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【摘 要】港口起重机的谐振问题是典型的小系统大容量的高压谐振问题，如果不加控制，港口起重机系统内的谐振可能会影响系统的稳定性，甚至可能损坏系统。本文通过研究港口起重机能量回馈的内网谐振原理，提出了一套解决方案。此方案可以较大程度的缓解起重机能量回馈引起的谐振。
【关键词】港口起重机；能量回馈；内网谐振
港口起重机起吊能力一般在60吨以上，起吊体积一般为整个标箱。为了确保起重机的起吊速度能够满足高速装卸货船的需要，一般要求将货物从船底提升到100米高处的时间小于15秒，这就要求起吊功率达到4000KW。而起重机下放60吨货物的过程中，货物下降约70米，其重力势能释放约42000千焦。假设以上货物10秒内安装到挂车，其能量回馈功率达到了4200千瓦。此能量回馈如果不能得到有效控制，会给系统带来较严重的后果。
1.系统现状
码头工作以效率为生命，一般货船停泊后，需要在短短2～3天内完成燃油和物资补给，完成货物的装卸。而一般10万吨级的货轮拥有超过1700个标准货柜，系统需要在短时间内完成1700个货柜的卸船和装船。目前最顶级的集装箱起重机可以在1分钟内完成货柜的卸船或者装船。我码头目前设备与顶尖码头设备有一定的差距，但仍然需要在1分钟左右完成集装箱的吊出或者装入。此过程要求的货物起吊时间和下降时间均在15秒以内。正常作业情况下，一般分为前置起重机和后置起重机，分别进行装船和卸船，每操作100～150个货柜，两个起重机的分工会发生交换。
图1 港口起重机施工现场
我码头有6台集装箱起重机，分别服务于3个集装箱泊位，可停靠装载量不超过1700标准货柜的集装箱货船装卸货物，每台起重机可以以每小时45～50个标准货柜的速度装卸集装箱船，2台起重机合作，可以40小时之内将船舶货物完全替换。为了节约能源，增加起吊速度，起吊起重机并没有采用涡轮蜗杆结构，而是采用了28倍行星轮结构，货物对起重机的做功通过轮间摩擦卸除不少于70%，但仍然有不少于1200千瓦的能量馈入内网电网。
本文起重机采用了35kV电动机驱动，额定容量5000kVA，额定电流142A。小车行走电动机额定电压35kV，额定容量1500kVA，额定电流42A。桁架行走电动机4台联动控制，额定电压35kV，每台额定容量1500kVA，额定电流42A。系统35kV段总装机容量12500kVA。系统空载时等效容性容量4000kVA，系统运转时等效抗性容量8500kVA。为保障系统的稳定运行，系统内部署了总容量在4500kVA的35kV电容器和总容量在9000kVA的35kV电感器，根据系统内无功的实际情况进行V段智能化投切。
2.问题分析
港口起重机的大容量的简单系统模式LC回路相对完整，虽然LC回路并不对等，无法形成小阻尼LC回路，但可以形成较大的LC容量，形成6～8个周期的LC震荡。引起LC谐振的主要诱发因素是馈入系统的电流。馈入系统的电流主要分为三个来源：
其一，当下送货物的时候，大量的重力势能在鼠笼电动机的电磁环境中被转化为电能，且实际馈入系统的电能容量超过1200kVA。此部分电能会在系统中得到LC串联环境的充分谐振。可能给系统带来超过5倍额定电压的馈电电压。
其二，因为起重机在实际操作中频繁发生接触器的启停操作，特别是系统使用了星三角换向软起法，启动电流较大，断电后容易出现等效电容和等效电感之间的LC谐振。此谐振也可能给系统带来3倍以上额定电压的馈电电压。
