港口起重機(jī)能量回饋引起的內(nèi)網(wǎng)諧振原因分析
2015-04-29 00:00:00葉宏偉
【摘 要】港口起重機(jī)的諧振問題是典型的小系統(tǒng)大容量的高壓諧振問題，如果不加控制，港口起重機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的諧振可能會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至可能損壞系統(tǒng)。本文通過研究港口起重機(jī)能量回饋的內(nèi)網(wǎng)諧振原理，提出了一套解決方案。此方案可以較大程度的緩解起重機(jī)能量回饋引起的諧振。
【關(guān)鍵詞】港口起重機(jī)；能量回饋；內(nèi)網(wǎng)諧振
港口起重機(jī)起吊能力一般在60噸以上，起吊體積一般為整個(gè)標(biāo)箱。為了確保起重機(jī)的起吊速度能夠滿足高速裝卸貨船的需要，一般要求將貨物從船底提升到100米高處的時(shí)間小于15秒，這就要求起吊功率達(dá)到4000KW。而起重機(jī)下放60噸貨物的過程中，貨物下降約70米，其重力勢能釋放約42000千焦。假設(shè)以上貨物10秒內(nèi)安裝到掛車，其能量回饋功率達(dá)到了4200千瓦。此能量回饋如果不能得到有效控制，會(huì)給系統(tǒng)帶來較嚴(yán)重的后果。
1.系統(tǒng)現(xiàn)狀
碼頭工作以效率為生命，一般貨船停泊后，需要在短短2～3天內(nèi)完成燃油和物資補(bǔ)給，完成貨物的裝卸。而一般10萬噸級(jí)的貨輪擁有超過1700個(gè)標(biāo)準(zhǔn)貨柜，系統(tǒng)需要在短時(shí)間內(nèi)完成1700個(gè)貨柜的卸船和裝船。目前最頂級(jí)的集裝箱起重機(jī)可以在1分鐘內(nèi)完成貨柜的卸船或者裝船。我碼頭目前設(shè)備與頂尖碼頭設(shè)備有一定的差距，但仍然需要在1分鐘左右完成集裝箱的吊出或者裝入。此過程要求的貨物起吊時(shí)間和下降時(shí)間均在15秒以內(nèi)。正常作業(yè)情況下，一般分為前置起重機(jī)和后置起重機(jī)，分別進(jìn)行裝船和卸船，每操作100～150個(gè)貨柜，兩個(gè)起重機(jī)的分工會(huì)發(fā)生交換。
圖1 港口起重機(jī)施工現(xiàn)場
我碼頭有6臺(tái)集裝箱起重機(jī)，分別服務(wù)于3個(gè)集裝箱泊位，可?？垦b載量不超過1700標(biāo)準(zhǔn)貨柜的集裝箱貨船裝卸貨物，每臺(tái)起重機(jī)可以以每小時(shí)45～50個(gè)標(biāo)準(zhǔn)貨柜的速度裝卸集裝箱船，2臺(tái)起重機(jī)合作，可以40小時(shí)之內(nèi)將船舶貨物完全替換。為了節(jié)約能源，增加起吊速度，起吊起重機(jī)并沒有采用渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)，而是采用了28倍行星輪結(jié)構(gòu)，貨物對(duì)起重機(jī)的做功通過輪間摩擦卸除不少于70%，但仍然有不少于1200千瓦的能量饋入內(nèi)網(wǎng)電網(wǎng)。
本文起重機(jī)采用了35kV電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，額定容量5000kVA，額定電流142A。小車行走電動(dòng)機(jī)額定電壓35kV，額定容量1500kVA，額定電流42A。桁架行走電動(dòng)機(jī)4臺(tái)聯(lián)動(dòng)控制，額定電壓35kV，每臺(tái)額定容量1500kVA，額定電流42A。系統(tǒng)35kV段總裝機(jī)容量12500kVA。系統(tǒng)空載時(shí)等效容性容量4000kVA，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)等效抗性容量8500kVA。為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)部署了總?cè)萘吭?500kVA的35kV電容器和總?cè)萘吭?000kVA的35kV電感器，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)無功的實(shí)際情況進(jìn)行V段智能化投切。
2.問題分析
港口起重機(jī)的大容量的簡單系統(tǒng)模式LC回路相對(duì)完整，雖然LC回路并不對(duì)等，無法形成小阻尼LC回路，但可以形成較大的LC容量，形成6～8個(gè)周期的LC震蕩。引起LC諧振的主要誘發(fā)因素是饋入系統(tǒng)的電流。饋入系統(tǒng)的電流主要分為三個(gè)來源：
其一，當(dāng)下送貨物的時(shí)候，大量的重力勢能在鼠籠電動(dòng)機(jī)的電磁環(huán)境中被轉(zhuǎn)化為電能，且實(shí)際饋入系統(tǒng)的電能容量超過1200kVA。此部分電能會(huì)在系統(tǒng)中得到LC串聯(lián)環(huán)境的充分諧振?？赡芙o系統(tǒng)帶來超過5倍額定電壓的饋電電壓。
其二，因?yàn)槠鹬貦C(jī)在實(shí)際操作中頻繁發(fā)生接觸器的啟停操作，特別是系統(tǒng)使用了星三角換向軟起法，啟動(dòng)電流較大，斷電后容易出現(xiàn)等效電容和等效電感之間的LC諧振。此諧振也可能給系統(tǒng)帶來3倍以上額定電壓的饋電電壓。
其三，最嚴(yán)重的問題在于系統(tǒng)起吊電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)生停電，可能發(fā)生電動(dòng)機(jī)內(nèi)電感儲(chǔ)能迅速釋放，與系統(tǒng)中電容器和電感器發(fā)生劇烈的內(nèi)網(wǎng)諧振，此諧振的諧振電壓可能超過額定電壓的5倍以上。
