电动轮胎吊供电设计要点

时间：2024-07-28

姚建新

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

国家在“十二五”规划中明确提出了节能降耗和污染减排的目标，明确了“十二五”期间单位GDP能耗降低16%左右，主要污染物排放总量减少8%到10%的约束性指标。同时我国国民经济快速增长与资源瓶颈的矛盾日益突出，燃油供应日趋紧张，世界油价与码头运营燃油费用成本居高不下。集装箱码头的轮胎吊柴油发电机组工作过程中产生的废气排放、高噪声等环境污染问题也日益引起港口管理部门的重视。在上述背景下，2006年以来采用市电电网供电的轮胎吊“油改电”方案在深圳港、青岛港、上海港等相继实施，并都取得了较好的试验效果。

就目前已实施“油改电”的电动轮胎吊（以下简称eRTG）方案而言，主要区别在于供电方式的不同。按取电方式分有电缆卷盘、低架滑触线和高架滑触线三种供电方式，按电流方式分有交流、直流两种供电方式，按电压等级分有460 V、690 V、900 V等多种供电方式。不同的eRTG供电方案，供电系统也不尽相同，以下就南京港龙潭港区四期工程的具体案例，并结合负荷计算、交直流供电、电压等级、变电所与滑触线受电点设置、中性点接地方式等比较，阐述eRTG供电设计的有关要点。

1 项目概况

南京港龙潭港区四期工程属一期工程的扩建工程，建设5个3万吨级集装箱泊位，码头长度1 400 m。码头上采用集装箱装卸桥进行装卸船作业，重箱堆场采用eRTG作业。

后方陆域共设二线重箱堆场，每线共5块重箱堆场。一线重箱堆场设4组轮胎吊跑道，二线堆场设6组轮胎吊跑道，重箱堆场共设置50个箱区。

受投资限制，本工程近期新配置20台eRTG，当作业繁忙时可调用一期工程的部分eRTG。经与业主多次讨论，确定每个箱区同时作业的eRTG数量最多为2台，每块一线与二线堆场的10个箱区同时作业的eRTG数量最多为10台。

本工程堆场平面布置见图1，图中仅表示一线与二线重箱堆场的布置情况。

2 负荷计算

eRTG上主要电气设备为起升电机、小车电机、大车电机（一般与起升电机不同时工作）、照明控制隔离变压器等，除隔离变压器为连续工作制负荷外，其他电机均为短时或周期工作制负荷。轮胎吊负荷计算分为单机负荷计算、共用干线负荷计算、变压器容量计算、堆场负荷计算四种不同情况进行计算。

单台eRTG（单机负荷）等效长期工作电流和尖峰电流、多台eRTG共用干线的工作电流和尖峰电流都可以参照《海港工程设计手册》内有关门机电流的计算公式进行计算，工作电流用来选择供电电缆和滑触线的截面大小，尖峰电流用来校核供电电缆或滑触线的截面是否符合eRTG起动压降要求。

在变电所变压器容量选择时，一般采用需要系数法确定计算负荷。首先针对eRTG的负荷特性，考虑到eRTG上各大机构不同时工作的情况，应在单机设备装机容量基础上考虑同时系数后才能确定单台eRTG的设备功率。根据额定起重量、起升高度、起升速度，以及三大机构的电动机容量来选取eRTG的同时系数，一般在0.65～0.75之间。然后根据该变电所供电范围内eRTG可能运行的最大数量确定需要系数，进行负荷计算。最后根据计算负荷、运行方式、管理维护等因素确定变压器的容量与台数。

需要系数的取值和eRTG最大运行数量密切相关，运行台数越多，需要系数值越小，其参数的选取参照《海港工程设计手册》中表6-4-2-2“多台起重机的同时系数”，并略作调整，具体见表1。

表1 多台轮胎吊的需要系数

根据图1所示，每座变电所供电范围内eRTG数量最多为10台，为防止变压器故障或检修维护对生产的影响，确定变压器台数为2台。

eRTG上各大机构的电动机容量配置因装卸作业要求的不同而有所不同，根据设备厂提供的有关资料，不同港区的电动机配置情况详见表2。

表2 eRTG各机构电动机容量配置表

为了保证供电可靠性，本工程每台eRTG的装机容量取390 kW，同时系数取0.7，单机功率为273 kW。每台变压器容量按5台eRTG考虑，需要系数取0.5，并考虑在变电所内设置动态电容补偿装置，补偿容量为270 kvar。经计算，变压器容量选择1 000 kVA，负载率为73%。

