鐵路貨場起重機(jī)供電方案設(shè)計(jì)分析

陳永豐

（廣東省鐵路規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司）

0 引言

隨著國務(wù)院發(fā)布碳達(dá)峰、碳中和的工作意見，鐵路貨運(yùn)作為環(huán)保低耗的運(yùn)輸方式，越來越多地承擔(dān)大宗商品運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)。起重機(jī)作為鐵路貨場裝卸貨物的主要設(shè)備［1-2］， 其作業(yè)量大、使用頻率高［3］，該設(shè)備能否正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系著鐵路貨場的運(yùn)量大小［4］。因此，貨運(yùn)量的增多，貨場內(nèi)起重機(jī)的荷載和數(shù)量也相應(yīng)地增大，既有的起重機(jī)供電方案已無法滿足其現(xiàn)需要的末端電壓要求。因而，設(shè)計(jì)適用于當(dāng)前鐵路貨場起重機(jī)用電要求以增大起重機(jī)末端電壓提高運(yùn)力的供電方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 起重機(jī)供電設(shè)計(jì)要求及計(jì)算方法

1.1 起重機(jī)電壓降設(shè)置要求

GB 50055-2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.1.3 條滑觸線或軟電纜的截面選擇應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）載流量不應(yīng)小于負(fù)荷計(jì)算電流。

2）應(yīng)能滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求。

3）對(duì)交流電源供電，在尖峰電流時(shí)，自供電變壓器的低壓母線至起重機(jī)任何一臺(tái)電動(dòng)機(jī)端子上的電源的總電壓降最大不得超過額定電壓的15%。

依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，起重機(jī)宜采用專用回路供電，自變電所變壓器的低壓母線至起重機(jī)電動(dòng)機(jī)端子的電壓降，在尖峰電流時(shí)，不宜超過額定電壓的15%。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，起重機(jī)內(nèi)部電壓降約占2%，電源線路約占3%~5%，滑出線約占8%~10%，如圖1所示。

圖1 起重機(jī)供電壓降示意圖

1.2 起重機(jī)末端電壓降計(jì)算方法

1.2.1 滑觸線電壓降計(jì)算方法

1.2.1.1 計(jì)算電流的計(jì)算

計(jì)算起重機(jī)的計(jì)算電流方法有綜合系數(shù)法、方均根電流法、利用系數(shù)法等，工程上一般采用綜合系數(shù)法。

采用綜合系數(shù)法，首先確定計(jì)算功率Pc和計(jì)算電流Ic：

（1）和（2）式中Pc為計(jì)算功率，kW；Kcc為綜合系數(shù)，其值見表1；Pn為連接在滑觸線上的電動(dòng)機(jī)，在額定負(fù)載持續(xù)率下的總功率（不包括副鉤電動(dòng)機(jī)功率），kW；Ic為計(jì)算電流，A；Un為電動(dòng)機(jī)的額定電壓，V；cosφ為功率因數(shù)。

表1 綜合系數(shù)Kcc

1.2.1.2 尖峰電流的計(jì)算

式中，IP為尖峰電流，A；Ic為計(jì)算電流，A；Kcc為綜合系數(shù)，其值見表1；IrMmax為最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定電流，A；Kst為最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流倍數(shù)，繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)取2，籠型電動(dòng)機(jī)按產(chǎn)品樣本取值。

1.2.1.3 滑觸線電壓降的計(jì)算

式中，IP為尖峰電流，A；l為滑觸線的計(jì)算長度，km，對(duì)單臺(tái)起重機(jī)是指供電點(diǎn)至最遠(yuǎn)端的距離，兩臺(tái)起重機(jī)時(shí)該距離乘以0.8，三臺(tái)起重機(jī)時(shí)乘以0.7；cosφ為功率因數(shù)；R為滑觸線的交流電阻，Ω km；X為滑觸線的內(nèi)外電抗之和，Ω km。

1.2.2 電源線路電壓降計(jì)算方法

由于自變電所至起重機(jī)配電箱一般采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜敷設(shè)，其電壓降如下：

式中Ic為計(jì)算電流，A；L為供電線路長度，km；Δui%為三相線路每1 A?km 的電壓損失百分?jǐn)?shù)，%/(A ?km)，其值見表2。

表2 1kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜用于三相380V系統(tǒng)的電壓降（銅）%/(A ?km)

2 不同供電方案下的壓損校核

某鐵路貨場室外貨物堆放如圖2 所示，共有兩處集裝箱區(qū)和一處笨重貨物堆放區(qū)，每處均設(shè)置有2 臺(tái)起重機(jī)作業(yè)。擬新建一座變電所，為全部起重機(jī)供電，變電所位置考慮設(shè)置在中間的負(fù)荷中心處。以其中主集裝箱區(qū)為例，變電所至該滑觸線首端距離120m，其滑觸線長376m。每臺(tái)起重機(jī)總功率420.8kW，其中起升機(jī)構(gòu)主鉤2*110kW、大車8*18.5kW、小車4*9.2kW，其它附屬用電4*4kW。起重機(jī)額定電壓為380V，額定負(fù)載持續(xù)率為40%，功率因數(shù)0.8。

圖2 某貨場室外貨物堆放區(qū)平面布置示意圖

2.1 既有供電方案

考慮縮短電纜長度以降低供電成本，在滑觸線首端處設(shè)置配電箱，則供電線路120m，而滑觸線376m。從變電所引出380V 供電至此處，則滑觸線末端最大電壓降計(jì)算如下：

