岸边集装箱起重机F650综保装置的研究与应用

黄 璐 陈 杰

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

0 引言

随着国际贸易在海运领域的迅猛发展，集装箱运输成为海运的重要设备，从而带动了集装箱装卸机械的发展。由于集装箱船舶的大型化和市场竞争促使技术进步，岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）技术也日新月异，岸桥越来越大型化、高效化。

由于岸桥的大型化和高效化，其设备的容量也越来越高，目前一般每台岸桥设备的容量为2 000～3 500 kW。除了岸桥自带有发电机组外，其设备上都需要配有大容量的高压供电系统，以满足用电需求。高压供电系统在运行过程中如果出现异常运行状态和各种故障，会导致电气设备损坏甚至造成现场人员伤亡。因此，岸桥高压供电系统必须配备专门的继电保护装置，以保障设备安全可靠运行。本文通过F650综保装置在新加坡某集装箱码头双小车项目上的应用，介绍F650综保系统的工作原理，以及在岸桥设备上的应用。

1 F650继电保护系统

继电保护是一种自动控制装置，随着计算机技术的发展，微机保护已成为继电保护的主要发展方向。微机保护是以微型计算机、微控制器等设备为核心组成的继电保护，具有调试维护简便、高可靠性、灵活性、改善保护性能、易于获得附加功能、简便化、网络化等特点。岸桥高压供电系统普遍采用微机综保产品，较常规的产品有GE的F650系列。

F650是集成了保护、控制、监视、和测量功能的装置，广泛应用于中高压系统的多种场合，可作为配电馈线和输电线路的保护，也可用于变压器、母线、电容器组等的保护，其原理功能图如图1所示。

F650提供过压和欠压保护、过频和欠频保护、断路器失灵保护、方向电流检测故障诊断和可编程逻辑等功能，还可提供相、中性点、接地和灵敏接地、瞬时和延时过流保护等功能。另外，该综保还配备自动重合闸、同期检查和线路故障测距功能，其诊断功能包含了顺序记录，可精确记录整个系统的事件顺序，便于导出故障记录在个人计算机上查看。这些工具均可有效减少故障查找时间，并简化系统故障事件报告的生成过程。F650前端面板上的RS232或USB口可连接到PC上，以实现通过PC进行定值编程和实时监控。

F650的具体参数有：工作电源低范围（LO）为24～48 V，工作电源高范围（HI）为110～250 V，失电保持时间为200 ms（装置未复位的最坏情况为100 ms），功耗为25～45 VA，标准输出点数为32个，用户输出点数为32个，前面板端口为COM2，类型为RS232/USB，后部异步端口为COM1、COM2（后端口与前端口复用），运行温度为-10℃～60℃，湿度（无凝露）为95%。

2 岸桥高压供电系统继保参数整定

岸桥高压供电系统主要由高压电缆、滑环箱、高压开关柜、变压器等部分组成，其单线图如图2所示。岸桥高压开关柜一般由1个进线柜和2个馈线柜组成。2个馈线柜分别与岸桥主副变压器相连，馈线柜由断路器隔离单元、母线隔离单元、电缆出线隔离单元和低压隔离单元组成，每个功能单元与其他功能单元通过金属隔板隔离互不影响。断路器采用真空断路器，具有燃弧时间短、使用寿命长、体积小、质量轻等特点，可快速接通或断开电源。F650综保装置安装在馈线柜低压隔离单元，馈线柜各有1个，分别对主副变压器进行保护。当主副变压器在运行时发生故障或不正常的运行状态，达到保护设置的整定值，F650综保跳闸输出信号动作，断开相应的馈线柜断路器以保护岸桥电气设备。

图2 岸桥高压系统单线图

岸桥高压供电系统继保参数一般包括过电流保护、短路保护、接地保护、过压及欠压保护、低频及过频保护、负序电压保护、主副变压器过温保护等。本文以新加坡某码头双小车岸桥项目为例，介绍这些保护的整定设置。

2.1 过电流保护

过电流保护是为了避免由于过负荷或设备短路引起电流增大对岸桥供电系统造成的影响。岸桥设备高压供电系统的过电流保护通常以避开岸桥主副变压器运行时可能出现的最大负荷电流来整定计算。过电流保护按动作时间可分为定时限过电流保护和反时限过电流保护，定时限过电流保护是指继电保护装置的动作时间是固定的整定时间，与故障电流大小无关；反时限过电流保护是继电保护装置的动作时间与过电流的大小有反比关系，故障电流越大动作时间越短。岸桥设备的过电流保护一般采用定时限过电流保护，岸桥设备在正常作业时，F650继电保护装置检测的电流在正常范围，过电流保护不会动作；当岸桥供电系统过负荷或设备短路时，F650继电保护装置检测的电流增大，当超过整定的电流和动作时间时发出跳闸信号。当过电流保护动作后，跳开故障线路馈线柜的真空断路器。岸桥高压供电系统的过电流保护，既可作为岸桥供电线路的保护，也可作为岸桥主副变压器保护。过电流保护整定公式为

