黃 璐 陳 杰

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著國際貿易在海運領域的迅猛發(fā)展，集裝箱運輸成為海運的重要設備，從而帶動了集裝箱裝卸機械的發(fā)展。由于集裝箱船舶的大型化和市場競爭促使技術進步，岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）技術也日新月異，岸橋越來越大型化、高效化。

由于岸橋的大型化和高效化，其設備的容量也越來越高，目前一般每臺岸橋設備的容量為2 000～3 500 kW。除了岸橋自帶有發(fā)電機組外，其設備上都需要配有大容量的高壓供電系統，以滿足用電需求。高壓供電系統在運行過程中如果出現異常運行狀態(tài)和各種故障，會導致電氣設備損壞甚至造成現場人員傷亡。因此，岸橋高壓供電系統必須配備專門的繼電保護裝置，以保障設備安全可靠運行。本文通過F650綜保裝置在新加坡某集裝箱碼頭雙小車項目上的應用，介紹F650綜保系統的工作原理，以及在岸橋設備上的應用。

1 F650繼電保護系統

繼電保護是一種自動控制裝置，隨著計算機技術的發(fā)展，微機保護已成為繼電保護的主要發(fā)展方向。微機保護是以微型計算機、微控制器等設備為核心組成的繼電保護，具有調試維護簡便、高可靠性、靈活性、改善保護性能、易于獲得附加功能、簡便化、網絡化等特點。岸橋高壓供電系統普遍采用微機綜保產品，較常規(guī)的產品有GE的F650系列。

F650是集成了保護、控制、監(jiān)視、和測量功能的裝置，廣泛應用于中高壓系統的多種場合，可作為配電饋線和輸電線路的保護，也可用于變壓器、母線、電容器組等的保護，其原理功能圖如圖1所示。

F650提供過壓和欠壓保護、過頻和欠頻保護、斷路器失靈保護、方向電流檢測故障診斷和可編程邏輯等功能，還可提供相、中性點、接地和靈敏接地、瞬時和延時過流保護等功能。另外，該綜保還配備自動重合閘、同期檢查和線路故障測距功能，其診斷功能包含了順序記錄，可精確記錄整個系統的事件順序，便于導出故障記錄在個人計算機上查看。這些工具均可有效減少故障查找時間，并簡化系統故障事件報告的生成過程。F650前端面板上的RS232或USB口可連接到PC上，以實現通過PC進行定值編程和實時監(jiān)控。

F650的具體參數有：工作電源低范圍（LO）為24～48 V，工作電源高范圍（HI）為110～250 V，失電保持時間為200 ms（裝置未復位的最壞情況為100 ms），功耗為25～45 VA，標準輸出點數為32個，用戶輸出點數為32個，前面板端口為COM2，類型為RS232/USB，后部異步端口為COM1、COM2（后端口與前端口復用），運行溫度為-10℃～60℃，濕度（無凝露）為95%。

2 岸橋高壓供電系統繼保參數整定

岸橋高壓供電系統主要由高壓電纜、滑環(huán)箱、高壓開關柜、變壓器等部分組成，其單線圖如圖2所示。岸橋高壓開關柜一般由1個進線柜和2個饋線柜組成。2個饋線柜分別與岸橋主副變壓器相連，饋線柜由斷路器隔離單元、母線隔離單元、電纜出線隔離單元和低壓隔離單元組成，每個功能單元與其他功能單元通過金屬隔板隔離互不影響。斷路器采用真空斷路器，具有燃弧時間短、使用壽命長、體積小、質量輕等特點，可快速接通或斷開電源。F650綜保裝置安裝在饋線柜低壓隔離單元，饋線柜各有1個，分別對主副變壓器進行保護。當主副變壓器在運行時發(fā)生故障或不正常的運行狀態(tài)，達到保護設置的整定值，F650綜保跳閘輸出信號動作，斷開相應的饋線柜斷路器以保護岸橋電氣設備。

