閆利偉, 宋東升, 劉冀

（海軍工程大學(xué)天津校區(qū)，天津300450）

0 引言

目前，ZB系列箱變已在港口中廣泛采用，該箱式變電站與固定式變配電站相比具有深入負(fù)荷中心，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，安裝方便，節(jié)約土建投資等優(yōu)點(diǎn)。隨著港口的不斷發(fā)展，大量新型船舶下水服役，單船用電負(fù)荷增加，ZB系列箱變?nèi)找娌贿m合港口發(fā)展，出現(xiàn)了多起變壓器燒壞的事故，因此港口供電系統(tǒng)改造成為急需解決的問(wèn)題。

1 現(xiàn)箱變存在的問(wèn)題

目前ZB系列箱變已在港口中廣泛應(yīng)用，港口供電系統(tǒng)一般構(gòu)成為港口中心變電站→ZB系列箱變→岸電箱→船舶供電形式。這種供電方式相比土建式港口變配電站相比具有深入負(fù)荷中心、安裝方便、節(jié)約土建燈優(yōu)點(diǎn)，但隨著港口的發(fā)展，大量的新型船舶下水服役，單船用電量增加，ZB系列箱變?nèi)找娌贿m合港口發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下方面：

1) 體積大，高壓不能充分深入到碼頭泊位。

ZB系列箱變外形尺寸約為（以800 kVA為例）3680×2300×2650 mm3，由于其體積大，因而不能在碼頭上安裝，只能在離碼頭泊位較遠(yuǎn)處安裝，引出低壓電纜輸電到碼頭岸電箱，再供應(yīng)船舶，因此電纜投資較大，電能損耗、電壓損耗較高。

2) 箱變電氣部分設(shè)計(jì)形式與港口現(xiàn)有供電系統(tǒng)模式不太適應(yīng)，存在設(shè)備、功能的設(shè)置重復(fù)。整裝造價(jià)高，可靠性低，維護(hù)工作量大。

ZB系列箱變框架常為“目”或“品”字形結(jié)構(gòu)，港口普遍采用“目”字形結(jié)構(gòu)，分別為高壓室(H)、變壓器室(T)、低壓室(L)，三室用檔板分隔開(kāi),其重復(fù)設(shè)置表現(xiàn)在三個(gè)方面：

a) 高壓室設(shè)備設(shè)置重復(fù)。

ZB系列箱變高壓室由進(jìn)線柜、PT柜和總開(kāi)關(guān)柜組成，具有對(duì)高壓進(jìn)線計(jì)量、保護(hù)和控制的功能。其高壓進(jìn)線來(lái)自于港口中心變電站，如圖1所示，港口中心變電站對(duì)ZB系列箱變的高壓進(jìn)線進(jìn)行計(jì)量、保護(hù)和控制，由此可見(jiàn)ZB系列箱變的高壓進(jìn)線的計(jì)量、保護(hù)和控制重復(fù)設(shè)置，從而造成其高壓室占據(jù)空間大，設(shè)備造價(jià)高。

b) 箱變低壓室與岸電箱設(shè)備及功能設(shè)置重復(fù)。

低壓室安裝的低壓配電設(shè)備（包括配電開(kāi)關(guān)、保護(hù)設(shè)備、互感器、計(jì)量監(jiān)視儀表等）已包括岸電箱的設(shè)備及功能，而且是必不可少的，由于箱變不能深入負(fù)荷中心，只能通過(guò)低壓電纜引至碼頭泊位，再重復(fù)設(shè)置岸電箱才能供給船舶，造成低壓電纜以及岸電箱設(shè)備重復(fù)設(shè)置，增加了投資。并且低壓供電多了一個(gè)供電環(huán)節(jié)：箱變→碼頭岸電箱，這樣加大了低壓線路發(fā)生故障的概率，并且在日常維護(hù)中多了一個(gè)維護(hù)環(huán)節(jié)，如圖1所示。

c) 目前ZB系列箱變低壓系統(tǒng)均為T(mén)N系統(tǒng)，引出有中性線，而船舶大部分為IT系統(tǒng)，兩者不匹配，供電安全性、可靠性相對(duì)較差。

3) 不適應(yīng)港口“三高”環(huán)境要求，設(shè)備安全性差，使用壽命偏低

a) 不適應(yīng)高溫環(huán)境使用要求

現(xiàn)役箱變大都采用干式變壓器，過(guò)載能力較差。變壓器、低壓室配電裝置在封閉的室內(nèi)（箱變的變壓?jiǎn)卧?、低壓?jiǎn)卧米匀缓蛷?qiáng)迫通風(fēng)來(lái)解決散熱問(wèn)題。在南方夏季高溫天氣中，由于太陽(yáng)直照在箱體上，使箱變室內(nèi)溫度過(guò)高，箱變負(fù)載能力嚴(yán)重下降。而夏季正是用電高峰，為了保證港口正常用電需求，箱變只能過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，這樣造成變壓器及高低壓電氣設(shè)備長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，加快了絕緣老化的速度，降低設(shè)備使用壽命，使箱變的服役期縮短。在港口實(shí)際使用中已經(jīng)有多臺(tái)箱變因?yàn)檫@種原因被燒壞。

b) 不適應(yīng)碼頭高鹽霧的環(huán)境要求

現(xiàn)役箱變及設(shè)備選擇上對(duì)抗腐蝕要求沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，部分設(shè)備不適應(yīng)碼頭高鹽霧環(huán)境，腐蝕較為嚴(yán)重，大大縮短設(shè)備的使用壽命，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

c) 不適應(yīng)碼頭高濕度的環(huán)境要求

因港口供電系統(tǒng)負(fù)荷變化較大，空載、閑置周期較長(zhǎng)。在港口碼頭高濕環(huán)境下，電氣設(shè)備易遭受潮氣侵蝕或受晝夜溫差變化而產(chǎn)生凝露，使電氣設(shè)備絕緣下降，影響電氣設(shè)備的運(yùn)行安全，給日常電氣設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)隱患，同時(shí)增加了設(shè)備的維護(hù)工作量。