計(jì)算功率

計(jì)算電流

由于起重機(jī)計(jì)算電流為607A，斷路器額定電流選用800A，故滑觸線和電源線纜載流量只要大于等于800A 即可滿足要求。可采用JGHX-300/900A 鋼基銅質(zhì)滑觸線，其單位電阻R=0.09Ω/km，單位感抗X=0.217Ω/km。供電線路采用3 條150mm2截面380V三相電纜并聯(lián)供電。

滑觸線電壓降

供電線路電壓降

從變壓器至起重機(jī)內(nèi)部的總電壓降△U% =△U1% + △U2% + △U3% = 1.8% + 26.2% + 2% =30%，由此可見，已遠(yuǎn)超規(guī)范允許值，當(dāng)起重機(jī)行駛至滑觸線末端時(shí)，會(huì)因電壓損失過多而無法正常工作。

2.2 采用380V供電至滑觸線中間

由既有供電方案可知，滑觸線的單位電壓降遠(yuǎn)大于供電線路的單位電壓降，而計(jì)算長度與滑觸線電壓降、供電線路電壓降均成正比關(guān)系，考慮將配電箱設(shè)置在滑觸線中間位置，則供電線路增加至308m，而滑觸線減少至188m。其滑觸線末端最大電壓降計(jì)算如下：

計(jì)算功率、計(jì)算電流、尖峰電流均同既有供電方案計(jì)算值一致。

滑觸線電壓降

對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行小波變換后，可以獲得許多低頻信號(hào)分量和高頻信號(hào)分量對(duì)應(yīng)的分解系數(shù)[17]，假設(shè)某一分量的分解系數(shù)為c1,c2,…,cN，對(duì)分解系數(shù)進(jìn)行如下式所示的計(jì)算，可獲取對(duì)應(yīng)分量的能量值。

供電線路電壓降

從變壓器至起重機(jī)內(nèi)部的總電壓降為△U% =△U1% + △U2% + △U3% = 4.61% + 13.1% + 2% =19.71%，電壓降已大幅度減小，但還不滿足規(guī)范允許值。

2.3 增大滑觸線或電源線纜導(dǎo)體截面

2.3.1 增大滑觸線截面

當(dāng)同等材質(zhì)滑觸線的截面積增大，載流量相應(yīng)增大時(shí)，其單位電阻和單位電坑均會(huì)有所下降。不同載流量滑觸線的單位電阻及單位電抗參考值見表3。通過計(jì)算，當(dāng)供電至滑觸線中間位置時(shí)，其滑觸線的電壓降如表4所示。

表3 不同載流量的滑觸線的單位電阻及單位電抗值

表4 不同載流量的滑觸線的電壓降

由表4 可以看出，適當(dāng)增大滑觸線截面，可有效降低其電壓降。但隨著截面的持續(xù)增大，電壓降的降低幅度越來越小，增大滑觸線截面積以減少電壓降的效果并不理想。

2.3.2 增大電源線纜截面

根據(jù)表2 中不同截面的電纜參數(shù)，可考慮采用3條電纜供電至滑觸線中間位置，通過計(jì)算其供電線路的電壓降可得表5。

表5 不同截面低壓電纜的供電線路電壓降

由表5 可以看出，增大供電電纜截面，可有效降低其電壓降。

通過以上分析，在滿足起重機(jī)電壓降規(guī)范規(guī)定的要求下，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可采用配電箱設(shè)置在滑觸線中間位置，從變電所引出3 條240mm2的1kV 交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜并聯(lián)供電至滑觸線中間位置、滑觸線選用鋼基銅質(zhì)JGHX-700/2100A 的供電方案。該方案的總電壓降為△U%=△U1%+△U2%+△U3%=3.37%+9.49%+2%=14.86%，小于15%，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，可選用該設(shè)計(jì)方案用于起重機(jī)的供電。

2.4 采用10kV供電方案分析

雖然以上方案做了相關(guān)的優(yōu)化措施，但由于兩臺(tái)起重機(jī)功率較大、滑觸線長度較長等原因，總電壓降接近規(guī)范允許值，且投資成本很高。

若采用10kV 電源供電，對(duì)每臺(tái)起重機(jī)采用1 條50mm2截面電纜供電，供電線路長為376m+120m=496m。已知50mm2的10kV 電纜的單位電壓降為0.007%/(A?km)。

計(jì)算功率

計(jì)算電流

線路電壓降

從變電所變壓器至起重機(jī)內(nèi)部的總電壓降為

由此可見，若采用10kV 電源供電，起重機(jī)的電壓降將大大降低，僅為2.05%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于15%，是一個(gè)很好的起重機(jī)供電方案。但該方案中起重機(jī)的電源電壓需更提高到10kV，會(huì)增加起重機(jī)用電電源從380V 轉(zhuǎn)換成10kV以及增加相關(guān)安全用電裝置等成本。

3 結(jié)束語

為解決鐵路貨場起重機(jī)荷載與數(shù)量增多的問題，可在既有供電方案的基礎(chǔ)上，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）電源線路計(jì)算長度與電壓降成正比，為起重機(jī)供電的變壓器應(yīng)盡可能設(shè)置在負(fù)荷中心。

（2）低壓電源線應(yīng)盡量供電至滑觸線中間位置。

（3）在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，適當(dāng)增大滑觸線截面或電源線路的截面，降低導(dǎo)體本身單位電壓降。

（4）在起重機(jī)工藝流程滿足需求的條件下，采用10kV電源供電。

根據(jù)實(shí)際起重機(jī)的負(fù)荷與數(shù)量要求，可采用以上任何一個(gè)方面或者結(jié)合多個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化組合制定起重機(jī)供電方案，以滿足用戶需求。在滿足電氣設(shè)計(jì)技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，可綜合考慮成本、用電安全等多個(gè)因素，以選取最優(yōu)方案。