圖2 岸橋高壓系統單線圖

岸橋高壓供電系統繼保參數一般包括過電流保護、短路保護、接地保護、過壓及欠壓保護、低頻及過頻保護、負序電壓保護、主副變壓器過溫保護等。本文以新加坡某碼頭雙小車岸橋項目為例，介紹這些保護的整定設置。

2.1 過電流保護

過電流保護是為了避免由于過負荷或設備短路引起電流增大對岸橋供電系統造成的影響。岸橋設備高壓供電系統的過電流保護通常以避開岸橋主副變壓器運行時可能出現的最大負荷電流來整定計算。過電流保護按動作時間可分為定時限過電流保護和反時限過電流保護，定時限過電流保護是指繼電保護裝置的動作時間是固定的整定時間，與故障電流大小無關；反時限過電流保護是繼電保護裝置的動作時間與過電流的大小有反比關系，故障電流越大動作時間越短。岸橋設備的過電流保護一般采用定時限過電流保護，岸橋設備在正常作業(yè)時，F650繼電保護裝置檢測的電流在正常范圍，過電流保護不會動作；當岸橋供電系統過負荷或設備短路時，F650繼電保護裝置檢測的電流增大，當超過整定的電流和動作時間時發(fā)出跳閘信號。當過電流保護動作后，跳開故障線路饋線柜的真空斷路器。岸橋高壓供電系統的過電流保護，既可作為岸橋供電線路的保護，也可作為岸橋主副變壓器保護。過電流保護整定公式為

式中：Krel為可靠系數，用于過電流保護時一般取1.2～1.3（岸橋設備取1.2）；Kr為返回系數，一般取0.85～0.95（岸橋設備取0.95）；nTA為電流互感器變比；IL·max為岸橋變壓器可能出現的最大負荷電流。

該碼頭雙小車岸橋項目主副變壓器參數有：主變型號為ZSCB-3150/6.6，額定容量為3 150 kVA，額定電壓為6.6/0.48 kV，3相，聯接組別為Dyn11，額定電流為275.6/3 789 A，頻率為50 Hz。副變型號為SCB10-400/6.6，額定容量為400 kVA，額定電壓為6.6/0.415 kV，3相，聯接組別為Dyn11，額定電流為35/556.5 A，頻率為50 Hz。高壓柜主變饋線柜電流互感器變比為80，副變饋線柜電流互感器變比為10。

岸橋主副變壓器的最大負荷一般在變壓器容量的80%～90%，這里取80%。由此，主變饋線柜一次側過流保護整定電流為Iset＝1.2×0.8×275.6/（0.95×80）＝3.48 A，同理計算副變出線柜一次側過流保護整定電流為3.54 A。根據上述計算得到的整定值可適當取偏小值，主變饋線柜過流保護設為3.45 A，副變過流保護設為3.5 A，過電流保護的動作時限設為1 s。岸橋過電流保護在F650中的設定如圖3、圖4所示。

圖3 岸橋主變過電流保護設定

圖4 岸橋副變過電流保護設定

2.2 短路保護

短路保護是指當短路電流超過繼電保護整定值，繼電保護裝置動作使斷路器跳閘，從而確保供電系統和設備的安全保護，也可稱為電流速斷保護。岸橋高壓供電系統的短路保護與過電流保護相互配合。短路保護（即電流速斷保護）作為岸橋高壓供電系統的主保護，過電流作為后備保護；而在電流速斷保護的盲區(qū)，則利用過電流保護作為基本保護。電流速斷保護也可分為無時限電流速斷保護和帶時限速斷保護。

1）無時限電流速斷保護

岸橋設備電流速斷保護動作電流的整定可按躲過岸橋主副變壓器低壓側短路時F650繼電保護裝置檢測的最大短路電流來計算，根據《工業(yè)與民用配電設計手冊》的計算公式可得

