轮胎式龙门吊“油改电”滑触线供电的接地问题

1 前言

在轮胎式龙门吊进行 “油改电 ”的供电设计方案中有大家熟悉的电缆卷盘交流供电、低架安全滑触线交流供电和高空架空接触线交流供电。滑触线的供电电压有 1ｋＶ、0．69ｋＶ‚以及 0．46ｋＶ等。无论是电缆卷盘或滑触线‚均可以称为干线。笔者发现在国内码头实施的上述电压等级的供电干线网络中无一例外的均为三相四线制的 ＴＮ－Ｃ系统。如图 1所示。在图 1中的变压器 Ｔ1为主供电变压器‚将市电电压 10ｋＶ变为所需要的低电压。其绕组接线为 Ｄｙｎ11‚其低压侧中性点直接接大地 Ｒ。其中性线和接地线共用一根导体为 ＰＥＮ线‚从而构成三相四线制供电干线网络给所有轮胎式龙门吊供电。干线的 ＰＥＮ线与轮胎式龙门吊的钢结构作电气连接。其中 Ｑ1断路器为干线主保护开关‚Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃ和 Ｑｄ断路器为轮胎式龙门吊上电源保护开关。Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ和 Ｔｄ为轮胎式龙门吊上的受电变压器‚将干线网络电压降为轮胎式龙门吊原系统所需的电压。此干线网络设计‚将原轮胎式龙门吊的主体通过 ＰＥＮａ与ＰＥＮ干线连接‚并与大地 Ｒ直接连接在一起了。并且所有轮胎式龙门吊主体均通过 ＰＥＮ干线连接在了一起。彻底改变了轮胎式龙门吊因轮胎绝缘与大地绝缘的形态。

2 存在的问题

2．1 因新、老轮胎式龙门吊、不同制造商的轮胎式龙门吊均存在单相负载‚如照明、空调等‚故每台轮胎式龙门吊均有三相不平衡负载存在‚并且所有轮胎式龙门吊在交流电源侧均本质性地存在谐波电流。所以在 ＰＥＮ干线上将不可避免地长久性存在电流。因码头的此干线网络长度可达1ｋｍ‚而有些码头达到 2ｋｍ多长‚干线网络上不同点接有若干台轮胎式龙门吊在工作‚如此长的ＰＥＮ干线上存在电位差。该电位差也即改点对地 Ｒ的电位差。此电位差沿 ＰＥＮ干线传至所有连接在 ＰＥＮ干线上的轮胎式龙门吊主体。此电位差将对设备、人员均产生安全隐患。

主要隐患为：

1）如果某台轮胎式龙门吊距主供电变压器的中性点直接接大地 Ｒ足够远‚达到的电位差在轮胎式龙门吊吊具在此点位置着箱时将对集装箱箱体产生放电火花‚或地面金属物体产生放电。

2）如果此时有人员在未穿戴绝缘靴等电气安全服的情况下接触到轮胎式龙门吊主体‚此人员有被电击的危险。

2．2 在图 1干线网络中‚如有一台轮胎式龙门吊上发生非带电金属外壳因绝缘损坏而产生非全金属性短路故障‚也即漏电故障‚但此漏电电流很小‚不足以使轮胎式龙门吊上保护开关脱扣‚致使该漏电故障存在时间很长。带电金属外壳的电位将升高‚并沿 ＰＥＮａ线传至 ＰＥＮ干线‚使 ＰＥＮ干线的对

地 Ｒ的电位升高‚加重 2．1所述的安全隐患。

3 接地网络的设计

对于单体轮胎式龙门吊‚因其轮胎绝缘性‚故轮胎式龙门吊本身对大地是绝缘的。轮胎式龙门吊主体本身可视为一小大地 ｒ‚其上的电气系统为典型的 ＴＮ－Ｓ系统‚其发电机中性点 Ｎ接其“小地 ”ｒ‚并且保护接地线 ＰＥ与 Ｎ线在其后严格分开‚可以达到*安全的保护。

但 “油改电 ”后的干线网络供电系统将此结构完全改变。 “小地 ”ｒ与大地 Ｒ不再绝缘‚而是通过 ＰＥＮａ和 ＰＥＮ干线连接在一起。所有轮胎式龙门吊与干线网络构成了一个典型的 ＴＮ－Ｃ系统。故此网络包含了所有 ＴＮ－Ｃ系统的缺点。在如此长的干线上存在上述安全隐患。

