【摘 要】港口起重機的諧振問題是典型的小系統(tǒng)大容量的高壓諧振問題，如果不加控制，港口起重機系統(tǒng)內(nèi)的諧振可能會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至可能損壞系統(tǒng)。本文通過研究港口起重機能量回饋的內(nèi)網(wǎng)諧振原理，提出了一套解決方案。此方案可以較大程度的緩解起重機能量回饋引起的諧振。

【關鍵詞】港口起重機；能量回饋；內(nèi)網(wǎng)諧振

港口起重機起吊能力一般在60噸以上，起吊體積一般為整個標箱。為了確保起重機的起吊速度能夠滿足高速裝卸貨船的需要，一般要求將貨物從船底提升到100米高處的時間小于15秒，這就要求起吊功率達到4000KW。而起重機下放60噸貨物的過程中，貨物下降約70米，其重力勢能釋放約42000千焦。假設以上貨物10秒內(nèi)安裝到掛車，其能量回饋功率達到了4200千瓦。此能量回饋如果不能得到有效控制，會給系統(tǒng)帶來較嚴重的后果。

1.系統(tǒng)現(xiàn)狀

碼頭工作以效率為生命，一般貨船停泊后，需要在短短2～3天內(nèi)完成燃油和物資補給，完成貨物的裝卸。而一般10萬噸級的貨輪擁有超過1700個標準貨柜，系統(tǒng)需要在短時間內(nèi)完成1700個貨柜的卸船和裝船。目前最頂級的集裝箱起重機可以在1分鐘內(nèi)完成貨柜的卸船或者裝船。我碼頭目前設備與頂尖碼頭設備有一定的差距，但仍然需要在1分鐘左右完成集裝箱的吊出或者裝入。此過程要求的貨物起吊時間和下降時間均在15秒以內(nèi)。正常作業(yè)情況下，一般分為前置起重機和后置起重機，分別進行裝船和卸船，每操作100～150個貨柜，兩個起重機的分工會發(fā)生交換。

圖1 港口起重機施工現(xiàn)場

我碼頭有6臺集裝箱起重機，分別服務于3個集裝箱泊位，可停靠裝載量不超過1700標準貨柜的集裝箱貨船裝卸貨物，每臺起重機可以以每小時45～50個標準貨柜的速度裝卸集裝箱船，2臺起重機合作，可以40小時之內(nèi)將船舶貨物完全替換。為了節(jié)約能源，增加起吊速度，起吊起重機并沒有采用渦輪蝸桿結構，而是采用了28倍行星輪結構，貨物對起重機的做功通過輪間摩擦卸除不少于70%，但仍然有不少于1200千瓦的能量饋入內(nèi)網(wǎng)電網(wǎng)。

本文起重機采用了35kV電動機驅(qū)動，額定容量5000kVA，額定電流142A。小車行走電動機額定電壓35kV，額定容量1500kVA，額定電流42A。桁架行走電動機4臺聯(lián)動控制，額定電壓35kV，每臺額定容量1500kVA，額定電流42A。系統(tǒng)35kV段總裝機容量12500kVA。系統(tǒng)空載時等效容性容量4000kVA，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時等效抗性容量8500kVA。為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，系統(tǒng)內(nèi)部署了總?cè)萘吭?500kVA的35kV電容器和總?cè)萘吭?000kVA的35kV電感器，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)無功的實際情況進行V段智能化投切。

2.問題分析

港口起重機的大容量的簡單系統(tǒng)模式LC回路相對完整，雖然LC回路并不對等，無法形成小阻尼LC回路，但可以形成較大的LC容量，形成6～8個周期的LC震蕩。引起LC諧振的主要誘發(fā)因素是饋入系統(tǒng)的電流。饋入系統(tǒng)的電流主要分為三個來源：

其一，當下送貨物的時候，大量的重力勢能在鼠籠電動機的電磁環(huán)境中被轉(zhuǎn)化為電能，且實際饋入系統(tǒng)的電能容量超過1200kVA。此部分電能會在系統(tǒng)中得到LC串聯(lián)環(huán)境的充分諧振?？赡芙o系統(tǒng)帶來超過5倍額定電壓的饋電電壓。

其二，因為起重機在實際操作中頻繁發(fā)生接觸器的啟停操作，特別是系統(tǒng)使用了星三角換向軟起法，啟動電流較大，斷電后容易出現(xiàn)等效電容和等效電感之間的LC諧振。此諧振也可能給系統(tǒng)帶來3倍以上額定電壓的饋電電壓。

其三，最嚴重的問題在于系統(tǒng)起吊電動機運行過程中發(fā)生停電，可能發(fā)生電動機內(nèi)電感儲能迅速釋放，與系統(tǒng)中電容器和電感器發(fā)生劇烈的內(nèi)網(wǎng)諧振，此諧振的諧振電壓可能超過額定電壓的5倍以上。