其三，最严重的问题在于系统起吊电动机运行过程中发生停电，可能发生电动机内电感储能迅速释放，与系统中电容器和电感器发生剧烈的内网谐振，此谐振的谐振电压可能超过额定电压的5倍以上。
综上分析，大功率频繁操作的抗性系统出现馈电电压成为了系统常态，在此常态下，必须采取行之有效的措施，将谐振电流充分疏导，防止谐振增压对系统的耐压设施带来破坏。同时因为系统的大部分低压二次设备的电源直接取自35kV总线的降压变压器，且变压器的变压比为刚性变比，所以，35kV的谐振电压很可能造成低压回路发生更严重的浪涌问题。甚至可能造成10kV母线和400V母线发生连带的谐振现象。
3.解决方案
3.1网内阻尼和直接接地
网内阻尼是减少谐振周期数的有效方式，通过PLC系统判断谐振浪涌的发生，3个谐波周期内在系统内串入大电阻6～8周期，以充分阻尼网络内的谐振。电阻值设置在30kΩ。因为串入大电阻的过程会导致系统内的工作电压剧烈下降，且因为在本文系统中面临的非完整LC回路中，其谐振周期一般在8～10个周期，并入6～8个周期的大电阻，可以明显阻尼系统的谐振电流，起到将谐振浪涌转化为谐振欠压的作用。
同时，在系统中部署一组氧化锌接地系统，将接地电压设定在3倍额定电压，也就是当系统电压达到105kV时，氧化锌接地系统会直接将电压泻出，确保系统中不会出现超过3倍额定电压的谐振增压现象。
3.2接地变的应用
不管是及时并入大电阻，还是使用氧化锌接地系统进行应急接地，均存在较多的问题。因为并入大电阻使系统电压迅速降低，但可以造成瞬时欠压，容易烧毁电动机或者导致断路器跳闸。氧化锌接地的寿命有限，可能造成持续的多相接地故障和单相接地故障，导致系统的检修压力增大，检修成本增加。所以系统应该在运行中防止触动3.1中建议的系统，3.1中建议的系统仅在系统发生严重谐振过压时进行动作，保护系统不出现更严重的事故。
ZN/YN接地变的使用，可以较大程度的平衡系统中的不均衡电压和不均衡电流，当系统发生任何形式的偏执时，ZN/YN接地变会实现系统谐振电流的柔性接地。因为系统内的谐振功率最大可能达到1200kVA以上，所以，接地变的容量不应该小于1560kVA（1.3倍），本文选择1800kVA的ZN/YN接地变实现柔性接地。
3.3基于PLC的综合安全保护系统
首先，使用PLC采集系统中不少于5个点的电压和电流矢量数据，将数据进行初步分析，判断出系统中的无功。
然后，采集ZN/YN接地变的接地电流，判断系统的接地完好情况。
当系统内出现震荡电流且ZN/YN接地变动作不流畅时，迅速拉断大电阻的短接断路器，6个周期（120ms）内重新闭合短接断路器。使得系统内震荡电流被大电阻充分阻尼。
因为系统内的氧化锌接地系统处于完全电磁工作状态下，不受PLC系统的管理。ZN/YN接地变同样处于完全电磁工作状态下，也不需要PLC的接入。所以，本文系统的PLC仅限于在系统发生意外升压发生时对系统内的高压进行阻尼，将高压转化为瞬时欠压。
4.结束语
码头机械因为额定容量较大，系统内部电网较为（下转第337页）（上接第309页）简单，导致电网内因为设备的频繁启停导致了系统内的馈电谐波影响较为明显。本文通过研究此谐波的原因，找到了有效处理该谐波，防止谐波增压对系统安全的不良影响。通过多方面综合的阻尼和接地，可以让系统内的谐波持续时间缩减到2个周期（80ms）以内，确保系统浪涌不至于损坏系统，也不至于造成系统的频繁跳闸。 [科]
【参考文献】
[1]张海申，何正友，张钧.谐振接地系统单相接地故障频谱特征分析[J].电力系统自动化，2012.3（03）：23-25.
