電動(dòng)輪胎吊供電設(shè)計(jì)要點(diǎn)

姚建新

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

0 引言

國(guó)家在“十二五”規(guī)劃中明確提出了節(jié)能降耗和污染減排的目標(biāo)，明確了“十二五”期間單位GDP能耗降低16%左右，主要污染物排放總量減少8%到10%的約束性指標(biāo)。同時(shí)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)與資源瓶頸的矛盾日益突出，燃油供應(yīng)日趨緊張，世界油價(jià)與碼頭運(yùn)營(yíng)燃油費(fèi)用成本居高不下。集裝箱碼頭的輪胎吊柴油發(fā)電機(jī)組工作過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣排放、高噪聲等環(huán)境污染問(wèn)題也日益引起港口管理部門的重視。在上述背景下，2006年以來(lái)采用市電電網(wǎng)供電的輪胎吊“油改電”方案在深圳港、青島港、上海港等相繼實(shí)施，并都取得了較好的試驗(yàn)效果。

就目前已實(shí)施“油改電”的電動(dòng)輪胎吊（以下簡(jiǎn)稱eRTG）方案而言，主要區(qū)別在于供電方式的不同。按取電方式分有電纜卷盤、低架滑觸線和高架滑觸線三種供電方式，按電流方式分有交流、直流兩種供電方式，按電壓等級(jí)分有460 V、690 V、900 V等多種供電方式。不同的eRTG供電方案，供電系統(tǒng)也不盡相同，以下就南京港龍?zhí)陡蹍^(qū)四期工程的具體案例，并結(jié)合負(fù)荷計(jì)算、交直流供電、電壓等級(jí)、變電所與滑觸線受電點(diǎn)設(shè)置、中性點(diǎn)接地方式等比較，闡述eRTG供電設(shè)計(jì)的有關(guān)要點(diǎn)。

1 項(xiàng)目概況

南京港龍?zhí)陡蹍^(qū)四期工程屬一期工程的擴(kuò)建工程，建設(shè)5個(gè)3萬(wàn)噸級(jí)集裝箱泊位，碼頭長(zhǎng)度1 400 m。碼頭上采用集裝箱裝卸橋進(jìn)行裝卸船作業(yè)，重箱堆場(chǎng)采用eRTG作業(yè)。

后方陸域共設(shè)二線重箱堆場(chǎng)，每線共5塊重箱堆場(chǎng)。一線重箱堆場(chǎng)設(shè)4組輪胎吊跑道，二線堆場(chǎng)設(shè)6組輪胎吊跑道，重箱堆場(chǎng)共設(shè)置50個(gè)箱區(qū)。

受投資限制，本工程近期新配置20臺(tái)eRTG，當(dāng)作業(yè)繁忙時(shí)可調(diào)用一期工程的部分eRTG。經(jīng)與業(yè)主多次討論，確定每個(gè)箱區(qū)同時(shí)作業(yè)的eRTG數(shù)量最多為2臺(tái)，每塊一線與二線堆場(chǎng)的10個(gè)箱區(qū)同時(shí)作業(yè)的eRTG數(shù)量最多為10臺(tái)。

本工程堆場(chǎng)平面布置見圖1，圖中僅表示一線與二線重箱堆場(chǎng)的布置情況。

2 負(fù)荷計(jì)算

eRTG上主要電氣設(shè)備為起升電機(jī)、小車電機(jī)、大車電機(jī)（一般與起升電機(jī)不同時(shí)工作）、照明控制隔離變壓器等，除隔離變壓器為連續(xù)工作制負(fù)荷外，其他電機(jī)均為短時(shí)或周期工作制負(fù)荷。輪胎吊負(fù)荷計(jì)算分為單機(jī)負(fù)荷計(jì)算、共用干線負(fù)荷計(jì)算、變壓器容量計(jì)算、堆場(chǎng)負(fù)荷計(jì)算四種不同情況進(jìn)行計(jì)算。

