岸邊集裝箱起重機(jī)F650綜保裝置的研究與應(yīng)用

黃 璐 陳 杰

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著國(guó)際貿(mào)易在海運(yùn)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，集裝箱運(yùn)輸成為海運(yùn)的重要設(shè)備，從而帶動(dòng)了集裝箱裝卸機(jī)械的發(fā)展。由于集裝箱船舶的大型化和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)促使技術(shù)進(jìn)步，岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）技術(shù)也日新月異，岸橋越來越大型化、高效化。

由于岸橋的大型化和高效化，其設(shè)備的容量也越來越高，目前一般每臺(tái)岸橋設(shè)備的容量為2 000～3 500 kW。除了岸橋自帶有發(fā)電機(jī)組外，其設(shè)備上都需要配有大容量的高壓供電系統(tǒng)，以滿足用電需求。高壓供電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)和各種故障，會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞甚至造成現(xiàn)場(chǎng)人員傷亡。因此，岸橋高壓供電系統(tǒng)必須配備專門的繼電保護(hù)裝置，以保障設(shè)備安全可靠運(yùn)行。本文通過F650綜保裝置在新加坡某集裝箱碼頭雙小車項(xiàng)目上的應(yīng)用，介紹F650綜保系統(tǒng)的工作原理，以及在岸橋設(shè)備上的應(yīng)用。

1 F650繼電保護(hù)系統(tǒng)

繼電保護(hù)是一種自動(dòng)控制裝置，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)保護(hù)已成為繼電保護(hù)的主要發(fā)展方向。微機(jī)保護(hù)是以微型計(jì)算機(jī)、微控制器等設(shè)備為核心組成的繼電保護(hù)，具有調(diào)試維護(hù)簡(jiǎn)便、高可靠性、靈活性、改善保護(hù)性能、易于獲得附加功能、簡(jiǎn)便化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。岸橋高壓供電系統(tǒng)普遍采用微機(jī)綜保產(chǎn)品，較常規(guī)的產(chǎn)品有GE的F650系列。

F650是集成了保護(hù)、控制、監(jiān)視、和測(cè)量功能的裝置，廣泛應(yīng)用于中高壓系統(tǒng)的多種場(chǎng)合，可作為配電饋線和輸電線路的保護(hù)，也可用于變壓器、母線、電容器組等的保護(hù)，其原理功能圖如圖1所示。

F650提供過壓和欠壓保護(hù)、過頻和欠頻保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、方向電流檢測(cè)故障診斷和可編程邏輯等功能，還可提供相、中性點(diǎn)、接地和靈敏接地、瞬時(shí)和延時(shí)過流保護(hù)等功能。另外，該綜保還配備自動(dòng)重合閘、同期檢查和線路故障測(cè)距功能，其診斷功能包含了順序記錄，可精確記錄整個(gè)系統(tǒng)的事件順序，便于導(dǎo)出故障記錄在個(gè)人計(jì)算機(jī)上查看。這些工具均可有效減少故障查找時(shí)間，并簡(jiǎn)化系統(tǒng)故障事件報(bào)告的生成過程。F650前端面板上的RS232或USB口可連接到PC上，以實(shí)現(xiàn)通過PC進(jìn)行定值編程和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

F650的具體參數(shù)有：工作電源低范圍（LO）為24～48 V，工作電源高范圍（HI）為110～250 V，失電保持時(shí)間為200 ms（裝置未復(fù)位的最壞情況為100 ms），功耗為25～45 VA，標(biāo)準(zhǔn)輸出點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，用戶輸出點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，前面板端口為COM2，類型為RS232/USB，后部異步端口為COM1、COM2（后端口與前端口復(fù)用），運(yùn)行溫度為-10℃～60℃，濕度（無凝露）為95%。

