碼頭工程配電系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)思考

陳玖鴻

摘 要： 作為碼頭工程中重要的電氣設(shè)計(jì)模塊，配電工程設(shè)計(jì)中的接地設(shè)計(jì)極為重要，能夠有效地提升碼頭工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性與可靠性，為工作人員的人身安全與相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供支撐。由于接地設(shè)計(jì)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中存在多種安全隱患，這就需要對接地設(shè)計(jì)進(jìn)行分析思考，根據(jù)10 kV電網(wǎng)不接地與低電壓接地的方式進(jìn)行分析，深化對碼頭工程接地系統(tǒng)的理解，從而為其接地設(shè)計(jì)提供有效的參考。

關(guān)鍵詞： 電氣設(shè)計(jì) 碼頭工程 配電系統(tǒng) 接地設(shè)計(jì)

中圖分類號： TU856文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 1679-3567（2023）12-0035-03在配電系統(tǒng)中，接地設(shè)計(jì)關(guān)乎人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，并對電氣電子設(shè)備安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。碼頭工程中，配電系統(tǒng)主要由配電控制保護(hù)設(shè)備、配電變電所、高壓線路、變壓器等組成。我國配電系統(tǒng)的主要接地方式為TT、TN等系統(tǒng)，在我國10 kV的電網(wǎng)系統(tǒng)中，通常以不接地的形式設(shè)計(jì)，也就是電源端帶電導(dǎo)體一側(cè)不接地、高電阻接地或者諧振接地，近年來個(gè)別城市10 kV電網(wǎng)以低電阻進(jìn)行接地，提升配電系統(tǒng)的可靠性與安全性成為業(yè)界所關(guān)注的重點(diǎn)設(shè)計(jì)問題。

1 碼頭工程供配電系統(tǒng)特性與工藝設(shè)備供電

1.1 碼頭工程配電系統(tǒng)特性

碼頭工程電氣系統(tǒng)中具有供電范圍較大的特點(diǎn)，通常情況下，碼頭工程配電系統(tǒng)中存在多種負(fù)載，種類相對較多，在供電范圍上，其配電系統(tǒng)范圍通常為數(shù)平方千米，碼頭工程中的貨物移動、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)都需要由碼頭的供配電系統(tǒng)進(jìn)行電力支撐，碼頭工程配電系統(tǒng)面臨著較大的用電負(fù)荷，上萬伏安的情況較為普遍，且碼頭配電電壓包含全面，通常情況下包含了220 V、380 V低壓與10 kV高壓。碼頭的配電系統(tǒng)中，多采用10 kV高壓，將電源傳輸?shù)酱a頭變電所，碼頭工程中包含多個(gè)變配電所。變配電所不僅是高壓負(fù)荷端，還是低壓電源端，其接地方式需要根據(jù)上級變電站的實(shí)際情況決定[1]。

1.2 碼頭工程設(shè)備供電

碼頭工程中，其主要的用電設(shè)備為卸船機(jī)等裝卸設(shè)備，有著用電功率大的特性，為了實(shí)現(xiàn)高效率的裝卸，通常將此類設(shè)備設(shè)置在碼頭前端軌道之上，在其運(yùn)行范圍的中間點(diǎn)設(shè)置接電箱。一般情況下，接電箱通常位于碼頭前沿接電井內(nèi)，而個(gè)別較為專業(yè)的碼頭工程中，會設(shè)有皮帶機(jī)，在高架橋鋼結(jié)構(gòu)上安裝高壓接電箱，同時(shí)，為了更加方便地開展維修作業(yè)，還會在皮帶機(jī)沿線中配備維修電源。

碼頭中的貨物通過皮帶機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸傳送，皮帶機(jī)驅(qū)動通常采用單臺高壓電動機(jī)或者低壓電機(jī)，電動機(jī)通過變配電內(nèi)高壓柜與低壓柜進(jìn)行供電，由于皮帶機(jī)沿線存在風(fēng)機(jī)，故而電動機(jī)還需要進(jìn)行風(fēng)機(jī)供電，其電源供給來自變電所的低壓配電柜，此時(shí)電機(jī)功率較大，需要采用軟啟動器的電動機(jī)配電回路。

