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(biāo)，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(biāo)。同時(shí)我國國民經(jīng)濟(jì)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(jià)與碼頭運(yùn)營燃油費(fèi)用成本居高不下。集裝箱碼頭的輪胎吊柴油發(fā)電機(jī)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(shí)施，并都取得了較好的試驗(yàn)效果。
就目前已實(shí)施“油改電”的電動(dòng)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(fù)荷計(jì)算、交直流供電、電壓等級、變電所與滑觸線受電點(diǎn)設(shè)置、中性點(diǎn)接地方式等比較，闡述 eRTG 供電設(shè)計(jì)的有關(guān)要點(diǎn)。
1 項(xiàng)目概況
南京港龍?zhí)陡蹍^(qū)四期工程屬一期工程的擴(kuò)建工程，建設(shè) 5 個(gè) 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(jìn)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(gè)箱區(qū)。受投資限制，本工程近期新配置 20 臺 eRTG，當(dāng)作業(yè)繁忙時(shí)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(gè)箱區(qū)同時(shí)作業(yè)的eRTG 數(shù)量*多為 2 臺，每塊一線與二線堆場的 10 個(gè)箱區(qū)同時(shí)作業(yè)的 eRTG 數(shù)量*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(fù)荷計(jì)算
eRTG 上主要電氣設(shè)備為起升電機(jī)、小車電機(jī)、大車電機(jī) （一般與起升電機(jī)不同時(shí)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(fù)荷外，其他電機(jī)均為短時(shí)或周期工作制負(fù)荷。輪胎吊負(fù)荷計(jì)算分為單機(jī)負(fù)荷計(jì)算、共用干線負(fù)荷計(jì)算、變壓器容量計(jì)算、堆場負(fù)荷計(jì)算四種不同情況進(jìn)行計(jì)算。
單臺 eRTG （單機(jī)負(fù)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(jì)手冊 》內(nèi)有關(guān)門機(jī)電流的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)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(dòng)壓降要求。
在變電所變壓器容量選擇時(shí)，一般采用需要系數(shù)法確定計(jì)算負(fù)荷。首先針對 eRTG 的負(fù)荷特性，考慮到 eRTG上各大機(jī)構(gòu)不同時(shí)工作的情況，應(yīng)在單機(jī)設(shè)備裝機(jī)容量基礎(chǔ)上考慮同時(shí)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(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)容量來選取 eRTG 的同時(shí)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(yùn)行的*大數(shù)量確定需要系數(shù)，進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。*后根據(jù)計(jì)算負(fù)荷、運(yùn)行方式、管理維護(hù)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 *大運(yùn)行數(shù)量密切相關(guān)，運(yùn)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(jì)手冊》中表 6-4-2-2“多臺起重機(jī)的同時(shí)系數(shù)”，并略作調(diào)整，具體見表 1。
根據(jù)圖 1 所示，每座變電所供電范圍內(nèi) eRTG 數(shù)量*多為 10 臺，為防止變壓器故障或檢修維護(hù)對生產(chǎn)的影響，確定變壓器臺數(shù)為 2 臺。
eRTG 上各大機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)配置情況詳見表 2。
為了保證供電可靠性，本工程每臺 eRTG 的裝機(jī)容量取 390 kW，同時(shí)系數(shù)取 0.7，單機(jī)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(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償容量為 270 kvar。經(jīng)計(jì)算，變壓器容量選擇 1 000 kVA，負(fù)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(shí)間地帶 8 臺 eRTG 運(yùn)行，負(fù)載率為 96 %。在 2 h 內(nèi)可以帶全部 10 臺 eRTG 運(yùn)行，負(fù)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(gè)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(yùn)行可靠性與安全性、維護(hù)保養(yǎng)、占用堆場空間、電源壓降變化、對跑偏的要求、設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)箱區(qū)作業(yè)時(shí)不需要進(jìn)行插頭插拔作業(yè)，橫向轉(zhuǎn)場超過插座箱所處箱區(qū)時(shí)或者縱向轉(zhuǎn)場時(shí)都必須進(jìn)行插頭插拔作業(yè)，插頭插拔作業(yè)不僅需要操作時(shí)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(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行取電，轉(zhuǎn)場時(shí)采用機(jī)上小容量發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，所有轉(zhuǎn)場操作任務(wù)均由 eRTG 司機(jī)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(fèi)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(jì)合理性、維護(hù)保養(yǎng)、風(fēng)險(xiǎn)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(jì)、施工、運(yùn)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(jì)、施工、尤其運(yùn)行管理均缺乏經(jīng)驗(yàn)。