式中：Krel为可靠系数，用于过电流保护时一般取1.2～1.3（岸桥设备取1.2）；Kr为返回系数，一般取0.85～0.95（岸桥设备取0.95）；nTA为电流互感器变比；IL·max为岸桥变压器可能出现的最大负荷电流。

该码头双小车岸桥项目主副变压器参数有：主变型号为ZSCB-3150/6.6，额定容量为3 150 kVA，额定电压为6.6/0.48 kV，3相，联接组别为Dyn11，额定电流为275.6/3 789 A，频率为50 Hz。副变型号为SCB10-400/6.6，额定容量为400 kVA，额定电压为6.6/0.415 kV，3相，联接组别为Dyn11，额定电流为35/556.5 A，频率为50 Hz。高压柜主变馈线柜电流互感器变比为80，副变馈线柜电流互感器变比为10。

岸桥主副变压器的最大负荷一般在变压器容量的80%～90%，这里取80%。由此，主变馈线柜一次侧过流保护整定电流为Iset＝1.2×0.8×275.6/（0.95×80）＝3.48 A，同理计算副变出线柜一次侧过流保护整定电流为3.54 A。根据上述计算得到的整定值可适当取偏小值，主变馈线柜过流保护设为3.45 A，副变过流保护设为3.5 A，过电流保护的动作时限设为1 s。岸桥过电流保护在F650中的设定如图3、图4所示。

图3 岸桥主变过电流保护设定

图4 岸桥副变过电流保护设定

2.2 短路保护

短路保护是指当短路电流超过继电保护整定值，继电保护装置动作使断路器跳闸，从而确保供电系统和设备的安全保护，也可称为电流速断保护。岸桥高压供电系统的短路保护与过电流保护相互配合。短路保护（即电流速断保护）作为岸桥高压供电系统的主保护，过电流作为后备保护；而在电流速断保护的盲区，则利用过电流保护作为基本保护。电流速断保护也可分为无时限电流速断保护和带时限速断保护。

1）无时限电流速断保护

岸桥设备电流速断保护动作电流的整定可按躲过岸桥主副变压器低压侧短路时F650继电保护装置检测的最大短路电流来计算，根据《工业与民用配电设计手册》的计算公式可得

式中：Krel为可靠系数（计算电流速断保护时可靠系数为1.3～1.5），这里取1.3；Kjx为接线系数（高压柜电流互感器接相电流，根据《工业与民用配电设计手册》取1）；I＂2k3·max为岸桥设备在最大运行方式下主副变压器三相短路时，通过变压器高压侧的瞬态电流；nTA为电流互感器变比。

当最大运行方式下变压器侧三相短路时，流过高压侧的超瞬态电流可通过变压器低压侧三相短路电流经验公式折算得出，即

式中：I2r·T为变压器低压侧额定电流；uk%为变压器阻抗电压百分值，根据《工业与民用配电设计手册》可得出该项目主变阻抗电压为6%，副变阻抗电压为4%。

通过上述公式可得主变低压侧三相短路电流I＂k3·max＝100×3 789/（6×1 000）＝63.15 kA，由此可计算岸桥主变在最大运行方式下低压侧三相短路时流过高压侧的超瞬态电流，即

主变压器速断保护动作的整定值可表示为

折算到主变压器一次侧的电流可得

用岸桥设备在最小运行方式下主变压器高压侧起始端的两相短路电流校验综保装置灵敏度系数，计算式为

由此可知，无时限电流速断整定的参数不能满足灵敏度系数要求，故岸桥短路保护应设带时限的电流速断保护。

2）带时限电流速断保护

动作电流计算公式为

式中：I＂3k3·max为岸桥主变最大运行方式下相邻元件末端三相短路稳态电流，这里假设为1 000 A。

由此可得

保护装置一次侧动作电流为

保护装置灵敏度系数为

岸桥电流短路保护设定的动作电流与岸桥过电流保护设定的动作电流的比值通常取整数倍（这里取4倍），设主变F650短路保护动作电流为13.4 A，保护装置动作时限为0.1 s。同样计算副变短路保护动作电流为14 A，动作时限为0.1 s。短路保护在F650中的设定如图5、图6所示。

图5 岸桥主变短路保护设定

图6 岸桥副变短路保护设定

2.3 接地保护

接地保护即岸桥高压供电系统单相接地保护，根据《工业与民用配电设计手册》，岸桥接地保护动作电流计算公式为

式中：Krel为可靠系数，用于单相接地保护有时限保护时取1.5～2（这里取1.5）；ICX为岸桥高压供电系统外部发生单相接地故障时的电容电流；IC∑为岸桥上一级电网总的单相接地电容电流。

