電動輪胎吊供電設計要點

姚建新

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

0 引言

國家在“十二五”規劃中明確提出了節能降耗和污染減排的目標，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。同時我國國民經濟快速增長與資源瓶頸的矛盾日益突出，燃油供應日趨緊張，世界油價與碼頭運營燃油費用成本居高不下。集裝箱碼頭的輪胎吊柴油發電機組工作過程中產生的廢氣排放、高噪聲等環境污染問題也日益引起港口管理部門的重視。在上述背景下，2006年以來采用市電電網供電的輪胎吊“油改電”方案在深圳港、青島港、上海港等相繼實施，并都取得了較好的試驗效果。

就目前已實施“油改電”的電動輪胎吊（以下簡稱eRTG）方案而言，主要區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，供電系統也不盡相同，以下就南京港龍潭港區四期工程的具體案例，并結合負荷計算、交直流供電、電壓等級、變電所與滑觸線受電點設置、中性點接地方式等比較，闡述eRTG供電設計的有關要點。

1 項目概況

南京港龍潭港區四期工程屬一期工程的擴建工程，建設5個3萬噸級集裝箱泊位，碼頭長度1 400 m。碼頭上采用集裝箱裝卸橋進行裝卸船作業，重箱堆場采用eRTG作業。

后方陸域共設二線重箱堆場，每線共5塊重箱堆場。一線重箱堆場設4組輪胎吊跑道，二線堆場設6組輪胎吊跑道，重箱堆場共設置50個箱區。

受投資限制，本工程近期新配置20臺eRTG，當作業繁忙時可調用一期工程的部分eRTG。經與業主多次討論，確定每個箱區同時作業的eRTG數量最多為2臺，每塊一線與二線堆場的10個箱區同時作業的eRTG數量最多為10臺。

本工程堆場平面布置見圖1，圖中僅表示一線與二線重箱堆場的布置情況。

2 負荷計算

eRTG上主要電氣設備為起升電機、小車電機、大車電機（一般與起升電機不同時工作）、照明控制隔離變壓器等，除隔離變壓器為連續工作制負荷外，其他電機均為短時或周期工作制負荷。輪胎吊負荷計算分為單機負荷計算、共用干線負荷計算、變壓器容量計算、堆場負荷計算四種不同情況進行計算。

單臺eRTG（單機負荷） 等效長期工作電流和尖峰電流、多臺eRTG共用干線的工作電流和尖峰電流都可以參照《海港工程設計手冊》內有關門機電流的計算公式進行計算，工作電流用來選擇供電電纜和滑觸線的截面大小，尖峰電流用來校核供電電纜或滑觸線的截面是否符合eRTG起動壓降要求。

在變電所變壓器容量選擇時，一般采用需要系數法確定計算負荷。首先針對eRTG的負荷特性，考慮到eRTG上各大機構不同時工作的情況，應在單機設備裝機容量基礎上考慮同時系數后才能確定單臺eRTG的設備功率。根據額定起重量、起升高度、起升速度，以及三大機構的電動機容量來選取eRTG的同時系數，一般在0.65～0.75之間。然后根據該變電所供電范圍內eRTG可能運行的最大數量確定需要系數，進行負荷計算。最后根據計算負荷、運行方式、管理維護等因素確定變壓器的容量與臺數。

需要系數的取值和eRTG最大運行數量密切相關，運行臺數越多，需要系數值越小，其參數的選取參照《海港工程設計手冊》中表6-4-2-2“多臺起重機的同時系數”，并略作調整，具體見表1。

表1 多臺輪胎吊的需要系數

根據圖1所示，每座變電所供電范圍內eRTG數量最多為10臺，為防止變壓器故障或檢修維護對生產的影響，確定變壓器臺數為2臺。

eRTG上各大機構的電動機容量配置因裝卸作業要求的不同而有所不同，根據設備廠提供的有關資料，不同港區的電動機配置情況詳見表2。

表2 eRTG各機構電動機容量配置表

為了保證供電可靠性，本工程每臺eRTG的裝機容量取390 kW，同時系數取0.7，單機功率為273 kW。每臺變壓器容量按5臺eRTG考慮，需要系數取0.5，并考慮在變電所內設置動態電容補償裝置，補償容量為270 kvar。經計算，變壓器容量選擇1 000 kVA，負載率為73%。

