港口起重機能量回饋引起的內網諧振原因分析

【摘 要】港口起重機的諧振問題是典型的小系統大容量的高壓諧振問題，如果不加控制，港口起重機系統內的諧振可能會影響系統的穩定性，甚至可能損壞系統。本文通過研究港口起重機能量回饋的內網諧振原理，提出了一套解決方案。此方案可以較大程度的緩解起重機能量回饋引起的諧振。

【關鍵詞】港口起重機；能量回饋；內網諧振

港口起重機起吊能力一般在60噸以上，起吊體積一般為整個標箱。為了確保起重機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米高處的時間小于15秒，這就要求起吊功率達到4000KW。而起重機下放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。假設以上貨物10秒內安裝到掛車，其能量回饋功率達到了4200千瓦。此能量回饋如果不能得到有效控制，會給系統帶來較嚴重的后果。

1.系統現狀

碼頭工作以效率為生命，一般貨船停泊后，需要在短短2～3天內完成燃油和物資補給，完成貨物的裝卸。而一般10萬噸級的貨輪擁有超過1700個標準貨柜，系統需要在短時間內完成1700個貨柜的卸船和裝船。目前最頂級的集裝箱起重機可以在1分鐘內完成貨柜的卸船或者裝船。我碼頭目前設備與頂尖碼頭設備有一定的差距，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間和下降時間均在15秒以內。正常作業情況下，一般分為前置起重機和后置起重機，分別進行裝船和卸船，每操作100～150個貨柜，兩個起重機的分工會發生交換。

圖1 港口起重機施工現場

我碼頭有6臺集裝箱起重機，分別服務于3個集裝箱泊位，可停靠裝載量不超過1700標準貨柜的集裝箱貨船裝卸貨物，每臺起重機可以以每小時45～50個標準貨柜的速度裝卸集裝箱船，2臺起重機合作，可以40小時之內將船舶貨物完全替換。為了節約能源，增加起吊速度，起吊起重機并沒有采用渦輪蝸桿結構，而是采用了28倍行星輪結構，貨物對起重機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網電網。

本文起重機采用了35kV電動機驅動，額定容量5000kVA，額定電流142A。小車行走電動機額定電壓35kV，額定容量1500kVA，額定電流42A。桁架行走電動機4臺聯動控制，額定電壓35kV，每臺額定容量1500kVA，額定電流42A。系統35kV段總裝機容量12500kVA。系統空載時等效容性容量4000kVA，系統運轉時等效抗性容量8500kVA。為保障系統的穩定運行，系統內部署了總容量在4500kVA的35kV電容器和總容量在9000kVA的35kV電感器，根據系統內無功的實際情況進行V段智能化投切。

2.問題分析

港口起重機的大容量的簡單系統模式LC回路相對完整，雖然LC回路并不對等，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個周期的LC震蕩。引起LC諧振的主要誘發因素是饋入系統的電流。饋入系統的電流主要分為三個來源：

其一，當下送貨物的時候，大量的重力勢能在鼠籠電動機的電磁環境中被轉化為電能，且實際饋入系統的電能容量超過1200kVA。此部分電能會在系統中得到LC串聯環境的充分諧振。可能給系統帶來超過5倍額定電壓的饋電電壓。

其二，因為起重機在實際操作中頻繁發生接觸器的啟停操作，特別是系統使用了星三角換向軟起法，啟動電流較大，斷電后容易出現等效電容和等效電感之間的LC諧振。此諧振也可能給系統帶來3倍以上額定電壓的饋電電壓。

其三，最嚴重的問題在于系統起吊電動機運行過程中發生停電，可能發生電動機內電感儲能迅速釋放，與系統中電容器和電感器發生劇烈的內網諧振，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出現饋電電壓成為了系統常態，在此常態下，必須采取行之有效的措施，將諧振電流充分疏導，防止諧振增壓對系統的耐壓設施帶來破壞。同時因為系統的大部分低壓二次設備的電源直接取自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生更嚴重的浪涌問題。甚至可能造成10kV母線和400V母線發生連帶的諧振現象。

3.解決方案

3.1網內阻尼和直接接地

網內阻尼是減少諧振周期數的有效方式，通過PLC系統判斷諧振浪涌的發生，3個諧波周期內在系統內串入大電阻6～8周期，以充分阻尼網絡內的諧振。電阻值設置在30kΩ。因為串入大電阻的過程會導致系統內的工作電壓劇烈下降，且因為在本文系統中面臨的非完整LC回路中，其諧振周期一般在8～10個周期，并入6～8個周期的大電阻，可以明顯阻尼系統的諧振電流，起到將諧振浪涌轉化為諧振欠壓的作用。

同時，在系統中部署一組氧化鋅接地系統，將接地電壓設定在3倍額定電壓，也就是當系統電壓達到105kV時，氧化鋅接地系統會直接將電壓瀉出，確保系統中不會出現超過3倍額定電壓的諧振增壓現象。

3.2接地變的應用

不管是及時并入大電阻，還是使用氧化鋅接地系統進行應急接地，均存在較多的問題。因為并入大電阻使系統電壓迅速降低，但可以造成瞬時欠壓，容易燒毀電動機或者導致斷路器跳閘。氧化鋅接地的壽命有限，可能造成持續的多相接地故障和單相接地故障，導致系統的檢修壓力增大，檢修成本增加。所以系統應該在運行中防止觸動3.1中建議的系統，3.1中建議的系統僅在系統發生嚴重諧振過壓時進行動作，保護系統不出現更嚴重的事故。

ZN/YN接地變的使用，可以較大程度的平衡系統中的不均衡電壓和不均衡電流，當系統發生任何形式的偏執時，ZN/YN接地變會實現系統諧振電流的柔性接地。因為系統內的諧振功率最大可能達到1200kVA以上，所以，接地變的容量不應該小于1560kVA（1.3倍），本文選擇1800kVA的ZN/YN接地變實現柔性接地。

3.3基于PLC的綜合安全保護系統

首先，使用PLC采集系統中不少于5個點的電壓和電流矢量數據，將數據進行初步分析，判斷出系統中的無功。

然后，采集ZN/YN接地變的接地電流，判斷系統的接地完好情況。

當系統內出現震蕩電流且ZN/YN接地變動作不流暢時，迅速拉斷大電阻的短接斷路器，6個周期（120ms）內重新閉合短接斷路器。使得系統內震蕩電流被大電阻充分阻尼。

因為系統內的氧化鋅接地系統處于完全電磁工作狀態下，不受PLC系統的管理。ZN/YN接地變同樣處于完全電磁工作狀態下，也不需要PLC的接入。所以，本文系統的PLC僅限于在系統發生意外升壓發生時對系統內的高壓進行阻尼，將高壓轉化為瞬時欠壓。

4.結束語

碼頭機械因為額定容量較大，系統內部電網較為（下轉第337頁）（上接第309頁）簡單，導致電網內因為設備的頻繁啟停導致了系統內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，防止諧波增壓對系統安全的不良影響。通過多方面綜合的阻尼和接地，可以讓系統內的諧波持續時間縮減到2個周期（80ms）以內，確保系統浪涌不至于損壞系統，也不至于造成系統的頻繁跳閘。 [科]

【參考文獻】

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