时就能清晰的查看不同运行方式的供电情况。
2.9 计算报告及文件导出
elec calc 软件支持一键自动生成计算报告，计算报告包含图形、计算书、电缆表和部分设备清单，可根据内容按位置分类需要生成不同的文档。报告支持中、英、法、西、荷等多种语言。软件可以导出供电系统的总单线图和分页单线图，支持 DWG 和 PDF 2 种格式的单线图导出。软件还提供多种类型的表格模板，支持将电缆、电动机、元器件等计算、选型数据导出至 excel 中。
3 结论
盾构机电气系统是为了给盾构机及其辅助设备提供动力和电气保护，并且控制设备运转，因此电气系统的各项参数计算至关重要，必须经过科学计算，才能保证盾构机安全、稳定的运行。该软件己在我公司的多个项目中得到了应用，大大提高了设计者的工作效率，加快了设计进程，提高了设计质量，为公司提高市场竞争力奠定了很好的基础。
参考文献
[1] 李申山,马立明,李敏霞,马怀祥.盾构的电气系统可靠性分析 [J]. 筑路机械与施工机械化,2009,26(08):21-25+8。
[2] 李申山,许鸣珠.盾构的供配电系统合理性及可靠性分析[J].建筑机械,2009(05):61-64+68.
作者简介
刘书兵（1976-），男，辽宁沈阳人，高级工程师，主要从事盾构机的电气及自动控制系统研发设计工作。