2 岸橋高壓供電系統(tǒng)繼保參數(shù)整定

岸橋高壓供電系統(tǒng)主要由高壓電纜、滑環(huán)箱、高壓開關(guān)柜、變壓器等部分組成，其單線圖如圖2所示。岸橋高壓開關(guān)柜一般由1個(gè)進(jìn)線柜和2個(gè)饋線柜組成。2個(gè)饋線柜分別與岸橋主副變壓器相連，饋線柜由斷路器隔離單元、母線隔離單元、電纜出線隔離單元和低壓隔離單元組成，每個(gè)功能單元與其他功能單元通過金屬隔板隔離互不影響。斷路器采用真空斷路器，具有燃弧時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，可快速接通或斷開電源。F650綜保裝置安裝在饋線柜低壓隔離單元，饋線柜各有1個(gè)，分別對(duì)主副變壓器進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)主副變壓器在運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障或不正常的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到保護(hù)設(shè)置的整定值，F(xiàn)650綜保跳閘輸出信號(hào)動(dòng)作，斷開相應(yīng)的饋線柜斷路器以保護(hù)岸橋電氣設(shè)備。

圖2 岸橋高壓系統(tǒng)單線圖

岸橋高壓供電系統(tǒng)繼保參數(shù)一般包括過電流保護(hù)、短路保護(hù)、接地保護(hù)、過壓及欠壓保護(hù)、低頻及過頻保護(hù)、負(fù)序電壓保護(hù)、主副變壓器過溫保護(hù)等。本文以新加坡某碼頭雙小車岸橋項(xiàng)目為例，介紹這些保護(hù)的整定設(shè)置。

2.1 過電流保護(hù)

過電流保護(hù)是為了避免由于過負(fù)荷或設(shè)備短路引起電流增大對(duì)岸橋供電系統(tǒng)造成的影響。岸橋設(shè)備高壓供電系統(tǒng)的過電流保護(hù)通常以避開岸橋主副變壓器運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流來整定計(jì)算。過電流保護(hù)按動(dòng)作時(shí)間可分為定時(shí)限過電流保護(hù)和反時(shí)限過電流保護(hù)，定時(shí)限過電流保護(hù)是指繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間是固定的整定時(shí)間，與故障電流大小無關(guān)；反時(shí)限過電流保護(hù)是繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間與過電流的大小有反比關(guān)系，故障電流越大動(dòng)作時(shí)間越短。岸橋設(shè)備的過電流保護(hù)一般采用定時(shí)限過電流保護(hù)，岸橋設(shè)備在正常作業(yè)時(shí)，F(xiàn)650繼電保護(hù)裝置檢測(cè)的電流在正常范圍，過電流保護(hù)不會(huì)動(dòng)作；當(dāng)岸橋供電系統(tǒng)過負(fù)荷或設(shè)備短路時(shí)，F(xiàn)650繼電保護(hù)裝置檢測(cè)的電流增大，當(dāng)超過整定的電流和動(dòng)作時(shí)間時(shí)發(fā)出跳閘信號(hào)。當(dāng)過電流保護(hù)動(dòng)作后，跳開故障線路饋線柜的真空斷路器。岸橋高壓供電系統(tǒng)的過電流保護(hù)，既可作為岸橋供電線路的保護(hù)，也可作為岸橋主副變壓器保護(hù)。過電流保護(hù)整定公式為

式中：Krel為可靠系數(shù)，用于過電流保護(hù)時(shí)一般取1.2～1.3（岸橋設(shè)備取1.2）；Kr為返回系數(shù)，一般取0.85～0.95（岸橋設(shè)備取0.95）；nTA為電流互感器變比；IL·max為岸橋變壓器可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流。

該碼頭雙小車岸橋項(xiàng)目主副變壓器參數(shù)有：主變型號(hào)為ZSCB-3150/6.6，額定容量為3 150 kVA，額定電壓為6.6/0.48 kV，3相，聯(lián)接組別為Dyn11，額定電流為275.6/3 789 A，頻率為50 Hz。副變型號(hào)為SCB10-400/6.6，額定容量為400 kVA，額定電壓為6.6/0.415 kV，3相，聯(lián)接組別為Dyn11，額定電流為35/556.5 A，頻率為50 Hz。高壓柜主變饋線柜電流互感器變比為80，副變饋線柜電流互感器變比為10。