[2]王玉梅，郭浩，惠胜达.基于残流增量法的谐振接地系统故障定位方法[J].电力系统自动化，2011.1（01）：35-36.
【关键词】港口起重机；能量回馈；内网谐振
港口起重机起吊能力一般在60吨以上，起吊体积一般为整个标箱。为了确保起重机的起吊速度能够满足高速装卸货船的需要，一般要求将货物从船底提升到100米高处的时间小于15秒，这就要求起吊功率达到4000KW。而起重机下放60吨货物的过程中，货物下降约70米，其重力势能释放约42000千焦。假设以上货物10秒内安装到挂车，其能量回馈功率达到了4200千瓦。此能量回馈如果不能得到有效控制，会给系统带来较严重的后果。
1.系统现状
码头工作以效率为生命，一般货船停泊后，需要在短短2～3天内完成燃油和物资补给，完成货物的装卸。而一般10万吨级的货轮拥有超过1700个标准货柜，系统需要在短时间内完成1700个货柜的卸船和装船。目前最顶级的集装箱起重机可以在1分钟内完成货柜的卸船或者装船。我码头目前设备与顶尖码头设备有一定的差距，但仍然需要在1分钟左右完成集装箱的吊出或者装入。此过程要求的货物起吊时间和下降时间均在15秒以内。正常作业情况下，一般分为前置起重机和后置起重机，分别进行装船和卸船，每操作100～150个货柜，两个起重机的分工会发生交换。
图1 港口起重机施工现场
我码头有6台集装箱起重机，分别服务于3个集装箱泊位，可停靠装载量不超过1700标准货柜的集装箱货船装卸货物，每台起重机可以以每小时45～50个标准货柜的速度装卸集装箱船，2台起重机合作，可以40小时之内将船舶货物完全替换。为了节约能源，增加起吊速度，起吊起重机并没有采用涡轮蜗杆结构，而是采用了28倍行星轮结构，货物对起重机的做功通过轮间摩擦卸除不少于70%，但仍然有不少于1200千瓦的能量馈入内网电网。
本文起重机采用了35kV电动机驱动，额定容量5000kVA，额定电流142A。小车行走电动机额定电压35kV，额定容量1500kVA，额定电流42A。桁架行走电动机4台联动控制，额定电压35kV，每台额定容量1500kVA，额定电流42A。系统35kV段总装机容量12500kVA。系统空载时等效容性容量4000kVA，系统运转时等效抗性容量8500kVA。为保障系统的稳定运行，系统内部署了总容量在4500kVA的35kV电容器和总容量在9000kVA的35kV电感器，根据系统内无功的实际情况进行V段智能化投切。
2.问题分析
港口起重机的大容量的简单系统模式LC回路相对完整，虽然LC回路并不对等，无法形成小阻尼LC回路，但可以形成较大的LC容量，形成6～8个周期的LC震荡。引起LC谐振的主要诱发因素是馈入系统的电流。馈入系统的电流主要分为三个来源：
其一，当下送货物的时候，大量的重力势能在鼠笼电动机的电磁环境中被转化为电能，且实际馈入系统的电能容量超过1200kVA。此部分电能会在系统中得到LC串联环境的充分谐振。可能给系统带来超过5倍额定电压的馈电电压。
其二，因为起重机在实际操作中频繁发生接触器的启停操作，特别是系统使用了星三角换向软起法，启动电流较大，断电后容易出现等效电容和等效电感之间的LC谐振。此谐振也可能给系统带来3倍以上额定电压的馈电电压。
其三，最严重的问题在于系统起吊电动机运行过程中发生停电，可能发生电动机内电感储能迅速释放，与系统中电容器和电感器发生剧烈的内网谐振，此谐振的谐振电压可能超过额定电压的5倍以上。
