斜井TBM的安全供电控制系统及方法、斜井TBM与流程

本发明涉及隧道掘进机，特别地，涉及一种斜井tbm的安全供电控制系统及方法，另外，还特别涉及一种采用上述安全供电控制系统的斜井tbm。

背景技术：

1、全断面硬岩隧道掘进机(tbm，tunnel boring machine)是集机、电、液、光、气等系统于一体的大型隧道施工装备，可用于掘进、支护、出渣等施工工序并进行连续作业，具有掘进速度快、环保、综合效益高等优点，随着tbm在中国铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞工程中应用迅猛增长，采用tbm进行大坡度斜井隧道施工逐渐成为一种新思路。电气系统作为斜井tbm的动力源头与控制中心，是整机的重要组成部分，直接决定了斜井tbm能否正常运转。目前，考虑到大坡度斜坡掘进时斜井tbm可能出现溜滑的特点，对斜井tbm的机械结构进行了优化，在斜井tbm上设计了撑靴装置、防滑装置等机械部件。由于电气系统对整机的动力和控制都起着决定性作用，一旦电气系统断电失效，斜井tbm上的各机械部件将面临无法动作，若此时撑靴装置处于未撑紧洞壁的状态，则极有可能造成设备下滑，危害人机安全。当前，针对电气系统可能断电失效的情况，主要采取了人工切换备用电源的方法，在斜井tbm断电后，工人操作启动备用电源，然后启动撑靴装置并控制撑靴装置撑紧洞壁，但这一系列操作与操控人员的反应速度、经验水平有关，受人为因素影响较大，并不完全可靠，不能确保万无一失。另外，当市电出现短时频繁断电时，需要频繁切换备用电源供电，缩短了备用电源的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明提供了一种斜井tbm的安全供电控制系统及方法、斜井tbm，以解决现有斜井tbm在断电后需人工启动备用电源供电，导致无法保证供电可靠性，以及频繁切换备用电源供电导致备用电源使用寿命短的技术问题。

2、根据本发明的一个方面，提供一种斜井tbm的安全供电控制系统，包括市电和备用电源，市电和备用电源均与变配电站电性连接，变配电站分别与洞口配电柜、tbm配电柜和变频系统电性连接，还包括电源转换装置一、电源转换装置二、电源转换装置三、蓄电池一、蓄电池二和电池包，所述电源转换装置一分别与市电和变配电站电性连接，所述电源转换装置二分别与备用电源、变配电站和洞口配电柜电性连接，所述电源转换装置三分别与tbm配电柜、电池包、主撑靴泵的电机、控制系统电性连接，所述蓄电池一与控制室和急停系统电性连接，所述蓄电池二和电池包与控制系统电性连接，电源转换装置一、电源转换装置二、电源转换装置三均与控制系统电性连接，三个电源转换装置用于根据控制系统下发的控制指令切换供电电源；

3、当市电正常供电时，控制系统控制电源转换装置一的开关均闭合，控制电源转换装置二的备用电源侧开关断开、其余侧开关闭合，控制电源转换装置三的电池包侧开关断开、其余侧开关闭合，蓄电池一、蓄电池二和电池包均处于充电状态；

4、当市电断电时，蓄电池一为控制室和急停系统自动供电，蓄电池二给控制系统自动供电，控制系统先控制电源转换装置三的tbm配电柜侧开关断开、其余侧开关闭合，再控制电池包放电以驱动主撑靴泵的电机工作，并控制撑靴伸出阀得电，然后计算备用电源的启用时间，当市电断电时间未超过备用电源的启用时间时，控制备用电源不启用，即时恢复市电供电，当市电断电时间超过备用电源的启用时间时，控制电源转换装置一的市电侧开关断开、其余侧开关闭合，控制电源转换装置二的开关均闭合，控制电源转换装置三的电池包侧开关断开、其余侧开关闭合，并控制备用电源启用，由备用电源为斜井tbm供电。

5、进一步地，基于下式计算备用电源的启用时间：

6、

7、其中，tp表示根据市电断电时tbm所处掘进位置计算得到的启用时间，g表示tbm的整机重量，gi表示市电断电时位于斜坡上的第i节台车的重量，θmax表示最大掘进坡度，θ表示市电断电时所处掘进位置的坡度，tmin和tmax分别表示预设的备用电源最短启用时间和备用电源最长启用时间。

8、进一步地，基于下式计算备用电源的启用时间：

9、

10、其中，ts表示根据市电断电前一时刻tbm所处掘进状态计算得到的启用时间，tmin和tmax分别表示预设的备用电源最短启用时间和备用电源最长启用时间，t表示市电断电前一时刻的刀盘扭矩，ts表示刀盘空转扭矩，tmax表示tbm掘进时刀盘的最大扭矩，pgmin表示tbm掘进时的最小贯入度，pg表示市电断电前一时刻的tbm贯入度，f表示市电断电前一时刻的tbm推力，v表示市电断电前一时刻的tbm推进速度，n表示市电断电时刻的刀盘转速，fm表示市电断电前一时刻的锚杆钻机推进力，pp表示市电断电前一时刻的喷混泵压力，fs表示tbm的空推推力，fmax表示tbm掘进时的最大推力。