4.2 經(jīng)濟(jì)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(fèi)用均相差不大。
經(jīng)分項(xiàng)價(jià)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(fèi)用需增加投資 830 萬元，絕緣滑觸線費(fèi)用可節(jié)省 435 萬元。綜合來看，直流供電系統(tǒng)投資費(fèi)用略高于交流供電系統(tǒng)，增加投資額約占整個(gè)工程供電投資費(fèi)用的 4 %左右。
4.3 維護(hù)保養(yǎng)
采用直流供電方式時(shí)，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(hù)人員具有豐富的整流與逆變方面的知識，而龍?zhí)陡蹍^(qū)運(yùn)行人員均缺乏該方面的知識與維護(hù)技能。
4.4 風(fēng)險(xiǎn)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(huì)影響港區(qū)大面積箱區(qū)作業(yè)癱瘓，風(fēng)險(xiǎn)較高。通過上述經(jīng)濟(jì)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(diǎn)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(jī)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(jī)上電壓等級保持一致。在已實(shí)施“油改電”項(xiàng)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 440 V，部分碼頭采用 690 V，極少數(shù)碼頭采用 900 V 以上?？紤]到變壓器和線路的電壓損失，為了保證 eRTG 作業(yè)時(shí)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)設(shè)置
地面變電所布置應(yīng)與滑觸線受電點(diǎn)方式、位置相協(xié)調(diào)，在不考慮多點(diǎn)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(diǎn)設(shè)在滑觸線的中點(diǎn)*為理想，此時(shí)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(diǎn)位置一。方案二：若考慮一座變電所同時(shí)向多塊箱區(qū)供電，則變電所的位置宜設(shè)在縱路旁，此時(shí)滑觸線的受電點(diǎn)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(diǎn)位置二。
因每個(gè)箱區(qū)同時(shí)作業(yè)的 eRTG 數(shù)量*多為 2 臺，經(jīng)過計(jì)算，同時(shí)作業(yè)時(shí)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(shí)的較不利情況：方案一中一臺 eRTG 離受電點(diǎn) 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(diǎn)的供電電纜為三拼 YJV-1 kV 3×300+1×150，為受電點(diǎn)兩側(cè) 2 個(gè)箱區(qū)的兩條滑觸線同時(shí)供電。在此條件下，由于兩種方案不同箱區(qū)滑觸線受電點(diǎn)距離變電所的線路長度不同，當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)或一臺 eRTG 起動(dòng)時(shí)，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(jì)手冊》（3 版） 第九章第五節(jié)表 9-63、表 9-78、表 9-84 中的計(jì)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*大值與*小值見表 3。
參照《海港工程設(shè)計(jì)手冊》（下冊） 第六章門機(jī)供電的相關(guān)要求，當(dāng) eRTG 采用雙側(cè)供電時(shí)，機(jī)上兩側(cè)由滑觸線受電點(diǎn)至*大電動(dòng)機(jī)的線路長度在 35～40 m 和 55～60 m 之間，機(jī)上正常壓降*大值在 0.8 %左右，起動(dòng)壓降*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(dòng)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(shí)變電所的布置位置也決定了滑觸線受電點(diǎn)的位置，即圖2 受電點(diǎn)位置一。
7 中性點(diǎn)接地方式
低壓配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式按《 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)中性點(diǎn)一般不接地或通過高阻進(jìn)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(gè)接地的等電位面。在 RTG 采用機(jī)上發(fā)電機(jī)組供電運(yùn)行時(shí)，其整體鋼結(jié)構(gòu)作為輪胎吊整個(gè)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(yùn)行時(shí)，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(diǎn)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(jì)安裝和檢驗(yàn)》（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不同的保護(hù)方式。因此，為了使 eRTG 接受地面電源供電時(shí)機(jī)上原有保護(hù)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(dāng)作業(yè)繁忙時(shí)會(huì)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(jìn)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(diǎn)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(jì)人員了解，要做好集裝箱碼頭的 eRTG 供電設(shè)計(jì)，應(yīng)該針對工程項(xiàng)目的具體情況，通過分析、計(jì)算，選擇合適的供電方案，做到經(jīng)濟(jì)性與可靠性相協(xié)調(diào)。