綜上分析，大功率頻繁操作的抗性系統(tǒng)出現(xiàn)饋電電壓成為了系統(tǒng)常態(tài)，在此常態(tài)下，必須采取行之有效的措施，將諧振電流充分疏導，防止諧振增壓對系統(tǒng)的耐壓設施帶來破壞。同時因為系統(tǒng)的大部分低壓二次設備的電源直接取自35kV總線的降壓變壓器，且變壓器的變壓比為剛性變比，所以，35kV的諧振電壓很可能造成低壓回路發(fā)生更嚴重的浪涌問題。甚至可能造成10kV母線和400V母線發(fā)生連帶的諧振現(xiàn)象。

3.解決方案

3.1網(wǎng)內(nèi)阻尼和直接接地

網(wǎng)內(nèi)阻尼是減少諧振周期數(shù)的有效方式，通過PLC系統(tǒng)判斷諧振浪涌的發(fā)生，3個諧波周期內(nèi)在系統(tǒng)內(nèi)串入大電阻6～8周期，以充分阻尼網(wǎng)絡內(nèi)的諧振。電阻值設置在30kΩ。因為串入大電阻的過程會導致系統(tǒng)內(nèi)的工作電壓劇烈下降，且因為在本文系統(tǒng)中面臨的非完整LC回路中，其諧振周期一般在8～10個周期，并入6～8個周期的大電阻，可以明顯阻尼系統(tǒng)的諧振電流，起到將諧振浪涌轉(zhuǎn)化為諧振欠壓的作用。

同時，在系統(tǒng)中部署一組氧化鋅接地系統(tǒng)，將接地電壓設定在3倍額定電壓，也就是當系統(tǒng)電壓達到105kV時，氧化鋅接地系統(tǒng)會直接將電壓瀉出，確保系統(tǒng)中不會出現(xiàn)超過3倍額定電壓的諧振增壓現(xiàn)象。

3.2接地變的應用

不管是及時并入大電阻，還是使用氧化鋅接地系統(tǒng)進行應急接地，均存在較多的問題。因為并入大電阻使系統(tǒng)電壓迅速降低，但可以造成瞬時欠壓，容易燒毀電動機或者導致斷路器跳閘。氧化鋅接地的壽命有限，可能造成持續(xù)的多相接地故障和單相接地故障，導致系統(tǒng)的檢修壓力增大，檢修成本增加。所以系統(tǒng)應該在運行中防止觸動3.1中建議的系統(tǒng)，3.1中建議的系統(tǒng)僅在系統(tǒng)發(fā)生嚴重諧振過壓時進行動作，保護系統(tǒng)不出現(xiàn)更嚴重的事故。

ZN/YN接地變的使用，可以較大程度的平衡系統(tǒng)中的不均衡電壓和不均衡電流，當系統(tǒng)發(fā)生任何形式的偏執(zhí)時，ZN/YN接地變會實現(xiàn)系統(tǒng)諧振電流的柔性接地。因為系統(tǒng)內(nèi)的諧振功率最大可能達到1200kVA以上，所以，接地變的容量不應該小于1560kVA（1.3倍），本文選擇1800kVA的ZN/YN接地變實現(xiàn)柔性接地。

3.3基于PLC的綜合安全保護系統(tǒng)

首先，使用PLC采集系統(tǒng)中不少于5個點的電壓和電流矢量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行初步分析，判斷出系統(tǒng)中的無功。

然后，采集ZN/YN接地變的接地電流，判斷系統(tǒng)的接地完好情況。

當系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)震蕩電流且ZN/YN接地變動作不流暢時，迅速拉斷大電阻的短接斷路器，6個周期（120ms）內(nèi)重新閉合短接斷路器。使得系統(tǒng)內(nèi)震蕩電流被大電阻充分阻尼。

因為系統(tǒng)內(nèi)的氧化鋅接地系統(tǒng)處于完全電磁工作狀態(tài)下，不受PLC系統(tǒng)的管理。ZN/YN接地變同樣處于完全電磁工作狀態(tài)下，也不需要PLC的接入。所以，本文系統(tǒng)的PLC僅限于在系統(tǒng)發(fā)生意外升壓發(fā)生時對系統(tǒng)內(nèi)的高壓進行阻尼，將高壓轉(zhuǎn)化為瞬時欠壓。

4.結束語

碼頭機械因為額定容量較大，系統(tǒng)內(nèi)部電網(wǎng)較為（下轉(zhuǎn)第337頁）（上接第309頁）簡單，導致電網(wǎng)內(nèi)因為設備的頻繁啟停導致了系統(tǒng)內(nèi)的饋電諧波影響較為明顯。本文通過研究此諧波的原因，找到了有效處理該諧波，防止諧波增壓對系統(tǒng)安全的不良影響。通過多方面綜合的阻尼和接地，可以讓系統(tǒng)內(nèi)的諧波持續(xù)時間縮減到2個周期（80ms）以內(nèi)，確保系統(tǒng)浪涌不至于損壞系統(tǒng)，也不至于造成系統(tǒng)的頻繁跳閘。 [科]

【參考文獻】

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