裝車樓是碼頭運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，配有除塵設(shè)備、皮帶機(jī)等。裝車樓與變電所相近，則可通過變電所配電柜進(jìn)行直接供電，如相距較遠(yuǎn)，則可設(shè)置內(nèi)有配電柜與控制柜的電氣室。為了提升電氣室的穩(wěn)定性與安全性，使用0.4 kV的供電回路，根據(jù)就近原則，通過變電所配電柜進(jìn)行供電。

我國碼頭工程中，通常采用共同接地的方式，這是由于工程中變配電所、碼頭難以分割，或由于接地成本過高，需要對暫時(shí)工頻過電壓進(jìn)行重視。根據(jù)碼頭工程實(shí)際情況與上級電網(wǎng)系統(tǒng)接地形式，進(jìn)行綜合考量，確定電阻值，實(shí)現(xiàn)碼頭工程配電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、安全性、穩(wěn)定性的提升[2]。

2 碼頭配電系統(tǒng)容量計(jì)算與供電方式

2.1 碼頭配電系統(tǒng)容量計(jì)算

根據(jù)碼頭實(shí)際運(yùn)行情況，各位置?？看皵?shù)量與船型的差距，用電情況存在較大差距，船舶用電負(fù)荷（kW）通過Pex表示，碼頭供電系統(tǒng)容量需要根據(jù)其泊位、船舶及其設(shè)備用電需求來確定。在多艘船舶用電容量計(jì)算中，將碼頭泊位?？康拇皵?shù)量成為系數(shù)，例如：單個(gè)泊位碼頭供電系統(tǒng)系數(shù)為0.8～1，多個(gè)泊位情況下，碼頭供電系統(tǒng)系數(shù)為0.45～0.8，系數(shù)通過KP表示，碼頭工程供電系統(tǒng)容量可通過以下公式表示。

2.2 碼頭系統(tǒng)供電方式

碼頭工程中，主要通過船舶噸位、船舶類型、供電容量、電纜情況等因素，綜合分析后確定岸電的連接方式，總體來說，可分為高壓供電與低壓供電。導(dǎo)線載流量需要根據(jù)供電系統(tǒng)的容量與電纜匹配情況、敷設(shè)方式、環(huán)境等因素進(jìn)行計(jì)算，公式如下。

碼頭供電系統(tǒng)容量需要通過單臺最大發(fā)電機(jī)組額定容量、泊位使用情況與船舶用電情況進(jìn)行綜合考量。根據(jù)我國的標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)要求，碼頭系統(tǒng)容量小于360 kVA時(shí)，可采用低壓供電，容量在630 kVA～ 1 600 kVA時(shí)，建議采用高壓供電，當(dāng)容量大于1 600 kVA時(shí)，則需要采用高壓供電。在高壓供電方式下，由于電纜長度與相關(guān)管理系統(tǒng)體系小，空間占用率小，方便碼頭設(shè)備的操作與船舶停靠[3]。

3 碼頭工程變電所配電系統(tǒng)

在變電所高低壓主接線上，為了保證系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，變電所主接線為雙回路的10 kV電源線，通過分段的接線形式，設(shè)置開關(guān)，某一回路如若發(fā)生故障，則另一回路能夠承擔(dān)所有負(fù)荷，并通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理，對各變電所信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，匯總傳輸至中心變電所與上級變電站，實(shí)現(xiàn)上級變電站的統(tǒng)一管理[4]。

變壓器選取中，碼頭工程供電系統(tǒng)需要可全部選取干式變壓器，根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，變壓器能效需要達(dá)標(biāo)，相較傳統(tǒng)的變壓器，干式變壓器有著體積小，無變壓器油等優(yōu)勢，但是其過載能力不足。故而，在選擇上，需要從整體、長遠(yuǎn)的角度開率，保證變壓器負(fù)載率小于90%[5]。

電纜選擇與敷設(shè)方式上，敷設(shè)電纜主要是在皮帶機(jī)沿線電纜橋內(nèi)，為了防止貨物的堆積，需要在橋架上加裝蓋板，并通過多層橋架進(jìn)行共同敷設(shè)。在碼頭工程中個(gè)別狹小空間處，為了避免出現(xiàn)影響干涉的情況，需要進(jìn)行各模塊仔細(xì)設(shè)計(jì)協(xié)商，橋架至用電設(shè)備間電纜一般采用穿鍍鋅鋼管保護(hù)的敷設(shè)方式。