式中：Krel為可靠系數（計算電流速斷保護時可靠系數為1.3～1.5），這里取1.3；Kjx為接線系數（高壓柜電流互感器接相電流，根據《工業(yè)與民用配電設計手冊》取1）；I＂2k3·max為岸橋設備在最大運行方式下主副變壓器三相短路時，通過變壓器高壓側的瞬態(tài)電流；nTA為電流互感器變比。

當最大運行方式下變壓器側三相短路時，流過高壓側的超瞬態(tài)電流可通過變壓器低壓側三相短路電流經驗公式折算得出，即

式中：I2r·T為變壓器低壓側額定電流；uk%為變壓器阻抗電壓百分值，根據《工業(yè)與民用配電設計手冊》可得出該項目主變阻抗電壓為6%，副變阻抗電壓為4%。

通過上述公式可得主變低壓側三相短路電流I＂k3·max＝100×3 789/（6×1 000）＝63.15 kA，由此可計算岸橋主變在最大運行方式下低壓側三相短路時流過高壓側的超瞬態(tài)電流，即

主變壓器速斷保護動作的整定值可表示為

折算到主變壓器一次側的電流可得

用岸橋設備在最小運行方式下主變壓器高壓側起始端的兩相短路電流校驗綜保裝置靈敏度系數，計算式為

由此可知，無時限電流速斷整定的參數不能滿足靈敏度系數要求，故岸橋短路保護應設帶時限的電流速斷保護。

2）帶時限電流速斷保護

動作電流計算公式為

式中：I＂3k3·max為岸橋主變最大運行方式下相鄰元件末端三相短路穩(wěn)態(tài)電流，這里假設為1 000 A。

由此可得

保護裝置一次側動作電流為

保護裝置靈敏度系數為

岸橋電流短路保護設定的動作電流與岸橋過電流保護設定的動作電流的比值通常取整數倍（這里取4倍），設主變F650短路保護動作電流為13.4 A，保護裝置動作時限為0.1 s。同樣計算副變短路保護動作電流為14 A，動作時限為0.1 s。短路保護在F650中的設定如圖5、圖6所示。

圖5 岸橋主變短路保護設定

圖6 岸橋副變短路保護設定

2.3 接地保護

接地保護即岸橋高壓供電系統單相接地保護，根據《工業(yè)與民用配電設計手冊》，岸橋接地保護動作電流計算公式為

式中：Krel為可靠系數，用于單相接地保護有時限保護時取1.5～2（這里取1.5）；ICX為岸橋高壓供電系統外部發(fā)生單相接地故障時的電容電流；IC∑為岸橋上一級電網總的單相接地電容電流。

根據《工業(yè)與民用配電設計手冊》，6 kV電纜線路單相接地電容電流的計算公式為

式中：S為電纜芯線的標稱截面，此項目高壓卷盤電纜截面為150 mm2；Ur為線路額定線電壓，此項目線電壓為倍相電壓，即11.43 kV；l為線路長度，假設從變電站到設備的長度為3 km。

由此，該項目單相接地電容電流IC＝（95+2.84×150）/（2 200+6×150）×11.43×2＝ 3.84 A，假設電網的總單相接地電容電流IC∑為15 A。

接地保護設定電流為

該項目接地保護設定電流設為6 A，動作時限為0.3 s，岸橋主副變饋線柜保護線路外部為同一線路，故2個饋線柜F650接地保護設定值一致。主副變壓器接地路保護在F650中的設定如圖7所示。