综上分析，大功率频繁操作的抗性系统出现馈电电压成为了系统常态，在此常态下，必须采取行之有效的措施，将谐振电流充分疏导，防止谐振增压对系统的耐压设施带来破坏。同时因为系统的大部分低压二次设备的电源直接取自35kV总线的降压变压器，且变压器的变压比为刚性变比，所以，35kV的谐振电压很可能造成低压回路发生更严重的浪涌问题。甚至可能造成10kV母线和400V母线发生连带的谐振现象。
3.解决方案
3.1网内阻尼和直接接地
网内阻尼是减少谐振周期数的有效方式，通过PLC系统判断谐振浪涌的发生，3个谐波周期内在系统内串入大电阻6～8周期，以充分阻尼网络内的谐振。电阻值设置在30kΩ。因为串入大电阻的过程会导致系统内的工作电压剧烈下降，且因为在本文系统中面临的非完整LC回路中，其谐振周期一般在8～10个周期，并入6～8个周期的大电阻，可以明显阻尼系统的谐振电流，起到将谐振浪涌转化为谐振欠压的作用。
同时，在系统中部署一组氧化锌接地系统，将接地电压设定在3倍额定电压，也就是当系统电压达到105kV时，氧化锌接地系统会直接将电压泻出，确保系统中不会出现超过3倍额定电压的谐振增压现象。
3.2接地变的应用
不管是及时并入大电阻，还是使用氧化锌接地系统进行应急接地，均存在较多的问题。因为并入大电阻使系统电压迅速降低，但可以造成瞬时欠压，容易烧毁电动机或者导致断路器跳闸。氧化锌接地的寿命有限，可能造成持续的多相接地故障和单相接地故障，导致系统的检修压力增大，检修成本增加。所以系统应该在运行中防止触动3.1中建议的系统，3.1中建议的系统仅在系统发生严重谐振过压时进行动作，保护系统不出现更严重的事故。
ZN/YN接地变的使用，可以较大程度的平衡系统中的不均衡电压和不均衡电流，当系统发生任何形式的偏执时，ZN/YN接地变会实现系统谐振电流的柔性接地。因为系统内的谐振功率最大可能达到1200kVA以上，所以，接地变的容量不应该小于1560kVA（1.3倍），本文选择1800kVA的ZN/YN接地变实现柔性接地。
3.3基于PLC的综合安全保护系统
首先，使用PLC采集系统中不少于5个点的电压和电流矢量数据，将数据进行初步分析，判断出系统中的无功。
然后，采集ZN/YN接地变的接地电流，判断系统的接地完好情况。
当系统内出现震荡电流且ZN/YN接地变动作不流畅时，迅速拉断大电阻的短接断路器，6个周期（120ms）内重新闭合短接断路器。使得系统内震荡电流被大电阻充分阻尼。
因为系统内的氧化锌接地系统处于完全电磁工作状态下，不受PLC系统的管理。ZN/YN接地变同样处于完全电磁工作状态下，也不需要PLC的接入。所以，本文系统的PLC仅限于在系统发生意外升压发生时对系统内的高压进行阻尼，将高压转化为瞬时欠压。
4.结束语
码头机械因为额定容量较大，系统内部电网较为（下转第337页）（上接第309页）简单，导致电网内因为设备的频繁启停导致了系统内的馈电谐波影响较为明显。本文通过研究此谐波的原因，找到了有效处理该谐波，防止谐波增压对系统安全的不良影响。通过多方面综合的阻尼和接地，可以让系统内的谐波持续时间缩减到2个周期（80ms）以内，确保系统浪涌不至于损坏系统，也不至于造成系统的频繁跳闸。 [科]
【参考文献】
[1]张海申，何正友，张钧.谐振接地系统单相接地故障频谱特征分析[J].电力系统自动化，2012.3（03）：23-25.
[2]王玉梅，郭浩，惠胜达.基于残流增量法的谐振接地系统故障定位方法[J].电力系统自动化，2011.1（01）：35-36.