铁路货场起重机供电方案设计分析

陈永丰

（广东省铁路规划设计研究院有限公司）

0 引言

随着国务院发布碳达峰、碳中和的工作意见，铁路货运作为环保低耗的运输方式，越来越多地承担大宗商品运输的任务。起重机作为铁路货场装卸货物的主要设备［1-2］， 其作业量大、使用频率高［3］，该设备能否正常高效运转关系着铁路货场的运量大小［4］。因此，货运量的增多，货场内起重机的荷载和数量也相应地增大，既有的起重机供电方案已无法满足其现需要的末端电压要求。因而，设计适用于当前铁路货场起重机用电要求以增大起重机末端电压提高运力的供电方案具有重要的现实意义。

1 起重机供电设计要求及计算方法

1.1 起重机电压降设置要求

GB 50055-2011《通用用电设备配电设计规范》第3.1.3 条滑触线或软电缆的截面选择应符合下列规定：

1）载流量不应小于负荷计算电流。

2）应能满足机械强度的要求。

3）对交流电源供电，在尖峰电流时，自供电变压器的低压母线至起重机任何一台电动机端子上的电源的总电压降最大不得超过额定电压的15%。

依据设计规范要求，起重机宜采用专用回路供电，自变电所变压器的低压母线至起重机电动机端子的电压降，在尖峰电流时，不宜超过额定电压的15%。根据工程实践经验，起重机内部电压降约占2%，电源线路约占3%~5%，滑出线约占8%~10%，如图1所示。

图1 起重机供电压降示意图

1.2 起重机末端电压降计算方法

1.2.1 滑触线电压降计算方法

1.2.1.1 计算电流的计算

计算起重机的计算电流方法有综合系数法、方均根电流法、利用系数法等，工程上一般采用综合系数法。

采用综合系数法，首先确定计算功率Pc和计算电流Ic：

（1）和（2）式中Pc为计算功率，kW；Kcc为综合系数，其值见表1；Pn为连接在滑触线上的电动机，在额定负载持续率下的总功率（不包括副钩电动机功率），kW；Ic为计算电流，A；Un为电动机的额定电压，V；cosφ为功率因数。

表1 综合系数Kcc

1.2.1.2 尖峰电流的计算

式中，IP为尖峰电流，A；Ic为计算电流，A；Kcc为综合系数，其值见表1；IrMmax为最大一台电动机的额定电流，A；Kst为最大一台电动机的启动电流倍数，绕线转子电动机取2，笼型电动机按产品样本取值。

1.2.1.3 滑触线电压降的计算

式中，IP为尖峰电流，A；l为滑触线的计算长度，km，对单台起重机是指供电点至最远端的距离，两台起重机时该距离乘以0.8，三台起重机时乘以0.7；cosφ为功率因数；R为滑触线的交流电阻，Ω km；X为滑触线的内外电抗之和，Ω km。

1.2.2 电源线路电压降计算方法

由于自变电所至起重机配电箱一般采用交联聚乙烯绝缘电力电缆敷设，其电压降如下：

式中Ic为计算电流，A；L为供电线路长度，km；Δui%为三相线路每1 A▪km 的电压损失百分数，%/(A ⋅km)，其值见表2。

表2 1kV交联聚乙烯绝缘电力电缆用于三相380V系统的电压降（铜）%/(A ⋅km)

2 不同供电方案下的压损校核

某铁路货场室外货物堆放如图2 所示，共有两处集装箱区和一处笨重货物堆放区，每处均设置有2 台起重机作业。拟新建一座变电所，为全部起重机供电，变电所位置考虑设置在中间的负荷中心处。以其中主集装箱区为例，变电所至该滑触线首端距离120m，其滑触线长376m。每台起重机总功率420.8kW，其中起升机构主钩2*110kW、大车8*18.5kW、小车4*9.2kW，其它附属用电4*4kW。起重机额定电压为380V，额定负载持续率为40%，功率因数0.8。

图2 某货场室外货物堆放区平面布置示意图

2.1 既有供电方案

考虑缩短电缆长度以降低供电成本，在滑触线首端处设置配电箱，则供电线路120m，而滑触线376m。从变电所引出380V 供电至此处，则滑触线末端最大电压降计算如下：

计算功率

计算电流

由于起重机计算电流为607A，断路器额定电流选用800A，故滑触线和电源线缆载流量只要大于等于800A 即可满足要求。可采用JGHX-300/900A 钢基铜质滑触线，其单位电阻R=0.09Ω/km，单位感抗X=0.217Ω/km。供电线路采用3 条150mm2截面380V三相电缆并联供电。