两台变压器之间设置联络开关，在一台变压器故障情况下，另一台变压器可以较长时间地带8台eRTG运行，负载率为96%。在2 h内可以带全部10台eRTG运行，负载率为123%。如此配置变电所供电系统基本满足了堆场装卸作业需求。

3 取电方式选择

目前，国内集装箱码头eRTG取电方式大多选择电缆卷盘或低架滑触线供电，个别码头选择高架滑触线供电。鉴于龙潭港区属于多雷地区，且发生侧击雷的情况较多，因此本工程不适合选择高架滑触线供电方式。

电缆卷盘供电方式在运行可靠性与安全性、维护保养、占用堆场空间、电源压降变化、对跑偏的要求、设计与施工难度等多方面占有优势，而低架滑触线供电方式在经济型、转场操作性、双侧供电等多方面占有优势。

假如考虑采用电缆卷盘供电方式，eRTG在插座箱所处的相邻两个箱区作业时不需要进行插头插拔作业，横向转场超过插座箱所处箱区时或者纵向转场时都必须进行插头插拔作业，插头插拔作业不仅需要操作时间，而且地面需要配置专业人员来操作，因此电缆卷盘供电方式较适合于eRTG转场作业较少的港区，从而体现其安全可靠的特性。而在低架滑触线供电方式下，eRTG可采用自动伸缩机构进行取电，转场时采用机上小容量发电机组进行供电，所有转场操作任务均由eRTG司机一人完成。

结合本工程具体情况，即堆场eRTG配置数量较少，转场操作作业量大，且考虑工程投资费用因素，选择低架滑触线供电方式是非常合适的。

4 交直流供电选择

目前，国内集装箱码头eRTG普遍采用交流供电方式，只有深圳妈湾和赤湾等极少数码头采用了直流供电方式。交流供电方式可适用于eRTG不同的取电方案，直流供电方式一般适用于滑触线取电方案，两种方式在技术可靠性、经济合理性、维护保养、风险程度等方面各有优劣。

4.1 技术可靠性

交流供电系统在港口行业内属于传统的技术，包括设计、施工、运行管理等方面均成熟可靠；而直流供电系统在铁路、轨交等行业内应用较多，技术上也是成熟可靠的，但在港口行业内较少使用，属于新技术，设计、施工、尤其运行管理均缺乏经验。

4.2 经济合理性

滑触线供电系统主要包括土建基础、滑触线系统、eRTG电控系统、地面配电系统四大部分。交直流供电系统除了绝缘滑触线数量、地面整流变压器与整流系统外，其他土建基础、滑触线支架系统与取电装置、eRTG电控系统、地面其他配电系统的投资费用均相差不大。

经分项价格估算，直流系统与交流系统相比较，本工程的地面整流变压器与整流系统费用需增加投资830万元，绝缘滑触线费用可节省435万元。综合来看，直流供电系统投资费用略高于交流供电系统，增加投资额约占整个工程供电投资费用的4%左右。

4.3 维护保养

采用直流供电方式时，地面整流系统内的电子元器件较多，需要港区电气维护人员具有丰富的整流与逆变方面的知识，而龙潭港区运行人员均缺乏该方面的知识与维护技能。

4.4 风险程度

由于整流系统中电子元器件较常规交流配电元器件容易发生故障，且使用寿命较短，一旦变电所内整流系统发生故障，会影响港区大面积箱区作业瘫痪，风险较高。

通过上述经济技术比较，本工程eRTG采用交流供电方式。

5 电压等级

地面供电系统的电压等级选取与堆场箱区布置、变电所布置、取电方式与滑触线受电点位置、eRTG上的供电系统电压等级等均有紧密联系。

由于目前国内大部分常规轮胎吊上的柴油发电机组输出电压为440 V左右，在供电线路的容量和电压降可满足设备作业的前提下，应优先采用该电压等级，使得地面与机上电压等级保持一致。在已实施“油改电”项目或新建集装箱码头中，大部分码头的地面供电电压等级采用440V，部分码头采用690 V，极少数码头采用900 V以上。