兩臺變壓器之間設置聯絡開關，在一臺變壓器故障情況下，另一臺變壓器可以較長時間地帶8臺eRTG運行，負載率為96%。在2 h內可以帶全部10臺eRTG運行，負載率為123%。如此配置變電所供電系統基本滿足了堆場裝卸作業需求。

3 取電方式選擇

目前，國內集裝箱碼頭eRTG取電方式大多選擇電纜卷盤或低架滑觸線供電，個別碼頭選擇高架滑觸線供電。鑒于龍潭港區屬于多雷地區，且發生側擊雷的情況較多，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行可靠性與安全性、維護保養、占用堆場空間、電源壓降變化、對跑偏的要求、設計與施工難度等多方面占有優勢，而低架滑觸線供電方式在經濟型、轉場操作性、雙側供電等多方面占有優勢。

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箱區作業時不需要進行插頭插拔作業，橫向轉場超過插座箱所處箱區時或者縱向轉場時都必須進行插頭插拔作業，插頭插拔作業不僅需要操作時間，而且地面需要配置專業人員來操作，因此電纜卷盤供電方式較適合于eRTG轉場作業較少的港區，從而體現其安全可靠的特性。而在低架滑觸線供電方式下，eRTG可采用自動伸縮機構進行取電，轉場時采用機上小容量發電機組進行供電，所有轉場操作任務均由eRTG司機一人完成。

結合本工程具體情況，即堆場eRTG配置數量較少，轉場操作作業量大，且考慮工程投資費用因素，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，國內集裝箱碼頭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，兩種方式在技術可靠性、經濟合理性、維護保養、風險程度等方面各有優劣。

4.1 技術可靠性

交流供電系統在港口行業內屬于傳統的技術，包括設計、施工、運行管理等方面均成熟可靠；而直流供電系統在鐵路、軌交等行業內應用較多，技術上也是成熟可靠的，但在港口行業內較少使用，屬于新技術，設計、施工、尤其運行管理均缺乏經驗。

4.2 經濟合理性

滑觸線供電系統主要包括土建基礎、滑觸線系統、eRTG電控系統、地面配電系統四大部分。交直流供電系統除了絕緣滑觸線數量、地面整流變壓器與整流系統外，其他土建基礎、滑觸線支架系統與取電裝置、eRTG電控系統、地面其他配電系統的投資費用均相差不大。

經分項價格估算，直流系統與交流系統相比較，本工程的地面整流變壓器與整流系統費用需增加投資830萬元，絕緣滑觸線費用可節省435萬元。綜合來看，直流供電系統投資費用略高于交流供電系統，增加投資額約占整個工程供電投資費用的4%左右。

4.3 維護保養

采用直流供電方式時，地面整流系統內的電子元器件較多，需要港區電氣維護人員具有豐富的整流與逆變方面的知識，而龍潭港區運行人員均缺乏該方面的知識與維護技能。

4.4 風險程度

由于整流系統中電子元器件較常規交流配電元器件容易發生故障，且使用壽命較短，一旦變電所內整流系統發生故障，會影響港區大面積箱區作業癱瘓，風險較高。

通過上述經濟技術比較，本工程eRTG采用交流供電方式。

5 電壓等級

地面供電系統的電壓等級選取與堆場箱區布置、變電所布置、取電方式與滑觸線受電點位置、eRTG上的供電系統電壓等級等均有緊密聯系。

由于目前國內大部分常規輪胎吊上的柴油發電機組輸出電壓為440 V左右，在供電線路的容量和電壓降可滿足設備作業的前提下，應優先采用該電壓等級，使得地面與機上電壓等級保持一致。在已實施“油改電”項目或新建集裝箱碼頭中，大部分碼頭的地面供電電壓等級采用440V，部分碼頭采用690 V，極少數碼頭采用900 V以上。

考慮到變壓器和線路的電壓損失，為了保證eRTG作業時的電壓偏差在一定范圍內，變壓器二次側額定值選擇460 V，同時考慮到市政電網的供電電壓等級與電壓偏差因素，變壓器一次側額定值采用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，優先確定地面供電電壓等級為440 V，通過調整變電所與滑觸線受電點位置來滿足eRTG作業對供電系統的要求。