4 碼頭工程配電系統(tǒng)接地分析

在碼頭項(xiàng)目工程中，前端傳播裝卸設(shè)備、照明等設(shè)備有著短路、雷擊等風(fēng)險(xiǎn)，對設(shè)備設(shè)施產(chǎn)生影響，甚至?xí)霈F(xiàn)斷電、火災(zāi)等危害，故而，需要做好碼頭工程的接地設(shè)計(jì)，為碼頭日常運(yùn)轉(zhuǎn)提供有效支撐。根據(jù)碼頭的自然環(huán)境與相關(guān)設(shè)備接地情況，設(shè)置接閃桿，進(jìn)行接地連接，在防雷處理中，可通過碼頭建筑接閃帶或其他防雷舉措實(shí)現(xiàn)。碼頭工程通常采用TN-S接地系統(tǒng)，在系統(tǒng)之中，保護(hù)接地、防雷接地、電氣設(shè)備接地采用共同裝置，接地電阻不得大于1 Ω。正常情況下，外漏導(dǎo)體需要同PE線進(jìn)行連接，并且裝卸設(shè)備需要在接地的情況下做好電氣連接，管線與設(shè)備需要進(jìn)行防靜電接地處理。在防靜電接地處理中，需要在碼頭前端裝設(shè)人體靜電消除裝置，碼頭與船舶間需要采取電氣絕緣措施[6]。

根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，通過對1 kV及其以下的設(shè)備進(jìn)行供電，電阻為RB≤50 kV/Id，并且RB不可大于4 Ω。在碼頭工程中，變配電所如果發(fā)生接地故障，接地電流Id則≤20 A，故障電壓Uf≤80 V，整個(gè)供電系統(tǒng)中，在故障狀態(tài)下，供電回路依然能夠運(yùn)行一段時(shí)間，如圖1所示，Uf為暫時(shí)過電壓，接地故障電流為Id。

5 碼頭配電系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)

5.1 碼頭接地設(shè)計(jì)

在碼頭工程配電系統(tǒng)中，接地設(shè)計(jì)是極為重要的設(shè)計(jì)工作，如何對配電系統(tǒng)進(jìn)行敷設(shè)，也是碼頭工程施工的重要內(nèi)容。在實(shí)際施工過程中，配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平較低與施工質(zhì)量不足，都會造成嚴(yán)重的后果，影響人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。這就需要通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)與施工，為碼頭工程配電系統(tǒng)高效運(yùn)行提供基礎(chǔ)支撐，由于碼頭工程較為特殊，在電氣設(shè)計(jì)與施工中，難度較高，對此應(yīng)該提升對其重視程度。

在現(xiàn)代化的碼頭工程中，用電設(shè)備逐漸增多，由于用電安全與供電標(biāo)準(zhǔn)的提升，對電氣設(shè)備要求也在逐漸嚴(yán)格。碼頭工程中，船舶、設(shè)備、建筑物都面臨著暴雨與累積故障的風(fēng)險(xiǎn)，加之配電系統(tǒng)運(yùn)行中的其他故障，更加體現(xiàn)了配電系統(tǒng)接地的重要性。配電系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)可分為系統(tǒng)性接地與保護(hù)性接地，系統(tǒng)性接地主要是將配電系統(tǒng)電源點(diǎn)進(jìn)行接地保護(hù)，幫助系統(tǒng)抵御運(yùn)行中的過電壓與雷擊影響，降低絕緣擊穿概率。保護(hù)性接地是將負(fù)荷側(cè)金屬電氣設(shè)備與技術(shù)外殼裸露部分進(jìn)行保護(hù)性接地，能夠保證線路在過電壓或者雷擊后依舊暢通，預(yù)防火災(zāi)等事故的發(fā)生。