滑触线电压降

供电线路电压降

从变压器至起重机内部的总电压降△U% =△U1% + △U2% + △U3% = 1.8% + 26.2% + 2% =30%，由此可见，已远超规范允许值，当起重机行驶至滑触线末端时，会因电压损失过多而无法正常工作。

2.2 采用380V供电至滑触线中间

由既有供电方案可知，滑触线的单位电压降远大于供电线路的单位电压降，而计算长度与滑触线电压降、供电线路电压降均成正比关系，考虑将配电箱设置在滑触线中间位置，则供电线路增加至308m，而滑触线减少至188m。其滑触线末端最大电压降计算如下：

计算功率、计算电流、尖峰电流均同既有供电方案计算值一致。

滑触线电压降

对原始信号进行小波变换后，可以获得许多低频信号分量和高频信号分量对应的分解系数[17]，假设某一分量的分解系数为c1,c2,…,cN，对分解系数进行如下式所示的计算，可获取对应分量的能量值。

供电线路电压降

从变压器至起重机内部的总电压降为△U% =△U1% + △U2% + △U3% = 4.61% + 13.1% + 2% =19.71%，电压降已大幅度减小，但还不满足规范允许值。

2.3 增大滑触线或电源线缆导体截面

2.3.1 增大滑触线截面

当同等材质滑触线的截面积增大，载流量相应增大时，其单位电阻和单位电坑均会有所下降。不同载流量滑触线的单位电阻及单位电抗参考值见表3。通过计算，当供电至滑触线中间位置时，其滑触线的电压降如表4所示。

表3 不同载流量的滑触线的单位电阻及单位电抗值

表4 不同载流量的滑触线的电压降

由表4 可以看出，适当增大滑触线截面，可有效降低其电压降。但随着截面的持续增大，电压降的降低幅度越来越小，增大滑触线截面积以减少电压降的效果并不理想。

2.3.2 增大电源线缆截面

根据表2 中不同截面的电缆参数，可考虑采用3条电缆供电至滑触线中间位置，通过计算其供电线路的电压降可得表5。

表5 不同截面低压电缆的供电线路电压降

由表5 可以看出，增大供电电缆截面，可有效降低其电压降。

通过以上分析，在满足起重机电压降规范规定的要求下，同时兼顾经济实用，可采用配电箱设置在滑触线中间位置，从变电所引出3 条240mm2的1kV 交联聚乙烯绝缘电力电缆并联供电至滑触线中间位置、滑触线选用钢基铜质JGHX-700/2100A 的供电方案。该方案的总电压降为△U%=△U1%+△U2%+△U3%=3.37%+9.49%+2%=14.86%，小于15%，满足规范设计要求，可选用该设计方案用于起重机的供电。

2.4 采用10kV供电方案分析

虽然以上方案做了相关的优化措施，但由于两台起重机功率较大、滑触线长度较长等原因，总电压降接近规范允许值，且投资成本很高。

若采用10kV 电源供电，对每台起重机采用1 条50mm2截面电缆供电，供电线路长为376m+120m=496m。已知50mm2的10kV 电缆的单位电压降为0.007%/(A⋅km)。

计算功率

计算电流

线路电压降

从变电所变压器至起重机内部的总电压降为

由此可见，若采用10kV 电源供电，起重机的电压降将大大降低，仅为2.05%，远远小于15%，是一个很好的起重机供电方案。但该方案中起重机的电源电压需更提高到10kV，会增加起重机用电电源从380V 转换成10kV以及增加相关安全用电装置等成本。

3 结束语

为解决铁路货场起重机荷载与数量增多的问题，可在既有供电方案的基础上，从以下几个方面进行优化设计。

（1）电源线路计算长度与电压降成正比，为起重机供电的变压器应尽可能设置在负荷中心。

（2）低压电源线应尽量供电至滑触线中间位置。

（3）在经济合理的前提下，适当增大滑触线截面或电源线路的截面，降低导体本身单位电压降。

（4）在起重机工艺流程满足需求的条件下，采用10kV电源供电。

根据实际起重机的负荷与数量要求，可采用以上任何一个方面或者结合多个方面进行优化组合制定起重机供电方案，以满足用户需求。在满足电气设计技术要求的基础上，可综合考虑成本、用电安全等多个因素，以选取最优方案。