岸橋主副變壓器的最大負(fù)荷一般在變壓器容量的80%～90%，這里取80%。由此，主變饋線柜一次側(cè)過流保護(hù)整定電流為Iset＝1.2×0.8×275.6/（0.95×80）＝3.48 A，同理計(jì)算副變出線柜一次側(cè)過流保護(hù)整定電流為3.54 A。根據(jù)上述計(jì)算得到的整定值可適當(dāng)取偏小值，主變饋線柜過流保護(hù)設(shè)為3.45 A，副變過流保護(hù)設(shè)為3.5 A，過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限設(shè)為1 s。岸橋過電流保護(hù)在F650中的設(shè)定如圖3、圖4所示。

圖3 岸橋主變過電流保護(hù)設(shè)定

圖4 岸橋副變過電流保護(hù)設(shè)定

2.2 短路保護(hù)

短路保護(hù)是指當(dāng)短路電流超過繼電保護(hù)整定值，繼電保護(hù)裝置動(dòng)作使斷路器跳閘，從而確保供電系統(tǒng)和設(shè)備的安全保護(hù)，也可稱為電流速斷保護(hù)。岸橋高壓供電系統(tǒng)的短路保護(hù)與過電流保護(hù)相互配合。短路保護(hù)（即電流速斷保護(hù)）作為岸橋高壓供電系統(tǒng)的主保護(hù)，過電流作為后備保護(hù)；而在電流速斷保護(hù)的盲區(qū)，則利用過電流保護(hù)作為基本保護(hù)。電流速斷保護(hù)也可分為無時(shí)限電流速斷保護(hù)和帶時(shí)限速斷保護(hù)。

1）無時(shí)限電流速斷保護(hù)

岸橋設(shè)備電流速斷保護(hù)動(dòng)作電流的整定可按躲過岸橋主副變壓器低壓側(cè)短路時(shí)F650繼電保護(hù)裝置檢測(cè)的最大短路電流來計(jì)算，根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》的計(jì)算公式可得

式中：Krel為可靠系數(shù)（計(jì)算電流速斷保護(hù)時(shí)可靠系數(shù)為1.3～1.5），這里取1.3；Kjx為接線系數(shù)（高壓柜電流互感器接相電流，根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》取1）；I＂2k3·max為岸橋設(shè)備在最大運(yùn)行方式下主副變壓器三相短路時(shí)，通過變壓器高壓側(cè)的瞬態(tài)電流；nTA為電流互感器變比。

當(dāng)最大運(yùn)行方式下變壓器側(cè)三相短路時(shí)，流過高壓側(cè)的超瞬態(tài)電流可通過變壓器低壓側(cè)三相短路電流經(jīng)驗(yàn)公式折算得出，即

式中：I2r·T為變壓器低壓側(cè)額定電流；uk%為變壓器阻抗電壓百分值，根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得出該項(xiàng)目主變阻抗電壓為6%，副變阻抗電壓為4%。

通過上述公式可得主變低壓側(cè)三相短路電流I＂k3·max＝100×3 789/（6×1 000）＝63.15 kA，由此可計(jì)算岸橋主變?cè)谧畲筮\(yùn)行方式下低壓側(cè)三相短路時(shí)流過高壓側(cè)的超瞬態(tài)電流，即

主變壓器速斷保護(hù)動(dòng)作的整定值可表示為

折算到主變壓器一次側(cè)的電流可得

用岸橋設(shè)備在最小運(yùn)行方式下主變壓器高壓側(cè)起始端的兩相短路電流校驗(yàn)綜保裝置靈敏度系數(shù)，計(jì)算式為

由此可知，無時(shí)限電流速斷整定的參數(shù)不能滿足靈敏度系數(shù)要求，故岸橋短路保護(hù)應(yīng)設(shè)帶時(shí)限的電流速斷保護(hù)。

2）帶時(shí)限電流速斷保護(hù)