單臺(tái)eRTG（單機(jī)負(fù)荷） 等效長(zhǎng)期工作電流和尖峰電流、多臺(tái)eRTG共用干線的工作電流和尖峰電流都可以參照《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》內(nèi)有關(guān)門機(jī)電流的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，工作電流用來(lái)選擇供電電纜和滑觸線的截面大小，尖峰電流用來(lái)校核供電電纜或滑觸線的截面是否符合eRTG起動(dòng)壓降要求。

在變電所變壓器容量選擇時(shí)，一般采用需要系數(shù)法確定計(jì)算負(fù)荷。首先針對(duì)eRTG的負(fù)荷特性，考慮到eRTG上各大機(jī)構(gòu)不同時(shí)工作的情況，應(yīng)在單機(jī)設(shè)備裝機(jī)容量基礎(chǔ)上考慮同時(shí)系數(shù)后才能確定單臺(tái)eRTG的設(shè)備功率。根據(jù)額定起重量、起升高度、起升速度，以及三大機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)容量來(lái)選取eRTG的同時(shí)系數(shù)，一般在0.65～0.75之間。然后根據(jù)該變電所供電范圍內(nèi)eRTG可能運(yùn)行的最大數(shù)量確定需要系數(shù)，進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。最后根據(jù)計(jì)算負(fù)荷、運(yùn)行方式、管理維護(hù)等因素確定變壓器的容量與臺(tái)數(shù)。

需要系數(shù)的取值和eRTG最大運(yùn)行數(shù)量密切相關(guān)，運(yùn)行臺(tái)數(shù)越多，需要系數(shù)值越小，其參數(shù)的選取參照《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表6-4-2-2“多臺(tái)起重機(jī)的同時(shí)系數(shù)”，并略作調(diào)整，具體見表1。

表1 多臺(tái)輪胎吊的需要系數(shù)

根據(jù)圖1所示，每座變電所供電范圍內(nèi)eRTG數(shù)量最多為10臺(tái)，為防止變壓器故障或檢修維護(hù)對(duì)生產(chǎn)的影響，確定變壓器臺(tái)數(shù)為2臺(tái)。

eRTG上各大機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)容量配置因裝卸作業(yè)要求的不同而有所不同，根據(jù)設(shè)備廠提供的有關(guān)資料，不同港區(qū)的電動(dòng)機(jī)配置情況詳見表2。

表2 eRTG各機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)容量配置表

為了保證供電可靠性，本工程每臺(tái)eRTG的裝機(jī)容量取390 kW，同時(shí)系數(shù)取0.7，單機(jī)功率為273 kW。每臺(tái)變壓器容量按5臺(tái)eRTG考慮，需要系數(shù)取0.5，并考慮在變電所內(nèi)設(shè)置動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償容量為270 kvar。經(jīng)計(jì)算，變壓器容量選擇1 000 kVA，負(fù)載率為73%。

兩臺(tái)變壓器之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)，在一臺(tái)變壓器故障情況下，另一臺(tái)變壓器可以較長(zhǎng)時(shí)間地帶8臺(tái)eRTG運(yùn)行，負(fù)載率為96%。在2 h內(nèi)可以帶全部10臺(tái)eRTG運(yùn)行，負(fù)載率為123%。如此配置變電所供電系統(tǒng)基本滿足了堆場(chǎng)裝卸作業(yè)需求。

3 取電方式選擇

目前，國(guó)內(nèi)集裝箱碼頭eRTG取電方式大多選擇電纜卷盤或低架滑觸線供電，個(gè)別碼頭選擇高架滑觸線供電。鑒于龍?zhí)陡蹍^(qū)屬于多雷地區(qū)，且發(fā)生側(cè)擊雷的情況較多，因此本工程不適合選擇高架滑觸線供電方式。

電纜卷盤供電方式在運(yùn)行可靠性與安全性、維護(hù)保養(yǎng)、占用堆場(chǎng)空間、電源壓降變化、對(duì)跑偏的要求、設(shè)計(jì)與施工難度等多方面占有優(yōu)勢(shì)，而低架滑觸線供電方式在經(jīng)濟(jì)型、轉(zhuǎn)場(chǎng)操作性、雙側(cè)供電等多方面占有優(yōu)勢(shì)。

