姚建新

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

0 引言

國家在“十二五”規(guī)劃中明確提出了節(jié)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(jīng)濟快速增長與資源瓶頸的矛盾日益突出，燃油供應(yīng)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(fā)電機組工作過程中產(chǎn)生的廢氣排放、高噪聲等環(huán)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(wǎng)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(qū)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(tǒng)也不盡相同，以下就南京港龍?zhí)陡蹍^(qū)四期工程的具體案例，并結(jié)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(shè)置、中性點接地方式等比較，闡述eRTG供電設(shè)計的有關(guān)要點。

1 項目概況

南京港龍?zhí)陡蹍^(qū)四期工程屬一期工程的擴建工程，建設(shè)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(yè)，重箱堆場采用eRTG作業(yè)。

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

受投資限制，本工程近期新配置20臺eRTG，當作業(yè)繁忙時可調(diào)用一期工程的部分eRTG。經(jīng)與業(yè)主多次討論，確定每個箱區(qū)同時作業(yè)的eRTG數(shù)量最多為2臺，每塊一線與二線堆場的10個箱區(qū)同時作業(yè)的eRTG數(shù)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(shè)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(xù)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(shè)計手冊》內(nèi)有關(guān)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(shù)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(gòu)不同時工作的情況，應(yīng)在單機設(shè)備裝機容量基礎(chǔ)上考慮同時系數(shù)后才能確定單臺eRTG的設(shè)備功率。根據(jù)額定起重量、起升高度、起升速度，以及三大機構(gòu)的電動機容量來選取eRTG的同時系數(shù)，一般在0.65～0.75之間。然后根據(jù)該變電所供電范圍內(nèi)eRTG可能運行的最大數(shù)量確定需要系數(shù)，進行負荷計算。最后根據(jù)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(shù)。

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

表1 多臺輪胎吊的需要系數(shù)

根據(jù)圖1所示，每座變電所供電范圍內(nèi)eRTG數(shù)量最多為10臺，為防止變壓器故障或檢修維護對生產(chǎn)的影響，確定變壓器臺數(shù)為2臺。

eRTG上各大機構(gòu)的電動機容量配置因裝卸作業(yè)要求的不同而有所不同，根據(jù)設(shè)備廠提供的有關(guān)資料，不同港區(qū)的電動機配置情況詳見表2。

表2 eRTG各機構(gòu)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(shù)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(shù)取0.5，并考慮在變電所內(nèi)設(shè)置動態(tài)電容補償裝置，補償容量為270 kvar。經(jīng)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(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)，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(nèi)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(tǒng)基本滿足了堆場裝卸作業(yè)需求。

3 取電方式選擇

目前，國內(nèi)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?zhí)陡蹍^(qū)屬于多雷地區(qū)，且發(fā)生側(cè)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(yǎng)、占用堆場空間、電源壓降變化、對跑偏的要求、設(shè)計與施工難度等多方面占有優(yōu)勢，而低架滑觸線供電方式在經(jīng)濟型、轉(zhuǎn)場操作性、雙側(cè)供電等多方面占有優(yōu)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(qū)作業(yè)時不需要進行插頭插拔作業(yè)，橫向轉(zhuǎn)場超過插座箱所處箱區(qū)時或者縱向轉(zhuǎn)場時都必須進行插頭插拔作業(yè)，插頭插拔作業(yè)不僅需要操作時間，而且地面需要配置專業(yè)人員來操作，因此電纜卷盤供電方式較適合于eRTG轉(zhuǎn)場作業(yè)較少的港區(qū)，從而體現(xiàn)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(gòu)進行取電，轉(zhuǎn)場時采用機上小容量發(fā)電機組進行供電，所有轉(zhuǎn)場操作任務(wù)均由eRTG司機一人完成。

結(jié)合本工程具體情況，即堆場eRTG配置數(shù)量較少，轉(zhuǎn)場操作作業(yè)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(nèi)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(shù)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(shù)可靠性、經(jīng)濟合理性、維護保養(yǎng)、風(fēng)險程度等方面各有優(yōu)劣。

4.1 技術(shù)可靠性

交流供電系統(tǒng)在港口行業(yè)內(nèi)屬于傳統(tǒng)的技術(shù)，包括設(shè)計、施工、運行管理等方面均成熟可靠；而直流供電系統(tǒng)在鐵路、軌交等行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較多，技術(shù)上也是成熟可靠的，但在港口行業(yè)內(nèi)較少使用，屬于新技術(shù)，設(shè)計、施工、尤其運行管理均缺乏經(jīng)驗。

4.2 經(jīng)濟合理性

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

經(jīng)分項價格估算，直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)相比較，本工程的地面整流變壓器與整流系統(tǒng)費用需增加投資830萬元，絕緣滑觸線費用可節(jié)省435萬元。綜合來看，直流供電系統(tǒng)投資費用略高于交流供電系統(tǒng)，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(yǎng)