動(dòng)作電流計(jì)算公式為

式中：I＂3k3·max為岸橋主變最大運(yùn)行方式下相鄰元件末端三相短路穩(wěn)態(tài)電流，這里假設(shè)為1 000 A。

由此可得

保護(hù)裝置一次側(cè)動(dòng)作電流為

保護(hù)裝置靈敏度系數(shù)為

岸橋電流短路保護(hù)設(shè)定的動(dòng)作電流與岸橋過電流保護(hù)設(shè)定的動(dòng)作電流的比值通常取整數(shù)倍（這里取4倍），設(shè)主變F650短路保護(hù)動(dòng)作電流為13.4 A，保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)限為0.1 s。同樣計(jì)算副變短路保護(hù)動(dòng)作電流為14 A，動(dòng)作時(shí)限為0.1 s。短路保護(hù)在F650中的設(shè)定如圖5、圖6所示。

圖5 岸橋主變短路保護(hù)設(shè)定

圖6 岸橋副變短路保護(hù)設(shè)定

2.3 接地保護(hù)

接地保護(hù)即岸橋高壓供電系統(tǒng)單相接地保護(hù)，根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》，岸橋接地保護(hù)動(dòng)作電流計(jì)算公式為

式中：Krel為可靠系數(shù)，用于單相接地保護(hù)有時(shí)限保護(hù)時(shí)取1.5～2（這里取1.5）；ICX為岸橋高壓供電系統(tǒng)外部發(fā)生單相接地故障時(shí)的電容電流；IC∑為岸橋上一級(jí)電網(wǎng)總的單相接地電容電流。

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》，6 kV電纜線路單相接地電容電流的計(jì)算公式為

式中：S為電纜芯線的標(biāo)稱截面，此項(xiàng)目高壓卷盤電纜截面為150 mm2；Ur為線路額定線電壓，此項(xiàng)目線電壓為倍相電壓，即11.43 kV；l為線路長(zhǎng)度，假設(shè)從變電站到設(shè)備的長(zhǎng)度為3 km。

由此，該項(xiàng)目單相接地電容電流IC＝（95+2.84×150）/（2 200+6×150）×11.43×2＝ 3.84 A，假設(shè)電網(wǎng)的總單相接地電容電流IC∑為15 A。

接地保護(hù)設(shè)定電流為

該項(xiàng)目接地保護(hù)設(shè)定電流設(shè)為6 A，動(dòng)作時(shí)限為0.3 s，岸橋主副變饋線柜保護(hù)線路外部為同一線路，故2個(gè)饋線柜F650接地保護(hù)設(shè)定值一致。主副變壓器接地路保護(hù)在F650中的設(shè)定如圖7所示。

圖7 岸橋主副變壓器饋線柜接地保護(hù)設(shè)定

2.4 過壓及欠壓保護(hù)

供電系統(tǒng)中因電壓波動(dòng)而使用電設(shè)備端子電壓實(shí)際值偏離額定值時(shí)，其設(shè)備性能都會(huì)受到影響。一旦岸橋電氣設(shè)備出現(xiàn)故障，輕則影響設(shè)備使用壽命，重則導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)岸橋裝卸作業(yè)中斷，造成難以想象的損失。為了保障岸橋電氣設(shè)備穩(wěn)定可靠工作，利用F650綜保裝置的過壓與欠壓保護(hù)功能，可有效避免因電能質(zhì)量不穩(wěn)定造成的設(shè)備故障。由GB/T 12325－2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》規(guī)定的供電電壓允許偏差限值可知，岸橋高壓供電系統(tǒng)電壓允許偏差不超過標(biāo)稱電壓的±7%。高壓柜2個(gè)饋線柜電壓互感器變比為66，二次側(cè)額定電壓為100 V，過壓保護(hù)設(shè)為107 V，動(dòng)作時(shí)限為0.5 s；欠壓保護(hù)設(shè)為93 V，動(dòng)作時(shí)限為0.5 s。過壓及欠壓保護(hù)在F650中的設(shè)定如圖8、圖9所示。

圖8 岸橋主副變壓器饋線柜過壓保護(hù)設(shè)定

圖9 岸橋主副變壓器饋線柜欠壓保護(hù)設(shè)定

2.5 低頻及過頻保護(hù)