假如考慮采用電纜卷盤供電方式，eRTG在插座箱所處的相鄰兩個(gè)箱區(qū)作業(yè)時(shí)不需要進(jìn)行插頭插拔作業(yè)，橫向轉(zhuǎn)場(chǎng)超過(guò)插座箱所處箱區(qū)時(shí)或者縱向轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)都必須進(jìn)行插頭插拔作業(yè)，插頭插拔作業(yè)不僅需要操作時(shí)間，而且地面需要配置專業(yè)人員來(lái)操作，因此電纜卷盤供電方式較適合于eRTG轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)較少的港區(qū)，從而體現(xiàn)其安全可靠的特性。而在低架滑觸線供電方式下，eRTG可采用自動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行取電，轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)采用機(jī)上小容量發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，所有轉(zhuǎn)場(chǎng)操作任務(wù)均由eRTG司機(jī)一人完成。

結(jié)合本工程具體情況，即堆場(chǎng)eRTG配置數(shù)量較少，轉(zhuǎn)場(chǎng)操作作業(yè)量大，且考慮工程投資費(fèi)用因素，選擇低架滑觸線供電方式是非常合適的。

4 交直流供電選擇

目前，國(guó)內(nèi)集裝箱碼頭eRTG普遍采用交流供電方式，只有深圳媽灣和赤灣等極少數(shù)碼頭采用了直流供電方式。交流供電方式可適用于eRTG不同的取電方案，直流供電方式一般適用于滑觸線取電方案，兩種方式在技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)合理性、維護(hù)保養(yǎng)、風(fēng)險(xiǎn)程度等方面各有優(yōu)劣。

4.1 技術(shù)可靠性

交流供電系統(tǒng)在港口行業(yè)內(nèi)屬于傳統(tǒng)的技術(shù)，包括設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理等方面均成熟可靠；而直流供電系統(tǒng)在鐵路、軌交等行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較多，技術(shù)上也是成熟可靠的，但在港口行業(yè)內(nèi)較少使用，屬于新技術(shù)，設(shè)計(jì)、施工、尤其運(yùn)行管理均缺乏經(jīng)驗(yàn)。

4.2 經(jīng)濟(jì)合理性

滑觸線供電系統(tǒng)主要包括土建基礎(chǔ)、滑觸線系統(tǒng)、eRTG電控系統(tǒng)、地面配電系統(tǒng)四大部分。交直流供電系統(tǒng)除了絕緣滑觸線數(shù)量、地面整流變壓器與整流系統(tǒng)外，其他土建基礎(chǔ)、滑觸線支架系統(tǒng)與取電裝置、eRTG電控系統(tǒng)、地面其他配電系統(tǒng)的投資費(fèi)用均相差不大。

經(jīng)分項(xiàng)價(jià)格估算，直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)相比較，本工程的地面整流變壓器與整流系統(tǒng)費(fèi)用需增加投資830萬(wàn)元，絕緣滑觸線費(fèi)用可節(jié)省435萬(wàn)元。綜合來(lái)看，直流供電系統(tǒng)投資費(fèi)用略高于交流供電系統(tǒng)，增加投資額約占整個(gè)工程供電投資費(fèi)用的4%左右。

4.3 維護(hù)保養(yǎng)

采用直流供電方式時(shí)，地面整流系統(tǒng)內(nèi)的電子元器件較多，需要港區(qū)電氣維護(hù)人員具有豐富的整流與逆變方面的知識(shí)，而龍?zhí)陡蹍^(qū)運(yùn)行人員均缺乏該方面的知識(shí)與維護(hù)技能。