考虑到变压器和线路的电压损失，为了保证eRTG作业时的电压偏差在一定范围内，变压器二次侧额定值选择460 V，同时考虑到市政电网的供电电压等级与电压偏差因素，变压器一次侧额定值采用10 kV，电压分接头选择5档，即±2×2.5%。

本工程在选择低架滑触线供电方式下，优先确定地面供电电压等级为440 V，通过调整变电所与滑触线受电点位置来满足eRTG作业对供电系统的要求。

6 变电所与滑触线受电点设置

地面变电所布置应与滑触线受电点方式、位置相协调，在不考虑多点供电方案的情况下，其布置形式有以下两种方案，详见图2。

方案一：在不考虑变电所位置而仅考虑滑触线本身的因素，则受电点设在滑触线的中点最为理想，此时为减少地面供电电缆的长度和线路电压降，变电所宜设在每块箱区的中间，即图2中的变电所位置一和受电点位置一。

方案二：若考虑一座变电所同时向多块箱区供电，则变电所的位置宜设在纵路旁，此时滑触线的受电点也宜设在变电所所在纵路两侧，即图2中的变电所位置二和受电点位置二。

因每个箱区同时作业的eRTG数量最多为2台，经过计算，同时作业时干线电流为332 A，滑触线额定电流选择800 A。假定同一滑触线上两台eRTG作业时的较不利情况：方案一中一台eRTG离受电点1/3处作业，另一台eRTG在滑触线端部作业；方案二中一台eRTG在箱区中间作业，另一台eRTG在滑触线端部作业。由变电所至受电点的供电电缆为三拼YJV-1 kV 3×300+1×150，为受电点两侧2个箱区的两条滑触线同时供电。在此条件下，由于两种方案不同箱区滑触线受电点距离变电所的线路长度不同，当正常运行时或一台eRTG起动时，不同箱区滑触线末端的电压降也有所不同。根据《工业与民用配电设计手册》（3版）第九章第五节表9-63、表9-78、表9-84中的计算公式和技术数据，不同箱区的滑触线末端电压降的最大值与最小值见表3。

表3 不同箱区的滑触线末端电压降%

参照《海港工程设计手册》（下册）第六章门机供电的相关要求，当eRTG采用双侧供电时，机上两侧由滑触线受电点至最大电动机的线路长度在35～40 m和55～60 m之间，机上正常压降最大值在0.8%左右，起动压降最大值在2.5%左右。

为了满足eRTG正常作业的要求，供电线路全长正常压降应不超过5%，起动压降应不超过15%。方案一满足上述要求，而方案二不能满足要求，对码头生产作业有一定的影响。

因此本工程采用方案一布置变电所位置，在五块堆场分别设置一座变电所，即图1中的11号～15号变电所。同时变电所的布置位置也决定了滑触线受电点的位置，即图2受电点位置一。

7 中性点接地方式

低压配电系统的中性点接地方式按《供配电系统设计规范》分类，可分为TN系统、TT系统、IT系统三大类。轮胎吊上发电机中性点一般不接地或通过高阻进行接地，如图3所示（图中为高阻接地方式），此“地”不是一般意义上的大地，而是采用轮胎吊的整体钢结构作为一个接地的等电位面。在RTG采用机上发电机组供电运行时，其整体钢结构作为轮胎吊整个供电系统的接地极，即悬浮地；在RTG采用市政电网供电运行时，其整体钢结构通过滑触线的PE线与传统意义上的大地连接。因此从低压配电系统的中性点接地方式来看，轮胎吊上低压配电系统属于IT系统。根据《低压电气装置的设计安装和检验》（2版）第六章内容，IT系统与TN系统对单相接地故障采用完全不同的保护方式。因此，为了使eRTG接受地面电源供电时机上原有保护不受影响，新建工程的地面配电系统也应采用IT系统。

但是，由于本工程配置eRTG数量较少，当作业繁忙时会调用一期工程的部分eRTG，而一期工程地面配电系统采用TN系统，且对eRTG进行了改造，因此本工程为了与一期工程相协调，本工程的地面配电系统也采用TN系统。