電氣設(shè)備只有在額定頻率附近運(yùn)行時(shí)才能發(fā)揮最好的性能，頻率過低或過大都會(huì)對(duì)引起岸橋設(shè)備上電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，對(duì)電氣元件及岸橋正常作業(yè)產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定也會(huì)影響岸橋上的電子設(shè)備的正常工作。由GB/T 15945—1995《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》規(guī)定的頻率允許偏差限值可知，岸橋高壓供電系統(tǒng)頻率允許偏差的范圍為±0.5 Hz。根據(jù)岸橋?qū)嶋H作業(yè)情況和設(shè)備當(dāng)?shù)氐墓╇娤到y(tǒng)頻率，低頻保護(hù)動(dòng)作值設(shè)為49.5 Hz，動(dòng)作時(shí)限設(shè)為0.4 s；低頻保護(hù)動(dòng)作值設(shè)為50.5 Hz，動(dòng)作時(shí)限設(shè)為0.4 s。低頻及過頻保護(hù)在F650中的設(shè)定如圖10、圖11所示。

圖10 岸橋主副變壓器饋線柜低頻保護(hù)設(shè)定

圖11 岸橋主副變壓器饋線柜過頻保護(hù)設(shè)定

2.6 負(fù)序電壓保護(hù)

為了避免供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致岸橋供電系統(tǒng)三相電壓不平衡，可利用F650的負(fù)序過電壓保護(hù)功能。在正常狀態(tài)下，岸橋電力系統(tǒng)三相對(duì)稱，只有正序分量，負(fù)序和零序分量均為零。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，主要由于負(fù)荷不平衡、系統(tǒng)三相阻抗不對(duì)稱以及消弧線圈的不正確調(diào)諧會(huì)引起系統(tǒng)的三相電壓不平衡，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量。F650負(fù)序電壓保護(hù)的設(shè)置參數(shù)如圖12所示。

圖12 岸橋主副變壓器饋線柜負(fù)序電壓保護(hù)設(shè)定

2.7 主副變壓器過溫保護(hù)

岸橋高壓供電系統(tǒng)除了上述保護(hù)外，通常會(huì)在主副變壓器裝設(shè)溫控裝置。溫控器設(shè)有超溫報(bào)警和超溫跳閘2個(gè)信號(hào)，主副變壓器為干式變壓器絕緣等級(jí)155 F，超溫報(bào)警設(shè)為130 ℃，超溫跳閘設(shè)為150 ℃。當(dāng)變壓器三相線包溫度中的最高相溫度達(dá)到設(shè)定超溫報(bào)警溫度時(shí)，溫控器會(huì)發(fā)出蜂鳴報(bào)警，面板上超溫顯示燈亮，并通過溫控器后板報(bào)警輸出端輸出開關(guān)量信號(hào)給F650綜保裝置。當(dāng)變壓器三相線包溫度中的最高相溫度達(dá)到設(shè)定超高溫跳閘溫度時(shí)，溫控器會(huì)發(fā)出蜂鳴報(bào)警，面板上跳閘顯示燈亮，并通過溫控器后板跳閘輸出端輸出開關(guān)量信號(hào)給F650綜保裝置啟動(dòng)斷路器跳閘信號(hào)，以切斷電源，保護(hù)變壓器。

3 結(jié)語(yǔ)

通過新加坡PSA雙小車岸橋項(xiàng)目高壓供電系統(tǒng)繼電保護(hù)參數(shù)的設(shè)置，對(duì)F650綜保裝置的工作原理以及過電流保護(hù)、短路保護(hù)、接地保護(hù)、過壓及欠壓保護(hù)、低頻及過頻保護(hù)、負(fù)序電壓保護(hù)、主副變壓器過溫保護(hù)這些具體功能在F650中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。該項(xiàng)目自2020年設(shè)備到達(dá)新加坡現(xiàn)場(chǎng)投入使用以來，運(yùn)行效果良好，至今未發(fā)生過因繼保參數(shù)不當(dāng)導(dǎo)致的岸橋設(shè)備故障。提高了岸橋供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為岸橋設(shè)備安全可靠作業(yè)提供了保障。