岸邊集裝箱起重機小容量控制變壓器二次側遠端短路電流計算分析

吳從銘 沈寶琪 郭建勛

1 欽州港集裝箱碼頭有限公司 2 上海振華重工(集團)股份有限公司 3 上海云童機電設備有限公司

1 引言

在岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)電氣系統的設計中，通常整機使用一個安裝于電氣房中的控制變壓器，二次側輸出電壓220 V，無論用電器距離電源端多遠都會使用此電源，部分電纜線的長度超過100 m，電氣設計人員容易忽略計算此處短路電流。而微型斷路器選型、電纜線截面積計算以及變壓器容量校核都需要根據短路電流來進行，如果在遠端發生短路，微型斷路器選型過大，會導致變壓器燒毀，甚至還可能引起整個電氣房燒毀。為消除以上安全隱患，對岸橋控制變壓器二次側遠端短路電流進行計算分析，合理選擇微型斷路器和控制變壓器的容量，電纜導線的截面積，以此來提高岸橋的安全和可靠性。

2 計算參數

現以國內某雙小車岸橋實際電氣設計為例計算短路電流。控制變壓器容量6 kVA，二次側電壓220 V。以小車架單個回路為例，微型斷路器型號為C10A-1P。其余分支回路與小車架的分支回路相同。外部電源應用主要是各個外部限位的電源，各外部電源間直接并聯，沒有安裝保護裝置。

控制電源電纜線的截面積為1.5 mm2，各站點控制電源到電氣房距離如下。小車架到電氣房距離約為190 m，門架小車到電氣房距離為140 m，陸側大車到電氣房距離為140 m，海側大車到電氣房距離為144 m；理貨室到電氣房距離為120 m。

3 遠端站點短路電流計算

3.1 短路電流計算電路

以小車架最遠端發生L相對地短路為例，計算短路電流值。簡化短路后的電路見圖1。

圖1 簡化后短路電流計算電路

3.2 國家相關標準

3.2.1 變壓器過載能力及時間

額定負荷，變壓器可以長期運行，過載10%，變壓器可持續運行180 min；過載20%，變壓器可持續運行150 min；過載30%，變壓器可持續運行120 min；過載60%，變壓器可持續運行45 min；過載75%，變壓器可持續運行15 min；過載100%，變壓器可持續運行7.5 min；過載140%，變壓器可持續運行3.5 min；過載200%，變壓器可持續運行1.5 min。

3.2.2 電纜的導體電阻

依據GB/T 3956-2008電纜的導體，20℃時電纜導體最大電阻見表1。

表1 20℃時電纜導體最大電阻表

3.3 各站點短路電流計算電路

3.3.1 小車架短路電流計算電路

現場選用控制變壓器6 kVA，二次側繞組值取0.4 Ω，電纜線使用1.5 mm2，額定電流12 A，實際布線長度約190 m，計算電阻為2.28 Ω。

根據圖1，計算短路電流，在190 m處對地短路I=U/R=220/(0.4+2.28)=82 A。

現場選用的微型斷路器型號為C-type 10A,能夠立即(時間<0.02 s)斷開的最小短路電流為100 A；預留1.3倍安全余量，完全能夠立即斷開的電流為130 A。

而現場如果L相短路點發生在190 m處只能產生82 A的短路電流，小于130 A，微型斷路器不會斷開。變壓器的額定電流是30 A，在82 A短路電流的情況下，變壓器承受2.7倍的額定負載，變壓器會在短時間內燒毀，相應的電線也會燒毀。

此時，控制電源線端僅僅到達接線箱內，未到達各使用端。從小車架繼續延伸到小車吊具控制電源計算短路電流。

吊具控制電源采用相同的微型斷路器，吊具電纜的長度70 m，在距離控制變壓器260 m處發生L相對地短路，此時短路電流為62.5 A，小于130 A，微型斷路器不斷開，如果不能及時處理，變壓器和導線在長時間承受62.5 A電流的情況下必定燒毀。

3.3.2 其余位置短路電流計算

門架小車與陸側大車到電氣房電纜總長均為140 m，在距離控制變壓器140 m處發生L相對地短路,計算得此時短路電流為105 A。海側大車到電氣房電纜總長為144 m，計算得此處短路電流約為105 A。理貨室到電氣房電纜總長120 m，計算得此處短路電流為119 A。

以上4處短路電流雖大于100 A但小于130 A，微型斷路器可能不會斷開，安全余量不足。

3.4 小結

控制變壓器6 kVA后端選擇了微型斷路器C10，電纜線1.5 mm2，在距離超過100 m后，若發生L相對地短路，微型斷路器不會跳閘，在短時間內控制變壓器會燒毀。

4 改進措施

(1)根據計算的最小短路電流62.5 A選擇控制變壓器容量P=UI=220×62.5=13.75 kW，故變壓器容量選擇15 kVA。

(2)在距離電源50～100 m范圍內，電纜線加粗，由1.5 mm2改為2.5 mm2。微型斷路器最小級選用C10。此時50 m 處短路電流為289 A，100 m處短路電流為196 A，150 m處短路電流為148 A，均大于130 A，微型斷路器可完全斷開。

(3)在距離電源150～250 m范圍內，電纜線加粗，由1.5 mm2改為4 mm2。微型斷路器最小級選用C10。此時150 m處短路電流為200 A，200 m處短路電流為164 A，250 m處短路電流為139 A，均大于130 A，微型斷路器可完全斷開。

5 結語

通過針對岸橋控制變壓器二次側遠端短路電流的計算，根據負載大小，重新選擇變壓器容量；依據距離遠近，合理選擇微型斷路器型號，在遠端發生短路時，保護斷路器能夠瞬間發生跳閘，以達到保護設備的目的。