为了避免此类安全问题的存在‚建议采用以下干线网络的接地系统设计。

3．1 整个干线网络设计成更好的 ＴＮ－Ｓ系统。

在主供电变压器 Ｔ1的二次侧中性点接地 Ｒ后‚中性线 Ｎ与保护接地线 ＰＥ严格分开‚将干线网络配置成三相五线制。Ｎ线和 ＰＥ线的截面与相线相等。只有 ＰＥ线与轮胎式龙门吊的 “小地 ”ｒ连接。其 Ｎ线只接到轮胎式龙门吊上受电变压器 Ｔａ的中性点上‚此中性点与 “小地 ”ｒ严格绝缘。并且干线网络的 ＰＥ线必须在端头增加重复接地‚如条件允许也可在中间段再增加重复接地。

并将 Ｑａ受电开关改为四极保护开关。在轮胎式龙门吊本身发生故障时将中性线 Ｎ也切断‚以保证故障电位不会因 Ｎ线传至干线网络。以及本轮胎式龙门吊在断电维修时‚不会因为未脱离干线网络而受影响。该方案如图 2所示。

Ｑ1断路器的脱口器电流应按干线网络*末端发生单相短路故障时的电流能可靠使其脱口断开。并且轮胎式龙门吊上有受电变压器 Ｔａ二次侧的切换接触器 Ｋａ应该为四极接触器。在发电机供电时‚应将此 ＰＥ线也切断‚以防止干线网络发生故障时的反击电压对低压侧的影响而对发电机系统产生安全隐患。

3．2 因轮胎式龙门吊为对地绝缘的主体‚又加上轮胎式龙门吊上有受电变压器 Ｔａ‚其绝缘等级一般为 ＩＩ类增强绝缘电气设备。所以可以将干线网络设计成 ＩＴ系统。如图 3所示。主供电变压器 Ｔ1的中性点不接地。干线网络为三相三线制。保证轮胎式龙门吊 “小地 ”ｒ与大地 Ｒ绝缘‚彼此轮胎式龙门吊之间无任何 “地 ”连接和 Ｎ线连接。

因为 ＩＴ系统‚干线网络上 （注：不是轮胎式龙门吊上有受电变压器 Ｔａ二次侧 ）发生单相短路故障后‚主供电变压器 Ｔ1的中性点对地电压升高为相电压‚而非故障相对地电压变为线电压。故如果干线网络电压为 1ｋＶ时‚要注意选择变压器、滑触线和电缆的绝缘电压等级要求。建议此时干线网络电压设计为 690Ｖ以下为好。

轮胎式龙门吊上的受电变压器 Ｔａ中心点一定要接至原发电机中性点的接地处。因轮胎式龙门吊上在此点处作 ＰＥ和 Ｎ线的隔离。图 1、2、3中的 “小地 ”ｒ均是指此点。

轮胎式龙门吊上的 Ｑａ受电开关应加装漏电保护元件。在龙门吊上受电变压器 Ｔａ电源侧以内发生单相短路故障等能可靠切断总受电电源。轮胎式龙门吊上有受电变压器 Ｔａ二次侧的切换接触器 Ｋａ应该为四极接触器。在发电机供电时‚应将此 Ｎ线也切断‚以防止 ＩＴ干线网络发生故障时的反击电压对低压侧的影响而对发电机系统产生安全隐患。

因此 ＩＴ干线网络系统要安装接地故障报警装置以及故障回路检测设备‚故投资可能比三相五线制方案贵。如图 3所示。

4 低压电缆卷盘供电问题

经过上述接地分析‚如果采用 1ｋＶ以下的电缆卷盘供电‚在使用 ＴＮ－Ｓ三相五线制系统时‚很难在制造商的电缆目录中找到恰当的规格‚并且成本很高。

5 结论

从接地的要求对轮胎式龙门吊这一特殊设备作了技术分析。笔者将在后续文章中再讨论电压降和谐波处理问题‚并在*后推荐一个综合接地、电压降和谐波处理因素后比较合理的交流干线网络用于 “油改电 ”项目以及 “Ｅ－ＲＴＧ”的供电方案。直流干线网络将另外讨论。