6 變電所與滑觸線受電點設置

地面變電所布置應與滑觸線受電點方式、位置相協調，在不考慮多點供電方案的情況下，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，則受電點設在滑觸線的中點最為理想，此時為減少地面供電電纜的長度和線路電壓降，變電所宜設在每塊箱區的中間，即圖2中的變電所位置一和受電點位置一。

方案二：若考慮一座變電所同時向多塊箱區供電，則變電所的位置宜設在縱路旁，此時滑觸線的受電點也宜設在變電所所在縱路兩側，即圖2中的變電所位置二和受電點位置二。

因每個箱區同時作業的eRTG數量最多為2臺，經過計算，同時作業時干線電流為332 A，滑觸線額定電流選擇800 A。假定同一滑觸線上兩臺eRTG作業時的較不利情況：方案一中一臺eRTG離受電點1/3處作業，另一臺eRTG在滑觸線端部作業；方案二中一臺eRTG在箱區中間作業，另一臺eRTG在滑觸線端部作業。由變電所至受電點的供電電纜為三拼YJV-1 kV 3×300+1×150，為受電點兩側2個箱區的兩條滑觸線同時供電。在此條件下，由于兩種方案不同箱區滑觸線受電點距離變電所的線路長度不同，當正常運行時或一臺eRTG起動時，不同箱區滑觸線末端的電壓降也有所不同。根據《工業與民用配電設計手冊》（3版） 第九章第五節表9-63、表9-78、表9-84中的計算公式和技術數據，不同箱區的滑觸線末端電壓降的最大值與最小值見表3。

表3 不同箱區的滑觸線末端電壓降%

參照《海港工程設計手冊》（下冊）第六章門機供電的相關要求，當eRTG采用雙側供電時，機上兩側由滑觸線受電點至最大電動機的線路長度在35～40 m和55～60 m之間，機上正常壓降最大值在0.8%左右，起動壓降最大值在2.5%左右。

為了滿足eRTG正常作業的要求，供電線路全長正常壓降應不超過5%，起動壓降應不超過15%。方案一滿足上述要求，而方案二不能滿足要求，對碼頭生產作業有一定的影響。

因此本工程采用方案一布置變電所位置，在五塊堆場分別設置一座變電所，即圖1中的11號～15號變電所。同時變電所的布置位置也決定了滑觸線受電點的位置，即圖2受電點位置一。

7 中性點接地方式

低壓配電系統的中性點接地方式按《供配電系統設計規范》分類，可分為TN系統、TT系統、IT系統三大類。輪胎吊上發電機中性點一般不接地或通過高阻進行接地，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構作為一個接地的等電位面。在RTG采用機上發電機組供電運行時，其整體鋼結構作為輪胎吊整個供電系統的接地極，即懸浮地；在RTG采用市政電網供電運行時，其整體鋼結構通過滑觸線的PE線與傳統意義上的大地連接。因此從低壓配電系統的中性點接地方式來看，輪胎吊上低壓配電系統屬于IT系統。根據《低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗》（2版）第六章內容，IT系統與TN系統對單相接地故障采用完全不同的保護方式。因此，為了使eRTG接受地面電源供電時機上原有保護不受影響，新建工程的地面配電系統也應采用IT系統。

但是，由于本工程配置eRTG數量較少，當作業繁忙時會調用一期工程的部分eRTG，而一期工程地面配電系統采用TN系統，且對eRTG進行了改造，因此本工程為了與一期工程相協調，本工程的地面配電系統也采用TN系統。

8 結語

綜前所述，龍潭港區四期工程eRTG供電系統采用了低架滑觸線供電方式，變電所與滑觸線受電點均布置在箱區中間位置，電壓等級采用交流440 V，地面低壓配電系統接地型式采用TN系統。

通過案例分析，讓設計人員了解，要做好集裝箱碼頭的eRTG供電設計，應該針對工程項目的具體情況，通過分析、計算，選擇合適的供電方案，做到經濟性與可靠性相協調。

[1] 海港工程設計手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 工業與民用配電設計手冊（3版）[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3]GB 50052—2009，供配電系統設計規范[S].

[4] 王厚余.低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗（2版）[M].北京：中國電力出版社，2007.