根据《工业与民用配电设计手册》，6 kV电缆线路单相接地电容电流的计算公式为

式中：S为电缆芯线的标称截面，此项目高压卷盘电缆截面为150 mm2；Ur为线路额定线电压，此项目线电压为倍相电压，即11.43 kV；l为线路长度，假设从变电站到设备的长度为3 km。

由此，该项目单相接地电容电流IC＝（95+2.84×150）/（2 200+6×150）×11.43×2＝ 3.84 A，假设电网的总单相接地电容电流IC∑为15 A。

接地保护设定电流为

该项目接地保护设定电流设为6 A，动作时限为0.3 s，岸桥主副变馈线柜保护线路外部为同一线路，故2个馈线柜F650接地保护设定值一致。主副变压器接地路保护在F650中的设定如图7所示。

图7 岸桥主副变压器馈线柜接地保护设定

2.4 过压及欠压保护

供电系统中因电压波动而使用电设备端子电压实际值偏离额定值时，其设备性能都会受到影响。一旦岸桥电气设备出现故障，轻则影响设备使用寿命，重则导致设备停机岸桥装卸作业中断，造成难以想象的损失。为了保障岸桥电气设备稳定可靠工作，利用F650综保装置的过压与欠压保护功能，可有效避免因电能质量不稳定造成的设备故障。由GB/T 12325－2008《电能质量 供电电压偏差》规定的供电电压允许偏差限值可知，岸桥高压供电系统电压允许偏差不超过标称电压的±7%。高压柜2个馈线柜电压互感器变比为66，二次侧额定电压为100 V，过压保护设为107 V，动作时限为0.5 s；欠压保护设为93 V，动作时限为0.5 s。过压及欠压保护在F650中的设定如图8、图9所示。

图8 岸桥主副变压器馈线柜过压保护设定

图9 岸桥主副变压器馈线柜欠压保护设定

2.5 低频及过频保护

电气设备只有在额定频率附近运行时才能发挥最好的性能，频率过低或过大都会对引起岸桥设备上电机转速的变化，对电气元件及岸桥正常作业产生不利影响。同时，系统频率不稳定也会影响岸桥上的电子设备的正常工作。由GB/T 15945—1995《电能质量 电力系统频率允许偏差》规定的频率允许偏差限值可知，岸桥高压供电系统频率允许偏差的范围为±0.5 Hz。根据岸桥实际作业情况和设备当地的供电系统频率，低频保护动作值设为49.5 Hz，动作时限设为0.4 s；低频保护动作值设为50.5 Hz，动作时限设为0.4 s。低频及过频保护在F650中的设定如图10、图11所示。

图10 岸桥主副变压器馈线柜低频保护设定

图11 岸桥主副变压器馈线柜过频保护设定

2.6 负序电压保护

为了避免供电系统出现故障导致岸桥供电系统三相电压不平衡，可利用F650的负序过电压保护功能。在正常状态下，岸桥电力系统三相对称，只有正序分量，负序和零序分量均为零。当系统出现故障时，主要由于负荷不平衡、系统三相阻抗不对称以及消弧线圈的不正确调谐会引起系统的三相电压不平衡，此时会产生负序分量。F650负序电压保护的设置参数如图12所示。

图12 岸桥主副变压器馈线柜负序电压保护设定

2.7 主副变压器过温保护

岸桥高压供电系统除了上述保护外，通常会在主副变压器装设温控装置。温控器设有超温报警和超温跳闸2个信号，主副变压器为干式变压器绝缘等级155 F，超温报警设为130 ℃，超温跳闸设为150 ℃。当变压器三相线包温度中的最高相温度达到设定超温报警温度时，温控器会发出蜂鸣报警，面板上超温显示灯亮，并通过温控器后板报警输出端输出开关量信号给F650综保装置。当变压器三相线包温度中的最高相温度达到设定超高温跳闸温度时，温控器会发出蜂鸣报警，面板上跳闸显示灯亮，并通过温控器后板跳闸输出端输出开关量信号给F650综保装置启动断路器跳闸信号，以切断电源，保护变压器。

3 结语

通过新加坡PSA双小车岸桥项目高压供电系统继电保护参数的设置，对F650综保装置的工作原理以及过电流保护、短路保护、接地保护、过压及欠压保护、低频及过频保护、负序电压保护、主副变压器过温保护这些具体功能在F650中的应用进行详细介绍。该项目自2020年设备到达新加坡现场投入使用以来，运行效果良好，至今未发生过因继保参数不当导致的岸桥设备故障。提高了岸桥供电系统的稳定性，为岸桥设备安全可靠作业提供了保障。