4.4 風(fēng)險(xiǎn)程度

由于整流系統(tǒng)中電子元器件較常規(guī)交流配電元器件容易發(fā)生故障，且使用壽命較短，一旦變電所內(nèi)整流系統(tǒng)發(fā)生故障，會(huì)影響港區(qū)大面積箱區(qū)作業(yè)癱瘓，風(fēng)險(xiǎn)較高。

通過(guò)上述經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，本工程eRTG采用交流供電方式。

5 電壓等級(jí)

地面供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)選取與堆場(chǎng)箱區(qū)布置、變電所布置、取電方式與滑觸線受電點(diǎn)位置、eRTG上的供電系統(tǒng)電壓等級(jí)等均有緊密聯(lián)系。

由于目前國(guó)內(nèi)大部分常規(guī)輪胎吊上的柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓為440 V左右，在供電線路的容量和電壓降可滿足設(shè)備作業(yè)的前提下，應(yīng)優(yōu)先采用該電壓等級(jí)，使得地面與機(jī)上電壓等級(jí)保持一致。在已實(shí)施“油改電”項(xiàng)目或新建集裝箱碼頭中，大部分碼頭的地面供電電壓等級(jí)采用440V，部分碼頭采用690 V，極少數(shù)碼頭采用900 V以上。

考慮到變壓器和線路的電壓損失，為了保證eRTG作業(yè)時(shí)的電壓偏差在一定范圍內(nèi)，變壓器二次側(cè)額定值選擇460 V，同時(shí)考慮到市政電網(wǎng)的供電電壓等級(jí)與電壓偏差因素，變壓器一次側(cè)額定值采用10 kV，電壓分接頭選擇5檔，即±2×2.5%。

本工程在選擇低架滑觸線供電方式下，優(yōu)先確定地面供電電壓等級(jí)為440 V，通過(guò)調(diào)整變電所與滑觸線受電點(diǎn)位置來(lái)滿足eRTG作業(yè)對(duì)供電系統(tǒng)的要求。

6 變電所與滑觸線受電點(diǎn)設(shè)置

地面變電所布置應(yīng)與滑觸線受電點(diǎn)方式、位置相協(xié)調(diào)，在不考慮多點(diǎn)供電方案的情況下，其布置形式有以下兩種方案，詳見圖2。

方案一：在不考慮變電所位置而僅考慮滑觸線本身的因素，則受電點(diǎn)設(shè)在滑觸線的中點(diǎn)最為理想，此時(shí)為減少地面供電電纜的長(zhǎng)度和線路電壓降，變電所宜設(shè)在每塊箱區(qū)的中間，即圖2中的變電所位置一和受電點(diǎn)位置一。

方案二：若考慮一座變電所同時(shí)向多塊箱區(qū)供電，則變電所的位置宜設(shè)在縱路旁，此時(shí)滑觸線的受電點(diǎn)也宜設(shè)在變電所所在縱路兩側(cè)，即圖2中的變電所位置二和受電點(diǎn)位置二。

因每個(gè)箱區(qū)同時(shí)作業(yè)的eRTG數(shù)量最多為2臺(tái)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，同時(shí)作業(yè)時(shí)干線電流為332 A，滑觸線額定電流選擇800 A。假定同一滑觸線上兩臺(tái)eRTG作業(yè)時(shí)的較不利情況：方案一中一臺(tái)eRTG離受電點(diǎn)1/3處作業(yè)，另一臺(tái)eRTG在滑觸線端部作業(yè)；方案二中一臺(tái)eRTG在箱區(qū)中間作業(yè)，另一臺(tái)eRTG在滑觸線端部作業(yè)。由變電所至受電點(diǎn)的供電電纜為三拼YJV-1 kV 3×300+1×150，為受電點(diǎn)兩側(cè)2個(gè)箱區(qū)的兩條滑觸線同時(shí)供電。在此條件下，由于兩種方案不同箱區(qū)滑觸線受電點(diǎn)距離變電所的線路長(zhǎng)度不同，當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)或一臺(tái)eRTG起動(dòng)時(shí)，不同箱區(qū)滑觸線末端的電壓降也有所不同。根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（3版） 第九章第五節(jié)表9-63、表9-78、表9-84中的計(jì)算公式和技術(shù)數(shù)據(jù)，不同箱區(qū)的滑觸線末端電壓降的最大值與最小值見表3。