采用直流供電方式時，地面整流系統(tǒng)內(nèi)的電子元器件較多，需要港區(qū)電氣維護人員具有豐富的整流與逆變方面的知識，而龍?zhí)陡蹍^(qū)運行人員均缺乏該方面的知識與維護技能。

4.4 風(fēng)險程度

由于整流系統(tǒng)中電子元器件較常規(guī)交流配電元器件容易發(fā)生故障，且使用壽命較短，一旦變電所內(nèi)整流系統(tǒng)發(fā)生故障，會影響港區(qū)大面積箱區(qū)作業(yè)癱瘓，風(fēng)險較高。

通過上述經(jīng)濟技術(shù)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(tǒng)的電壓等級選取與堆場箱區(qū)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(tǒng)電壓等級等均有緊密聯(lián)系。

由于目前國內(nèi)大部分常規(guī)輪胎吊上的柴油發(fā)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(shè)備作業(yè)的前提下，應(yīng)優(yōu)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(shù)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(yè)時的電壓偏差在一定范圍內(nèi)，變壓器二次側(cè)額定值選擇460 V，同時考慮到市政電網(wǎng)的供電電壓等級與電壓偏差因素，變壓器一次側(cè)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(yōu)先確定地面供電電壓等級為440 V，通過調(diào)整變電所與滑觸線受電點位置來滿足eRTG作業(yè)對供電系統(tǒng)的要求。

6 變電所與滑觸線受電點設(shè)置

地面變電所布置應(yīng)與滑觸線受電點方式、位置相協(xié)調(diào)，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(shè)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(shè)在每塊箱區(qū)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(qū)供電，則變電所的位置宜設(shè)在縱路旁，此時滑觸線的受電點也宜設(shè)在變電所所在縱路兩側(cè)，即圖2中的變電所位置二和受電點位置二。

因每個箱區(qū)同時作業(yè)的eRTG數(shù)量最多為2臺，經(jīng)過計算，同時作業(yè)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(yè)時的較不利情況：方案一中一臺eRTG離受電點1/3處作業(yè)，另一臺eRTG在滑觸線端部作業(yè)；方案二中一臺eRTG在箱區(qū)中間作業(yè)，另一臺eRTG在滑觸線端部作業(yè)。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(cè)2個箱區(qū)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(qū)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(qū)滑觸線末端的電壓降也有所不同。根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》（3版） 第九章第五節(jié)表9-63、表9-78、表9-84中的計算公式和技術(shù)數(shù)據(jù)，不同箱區(qū)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(qū)的滑觸線末端電壓降%

參照《海港工程設(shè)計手冊》（下冊）第六章門機供電的相關(guān)要求，當eRTG采用雙側(cè)供電時，機上兩側(cè)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(yè)的要求，供電線路全長正常壓降應(yīng)不超過5%，起動壓降應(yīng)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(chǎn)作業(yè)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(shè)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(tǒng)的中性點接地方式按《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》分類，可分為TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)、IT系統(tǒng)三大類。輪胎吊上發(fā)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(jié)構(gòu)作為一個接地的等電位面。在RTG采用機上發(fā)電機組供電運行時，其整體鋼結(jié)構(gòu)作為輪胎吊整個供電系統(tǒng)的接地極，即懸浮地；在RTG采用市政電網(wǎng)供電運行時，其整體鋼結(jié)構(gòu)通過滑觸線的PE線與傳統(tǒng)意義上的大地連接。因此從低壓配電系統(tǒng)的中性點接地方式來看，輪胎吊上低壓配電系統(tǒng)屬于IT系統(tǒng)。根據(jù)《低壓電氣裝置的設(shè)計安裝和檢驗》（2版）第六章內(nèi)容，IT系統(tǒng)與TN系統(tǒng)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(tǒng)也應(yīng)采用IT系統(tǒng)。

但是，由于本工程配置eRTG數(shù)量較少，當作業(yè)繁忙時會調(diào)用一期工程的部分eRTG，而一期工程地面配電系統(tǒng)采用TN系統(tǒng)，且對eRTG進行了改造，因此本工程為了與一期工程相協(xié)調(diào)，本工程的地面配電系統(tǒng)也采用TN系統(tǒng)。

8 結(jié)語

綜前所述，龍?zhí)陡蹍^(qū)四期工程eRTG供電系統(tǒng)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(qū)中間位置，電壓等級采用交流440 V，地面低壓配電系統(tǒng)接地型式采用TN系統(tǒng)。

通過案例分析，讓設(shè)計人員了解，要做好集裝箱碼頭的eRTG供電設(shè)計，應(yīng)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(jīng)濟性與可靠性相協(xié)調(diào)。

[1] 海港工程設(shè)計手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 工業(yè)與民用配電設(shè)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(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].

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