綜上分析，大功率頻繁操作的抗性系統(tǒng)出現(xiàn)饋電電壓成為了系統(tǒng)常態(tài)，在此常態(tài)下，必須采取行之有效的措施，將諧振電流充分疏導(dǎo)，防止諧振增壓對(duì)系統(tǒng)的耐壓設(shè)施帶來破壞。同時(shí)因?yàn)橄到y(tǒng)的大部分低壓二次設(shè)備的電源直接取自35kV總線的降壓變壓器，且變壓器的變壓比為剛性變比，所以，35kV的諧振電壓很可能造成低壓回路發(fā)生更嚴(yán)重的浪涌問題。甚至可能造成10kV母線和400V母線發(fā)生連帶的諧振現(xiàn)象。
3.解決方案
3.1網(wǎng)內(nèi)阻尼和直接接地
網(wǎng)內(nèi)阻尼是減少諧振周期數(shù)的有效方式，通過PLC系統(tǒng)判斷諧振浪涌的發(fā)生，3個(gè)諧波周期內(nèi)在系統(tǒng)內(nèi)串入大電阻6～8周期，以充分阻尼網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的諧振。電阻值設(shè)置在30kΩ。因?yàn)榇氪箅娮璧倪^程會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的工作電壓劇烈下降，且因?yàn)樵诒疚南到y(tǒng)中面臨的非完整LC回路中，其諧振周期一般在8～10個(gè)周期，并入6～8個(gè)周期的大電阻，可以明顯阻尼系統(tǒng)的諧振電流，起到將諧振浪涌轉(zhuǎn)化為諧振欠壓的作用。
同時(shí)，在系統(tǒng)中部署一組氧化鋅接地系統(tǒng)，將接地電壓設(shè)定在3倍額定電壓，也就是當(dāng)系統(tǒng)電壓達(dá)到105kV時(shí)，氧化鋅接地系統(tǒng)會(huì)直接將電壓瀉出，確保系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)超過3倍額定電壓的諧振增壓現(xiàn)象。
3.2接地變的應(yīng)用
不管是及時(shí)并入大電阻，還是使用氧化鋅接地系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急接地，均存在較多的問題。因?yàn)椴⑷氪箅娮枋瓜到y(tǒng)電壓迅速降低，但可以造成瞬時(shí)欠壓，容易燒毀電動(dòng)機(jī)或者導(dǎo)致斷路器跳閘。氧化鋅接地的壽命有限，可能造成持續(xù)的多相接地故障和單相接地故障，導(dǎo)致系統(tǒng)的檢修壓力增大，檢修成本增加。所以系統(tǒng)應(yīng)該在運(yùn)行中防止觸動(dòng)3.1中建議的系統(tǒng)，3.1中建議的系統(tǒng)僅在系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重諧振過壓時(shí)進(jìn)行動(dòng)作，保護(hù)系統(tǒng)不出現(xiàn)更嚴(yán)重的事故。
ZN/YN接地變的使用，可以較大程度的平衡系統(tǒng)中的不均衡電壓和不均衡電流，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生任何形式的偏執(zhí)時(shí)，ZN/YN接地變會(huì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)諧振電流的柔性接地。因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)的諧振功率最大可能達(dá)到1200kVA以上，所以，接地變的容量不應(yīng)該小于1560kVA（1.3倍），本文選擇1800kVA的ZN/YN接地變實(shí)現(xiàn)柔性接地。
3.3基于PLC的綜合安全保護(hù)系統(tǒng)
首先，使用PLC采集系統(tǒng)中不少于5個(gè)點(diǎn)的電壓和電流矢量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，判斷出系統(tǒng)中的無功。
然后，采集ZN/YN接地變的接地電流，判斷系統(tǒng)的接地完好情況。
當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)震蕩電流且ZN/YN接地變動(dòng)作不流暢時(shí)，迅速拉斷大電阻的短接斷路器，6個(gè)周期（120ms）內(nèi)重新閉合短接斷路器。使得系統(tǒng)內(nèi)震蕩電流被大電阻充分阻尼。
因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)的氧化鋅接地系統(tǒng)處于完全電磁工作狀態(tài)下，不受PLC系統(tǒng)的管理。ZN/YN接地變同樣處于完全電磁工作狀態(tài)下，也不需要PLC的接入。所以，本文系統(tǒng)的PLC僅限于在系統(tǒng)發(fā)生意外升壓發(fā)生時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的高壓進(jìn)行阻尼，將高壓轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)欠壓。
4.結(jié)束語
碼頭機(jī)械因?yàn)轭~定容量較大，系統(tǒng)內(nèi)部電網(wǎng)較為（下轉(zhuǎn)第337頁）（上接第309頁）簡單，導(dǎo)致電網(wǎng)內(nèi)因?yàn)樵O(shè)備的頻繁啟停導(dǎo)致了系統(tǒng)內(nèi)的饋電諧波影響較為明顯。本文通過研究此諧波的原因，找到了有效處理該諧波，防止諧波增壓對(duì)系統(tǒng)安全的不良影響。通過多方面綜合的阻尼和接地，可以讓系統(tǒng)內(nèi)的諧波持續(xù)時(shí)間縮減到2個(gè)周期（80ms）以內(nèi)，確保系統(tǒng)浪涌不至于損壞系統(tǒng)，也不至于造成系統(tǒng)的頻繁跳閘。 [科]
【參考文獻(xiàn)】
[1]張海申，何正友，張鈞.諧振接地系統(tǒng)單相接地故障頻譜特征分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012.3（03）：23-25.
[2]王玉梅，郭浩，惠勝達(dá).基于殘流增量法的諧振接地系統(tǒng)故障定位方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011.1（01）：35-36.