圖7 岸橋主副變壓器饋線柜接地保護設定

2.4 過壓及欠壓保護

供電系統中因電壓波動而使用電設備端子電壓實際值偏離額定值時，其設備性能都會受到影響。一旦岸橋電氣設備出現故障，輕則影響設備使用壽命，重則導致設備停機岸橋裝卸作業(yè)中斷，造成難以想象的損失。為了保障岸橋電氣設備穩(wěn)定可靠工作，利用F650綜保裝置的過壓與欠壓保護功能，可有效避免因電能質量不穩(wěn)定造成的設備故障。由GB/T 12325－2008《電能質量 供電電壓偏差》規(guī)定的供電電壓允許偏差限值可知，岸橋高壓供電系統電壓允許偏差不超過標稱電壓的±7%。高壓柜2個饋線柜電壓互感器變比為66，二次側額定電壓為100 V，過壓保護設為107 V，動作時限為0.5 s；欠壓保護設為93 V，動作時限為0.5 s。過壓及欠壓保護在F650中的設定如圖8、圖9所示。

圖8 岸橋主副變壓器饋線柜過壓保護設定

圖9 岸橋主副變壓器饋線柜欠壓保護設定

2.5 低頻及過頻保護

電氣設備只有在額定頻率附近運行時才能發(fā)揮最好的性能，頻率過低或過大都會對引起岸橋設備上電機轉速的變化，對電氣元件及岸橋正常作業(yè)產生不利影響。同時，系統頻率不穩(wěn)定也會影響岸橋上的電子設備的正常工作。由GB/T 15945—1995《電能質量 電力系統頻率允許偏差》規(guī)定的頻率允許偏差限值可知，岸橋高壓供電系統頻率允許偏差的范圍為±0.5 Hz。根據岸橋實際作業(yè)情況和設備當地的供電系統頻率，低頻保護動作值設為49.5 Hz，動作時限設為0.4 s；低頻保護動作值設為50.5 Hz，動作時限設為0.4 s。低頻及過頻保護在F650中的設定如圖10、圖11所示。

圖10 岸橋主副變壓器饋線柜低頻保護設定

圖11 岸橋主副變壓器饋線柜過頻保護設定

2.6 負序電壓保護

為了避免供電系統出現故障導致岸橋供電系統三相電壓不平衡，可利用F650的負序過電壓保護功能。在正常狀態(tài)下，岸橋電力系統三相對稱，只有正序分量，負序和零序分量均為零。當系統出現故障時，主要由于負荷不平衡、系統三相阻抗不對稱以及消弧線圈的不正確調諧會引起系統的三相電壓不平衡，此時會產生負序分量。F650負序電壓保護的設置參數如圖12所示。

圖12 岸橋主副變壓器饋線柜負序電壓保護設定

2.7 主副變壓器過溫保護

岸橋高壓供電系統除了上述保護外，通常會在主副變壓器裝設溫控裝置。溫控器設有超溫報警和超溫跳閘2個信號，主副變壓器為干式變壓器絕緣等級155 F，超溫報警設為130 ℃，超溫跳閘設為150 ℃。當變壓器三相線包溫度中的最高相溫度達到設定超溫報警溫度時，溫控器會發(fā)出蜂鳴報警，面板上超溫顯示燈亮，并通過溫控器后板報警輸出端輸出開關量信號給F650綜保裝置。當變壓器三相線包溫度中的最高相溫度達到設定超高溫跳閘溫度時，溫控器會發(fā)出蜂鳴報警，面板上跳閘顯示燈亮，并通過溫控器后板跳閘輸出端輸出開關量信號給F650綜保裝置啟動斷路器跳閘信號，以切斷電源，保護變壓器。

3 結語

通過新加坡PSA雙小車岸橋項目高壓供電系統繼電保護參數的設置，對F650綜保裝置的工作原理以及過電流保護、短路保護、接地保護、過壓及欠壓保護、低頻及過頻保護、負序電壓保護、主副變壓器過溫保護這些具體功能在F650中的應用進行詳細介紹。該項目自2020年設備到達新加坡現場投入使用以來，運行效果良好，至今未發(fā)生過因繼保參數不當導致的岸橋設備故障。提高了岸橋供電系統的穩(wěn)定性，為岸橋設備安全可靠作業(yè)提供了保障。