11、进一步地，基于下式计算备用电源的启用时间：

12、t启＝min(tp,ts)

13、

14、

15、其中，t启表示备用电源的启用时间，min()表示取最小值函数，tp表示根据市电断电时tbm所处掘进位置计算得到的启用时间，ts分别表示根据市电断电前一时刻tbm所处掘进状态计算得到的启用时间，g表示tbm的整机重量，gi表示市电断电时位于斜坡上的每节台车的重量，θmax表示最大掘进坡度，θ表示市电断电时所处掘进位置的坡度，tmin和tmax分别表示预设的备用电源最短启用时间和备用电源最长启用时间，t表示市电断电前一时刻的刀盘扭矩，ts表示刀盘空转扭矩，tmax表示tbm掘进时刀盘的最大扭矩，pgmin表示tbm掘进时的最小贯入度，pg表示市电断电前一时刻的tbm贯入度，f表示市电断电前一时刻的tbm推力，v表示市电断电前一时刻的tbm推进速度，n表示市电断电时刻的刀盘转速，fm表示市电断电前一时刻的锚杆钻机推进力，pp表示市电断电前一时刻的喷混泵压力，fs表示tbm的空推推力，fmax表示tbm掘进时的最大推力。

16、进一步地，还包括与控制系统电性连接的检测装置一和检测装置二，检测装置一设置在电源转换装置二与备用电源之间，检测装置二设置在变配电站与tbm配电柜之间，两个检测装置用于检测其所在支路是否供电，控制系统根据两个检测装置的检测结果控制控制室面板上的市电就绪指示灯和备用电源就绪指示灯的亮灭状态。

17、进一步地，在启用备用电源时，当市电恢复后，控制系统控制电源转换装置一的开关均闭合，控制电源转换装置二的备用电源侧开关断开、其余侧开关闭合，控制电源转换装置三的电池包侧开关断开、其余侧开关闭合，并控制备用电源关闭。

18、进一步地，当手动操作三个电源转换装置中的任一个时，控制系统停止自动控制模式并切换至手动控制模式。

19、进一步地，还包括与控制系统电性连接的撑靴接触器，用于检测主撑靴泵的电机是否启动，当主撑靴泵的电机启动时，撑靴接触器的触点闭合，控制系统控制控制室面板上的主撑靴泵运行指示灯亮。

20、另外，本发明还提供一种斜井tbm的安全供电控制方法，采用如上所述的安全供电控制系统，包括以下内容：

21、在市电正常供电时，控制电源转换装置一的开关均闭合，控制电源转换装置二的备用电源侧开关断开、其余侧开关闭合，控制电源转换装置三的电池包侧开关断开、其余侧开关闭合，蓄电池一、蓄电池二和电池包均处于充电状态；

22、在市电断电时，控制蓄电池一为控制室和急停系统自动供电，控制蓄电池二给控制系统自动供电，并控制电源转换装置三的tbm配电柜侧开关断开、其余侧开关闭合，再控制电池包放电以驱动主撑靴泵的电机工作，并控制撑靴伸出阀得电，然后计算备用电源的启用时间；

23、记录市电断电时间并将其与备用电源的启用时间进行对比，当市电断电时间未超过备用电源的启用时间时，控制备用电源不启用，即时恢复市电供电，而当市电断电时间超过备用电源的启用时间时，控制电源转换装置一的市电侧开关断开、其余侧开关闭合，控制电源转换装置二的开关均闭合，控制电源转换装置三的电池包侧开关断开、其余侧开关闭合，并控制备用电源启用，由备用电源为斜井tbm供电。

24、另外，本发明还提供一种斜井tbm，采用如上所述的安全供电控制系统。

25、本发明具有以下效果：

26、本发明的斜井tbm的安全供电控制系统，采用双电源外加两个蓄电池和一个电池包的电源设计，并通过设置三个电源转换装置控制供电线路的切换，当市电断电时，两个蓄电池可以立即为控制室、急停系统和控制系统供电，保证了控制室对tbm状态的持续监控、及时控制tbm停机以及电气控制功能不失效，控制系统控制电源转换装置三自动投切到电池包为撑靴装置供电，以控制撑靴装置迅速撑紧洞壁，防止由于突然断电引起tbm在斜坡上下滑，保证了人机安全。同时，设定了备用电源的启用时间，只有在市电断电时间超过备用电源的启用时间时才启用备用电源供电，若市电断电时间未超过备用电源的启用时间，则由两个蓄电池和电池包在市电断电期间短时供电，大大减少了备用电源的启用次数，延长了备用电源的使用寿命。

27、另外，本发明的斜井tbm的安全供电控制方法、斜井tbm同样具有上述优点。

28、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。