表3 不同箱區(qū)的滑觸線末端電壓降%

參照《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》（下冊(cè)）第六章門機(jī)供電的相關(guān)要求，當(dāng)eRTG采用雙側(cè)供電時(shí)，機(jī)上兩側(cè)由滑觸線受電點(diǎn)至最大電動(dòng)機(jī)的線路長(zhǎng)度在35～40 m和55～60 m之間，機(jī)上正常壓降最大值在0.8%左右，起動(dòng)壓降最大值在2.5%左右。

為了滿足eRTG正常作業(yè)的要求，供電線路全長(zhǎng)正常壓降應(yīng)不超過(guò)5%，起動(dòng)壓降應(yīng)不超過(guò)15%。方案一滿足上述要求，而方案二不能滿足要求，對(duì)碼頭生產(chǎn)作業(yè)有一定的影響。

因此本工程采用方案一布置變電所位置，在五塊堆場(chǎng)分別設(shè)置一座變電所，即圖1中的11號(hào)～15號(hào)變電所。同時(shí)變電所的布置位置也決定了滑觸線受電點(diǎn)的位置，即圖2受電點(diǎn)位置一。

7 中性點(diǎn)接地方式

低壓配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式按《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》分類，可分為TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)三大類。輪胎吊上發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)一般不接地或通過(guò)高阻進(jìn)行接地，如圖3所示（圖中為高阻接地方式），此“地”不是一般意義上的大地，而是采用輪胎吊的整體鋼結(jié)構(gòu)作為一個(gè)接地的等電位面。在RTG采用機(jī)上發(fā)電機(jī)組供電運(yùn)行時(shí)，其整體鋼結(jié)構(gòu)作為輪胎吊整個(gè)供電系統(tǒng)的接地極，即懸浮地；在RTG采用市政電網(wǎng)供電運(yùn)行時(shí)，其整體鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)滑觸線的PE線與傳統(tǒng)意義上的大地連接。因此從低壓配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式來(lái)看，輪胎吊上低壓配電系統(tǒng)屬于IT系統(tǒng)。根據(jù)《低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)》（2版）第六章內(nèi)容，IT系統(tǒng)與TN系統(tǒng)對(duì)單相接地故障采用完全不同的保護(hù)方式。因此，為了使eRTG接受地面電源供電時(shí)機(jī)上原有保護(hù)不受影響，新建工程的地面配電系統(tǒng)也應(yīng)采用IT系統(tǒng)。

但是，由于本工程配置eRTG數(shù)量較少，當(dāng)作業(yè)繁忙時(shí)會(huì)調(diào)用一期工程的部分eRTG，而一期工程地面配電系統(tǒng)采用TN系統(tǒng)，且對(duì)eRTG進(jìn)行了改造，因此本工程為了與一期工程相協(xié)調(diào)，本工程的地面配電系統(tǒng)也采用TN系統(tǒng)。

8 結(jié)語(yǔ)

綜前所述，龍?zhí)陡蹍^(qū)四期工程eRTG供電系統(tǒng)采用了低架滑觸線供電方式，變電所與滑觸線受電點(diǎn)均布置在箱區(qū)中間位置，電壓等級(jí)采用交流440 V，地面低壓配電系統(tǒng)接地型式采用TN系統(tǒng)。

通過(guò)案例分析，讓設(shè)計(jì)人員了解，要做好集裝箱碼頭的eRTG供電設(shè)計(jì)，應(yīng)該針對(duì)工程項(xiàng)目的具體情況，通過(guò)分析、計(jì)算，選擇合適的供電方案，做到經(jīng)濟(jì)性與可靠性相協(xié)調(diào)。

[1] 海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（3版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[3]GB 50052—2009，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 王厚余.低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)（2版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.