5.2 故障分析

（1）電流互感器高壓開關(guān)柜安裝過程中，安裝位置存在偏差，零序電流互感器進(jìn)線、饋線柜需要于入口處進(jìn)行安裝，但是出口電纜安裝錯(cuò)誤，難以對母線進(jìn)行保護(hù)。（2）碼頭配電系統(tǒng)電流互感器備注不夠完善，這種表示、型號、能力、精度標(biāo)識不全面將會為未來操作埋下隱患。（3）在變壓器設(shè)備選取上，需要根據(jù)實(shí)際情況，以節(jié)能、減少投入的思維選擇較為節(jié)能的變壓器，如個(gè)別工程中選取鋁芯變壓器設(shè)備，由于其能耗較高，導(dǎo)致碼頭工程實(shí)際投入增加。（4）高壓母線與分子母線需要采用較好的絕緣材料，并且保證其熱縮性。（5）缺少數(shù)值準(zhǔn)確的配電設(shè)備，根據(jù)相關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)，供電系統(tǒng)中，低壓線供電半徑較小，而電源容量大于500 kW時(shí)，其需要根據(jù)實(shí)際情況增設(shè)變電所與配電所。故而，碼頭工程中，需要注重分支變電所的設(shè)置，為各類用電設(shè)備提供電源供應(yīng)。變壓器選擇過程中，需要從長遠(yuǎn)的角度進(jìn)行發(fā)展研究，保持變壓器容量的始終，實(shí)現(xiàn)碼頭工程配電系統(tǒng)成本投入的控制。

相關(guān)設(shè)計(jì)人員要對以上各類故障與問題加以重視，從而在設(shè)計(jì)過程中對其進(jìn)行規(guī)避。如果對上述情況不夠重視，碼頭工程配電系統(tǒng)中可能會出現(xiàn)漏電、觸電事故，對人員的人身安全造成威脅。在接地連接設(shè)計(jì)中，在相線與大地間，用電設(shè)備與金屬物件間，如果發(fā)生接地故障，將會導(dǎo)致出現(xiàn)短路情況，此外，接地材料如果出現(xiàn)受潮、電量泄漏情況，將會產(chǎn)生火花，甚至發(fā)生火災(zāi)。

6 接地形式直接影響著岸電系統(tǒng)的安全使用

6.1 中性點(diǎn)接地供電形式

碼頭配電系統(tǒng)三相四線系統(tǒng)中，對船舶絕緣監(jiān)測進(jìn)行關(guān)停，碼頭配電系統(tǒng)PEN線與船舶PEN線進(jìn)行連接，碼頭配電PEN先與船舶殼進(jìn)行連接，如果碼頭PEN線連接失敗或者斷掉，將會存在以下風(fēng)險(xiǎn)。

（1）船舶設(shè)備發(fā)生短路時(shí)，將會導(dǎo)致存在三相不平衡，船舶殼存在對地電壓，供電系統(tǒng)中PEN線某處斷裂或者連接較差，船舶外殼對碼頭電阻重復(fù)接地，能夠?qū)崿F(xiàn)對地電壓的減小。（2）船體如果處于重復(fù)接地時(shí)，碼頭供電系統(tǒng)PEN線出現(xiàn)斷裂，船舶處于單相接地狀態(tài)時(shí)，電阻持續(xù)變化，導(dǎo)致無法滿足保護(hù)需求。

故而，當(dāng)以三相四線接地時(shí)，碼頭供電接地系統(tǒng)需要同船舶進(jìn)行直接連接，保證用電設(shè)備與人員的安全。

6.2 中性點(diǎn)絕緣三相三線供電方式

通過對碼頭工程供電系統(tǒng)接地形式的分析，能夠明確三相三線的接地方式較為可取，為了保證整個(gè)碼頭工程的安全性，在碼頭供電系統(tǒng)使用過程中，建議船舶殼與大地進(jìn)行牢固連接，實(shí)現(xiàn)防患于未然。在碼頭配電系統(tǒng)中，三相中性點(diǎn)方式中，不可同三相三線配電系統(tǒng)連接，否則會對碼頭絕緣系統(tǒng)進(jìn)行破壞，從而造成產(chǎn)生故障問題。

7 結(jié)語

碼頭工程配電系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)極為重要，直接影響著用電人員與設(shè)備的安全，需要經(jīng)過當(dāng)?shù)刂鞴懿块T的檢查，在確認(rèn)合格后進(jìn)行具體施工。本文根據(jù)我國相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)分析得出：在10 kV電網(wǎng)不接地、高電阻與諧振接地系統(tǒng)，接地電阻RB≤50 kV/Id，并≤4 Ω時(shí)，碼頭工程變配電所可優(yōu)先采用TN系統(tǒng)，應(yīng)采用三相三線的接地方式。

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