2 新研預(yù)裝緊湊型港口專用箱變主要解決的幾個(gè)問(wèn)題及對(duì)策

通過(guò)對(duì)現(xiàn)役箱變存在問(wèn)題進(jìn)行剖析，結(jié)合船舶岸電保障現(xiàn)狀及發(fā)展的趨勢(shì)，課題組認(rèn)為新研預(yù)裝緊湊型港口專用箱變主要從減小體積、優(yōu)化系統(tǒng)及設(shè)備配置、提高安全性和環(huán)境適應(yīng)性四方面進(jìn)行考慮。

1) 減小港口專用箱變的體積

港口專用箱變應(yīng)安裝于碼頭泊位，直接與船舶電纜連接供電，如圖2所示。這樣減少低壓配電環(huán)節(jié)，不僅減少了碼頭低壓電纜、配電箱等設(shè)備，而且還降低初投資和日常維護(hù)工作量。同時(shí)由于高壓充分深入負(fù)荷中心，可大大減少低壓輸電系統(tǒng)損耗，節(jié)約電能。但港口專用箱變安裝于碼頭泊位，需解決外型尺寸小型化的問(wèn)題。

現(xiàn)役ZB系列港口箱變體積過(guò)大的原因是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式所決定。新型港口專用箱變改變了室內(nèi)安裝箱（柜）式設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式，直接采取高壓柜、變壓器、低壓柜開(kāi)放式組合結(jié)構(gòu)，取消了高壓、低壓和變壓器三室，無(wú)論從體積、質(zhì)量上，設(shè)備都大大減少。同樣630 kVA箱變，新式港口專用箱變較傳統(tǒng)箱變體積減少約1/2，質(zhì)量減少約1 t，使箱變安裝于碼頭泊位成為可能。

新式箱變低壓室采用安裝板式結(jié)構(gòu)，改變傳統(tǒng)低壓柜組合形式，在不減少低壓設(shè)備配置的情況下，最大限度縮小低壓柜空間。高壓室采用小型全封閉負(fù)荷開(kāi)關(guān)環(huán)網(wǎng)柜或采用四位置“V型”負(fù)荷開(kāi)關(guān)形式，有效地減少高壓室空間。變壓器采用油浸式，裸露安裝，取消變壓器室，同樣也減少了箱變體積。

2) 優(yōu)化系統(tǒng)配置

箱變安裝于碼頭泊位，集箱變、港口岸電箱功能于一體，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備配置應(yīng)滿足功能需要，具有高壓配電、變壓、低壓配電、對(duì)船舶直接供電以及高低壓保護(hù)、計(jì)量、監(jiān)視、自動(dòng)化管理于一體。在系統(tǒng)設(shè)置及設(shè)備選擇配置上，均應(yīng)考慮周全。

a) 高壓部分

當(dāng)需要高壓配電及計(jì)量時(shí)，高壓配電裝置可采用裝配式結(jié)構(gòu)，設(shè)置高壓進(jìn)線柜、計(jì)量柜以及饋線柜。當(dāng)電源來(lái)自于港口中心電站時(shí)，可采用四位置負(fù)荷轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)加熔斷器組合，高壓進(jìn)線通過(guò)全絕緣型肘型電纜頭與電纜連接，在10 kV電壓下能帶電拔插，滿足了港口專用箱變高壓操作的運(yùn)行與安全需要。

b) 變壓器

由于變壓器處于半裸或全裸狀態(tài)，能充分散熱，最大過(guò)負(fù)荷能力達(dá)30%，負(fù)荷能力較傳統(tǒng)箱內(nèi)安裝的油浸式變壓器過(guò)負(fù)荷能力高10%（干式變壓器則不能過(guò)負(fù)荷運(yùn)行）。若解決外殼防腐問(wèn)題，同負(fù)荷下，變壓器使用壽命將大大延長(zhǎng)。

c) 低壓部分

低壓部分兼顧低壓配電、港口岸電箱雙重功能，在設(shè)計(jì)上充分考慮船舶港口供電的操作、運(yùn)行、安全和使用管理，為保護(hù)變壓器，低壓部分設(shè)主開(kāi)關(guān)，為實(shí)現(xiàn)船舶用電計(jì)量和船舶電纜的快速連接，低壓部分吸收了現(xiàn)役港口岸電箱中智能電表和KC16-3電力連接器，完善了碼頭泊位供電操作功能。

為與船舶供電系統(tǒng)相一致，新研港口專用箱變采用IT系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)箱變TN系統(tǒng)，提高了供電的安全性和可靠性，同時(shí)為方便碼頭維修單相用電設(shè)備需要，低壓系統(tǒng)中采取引出中性線及加強(qiáng)絕緣等措施，既方便維修用電需求，又滿足安全性要求。

d) 自動(dòng)化系統(tǒng)

兼顧港口智能電能計(jì)量管理系統(tǒng)以及在研港口信息化系統(tǒng)需求，港口專用箱變采用北京雙電FCK2000電力綜合測(cè)控終端，對(duì)箱變高低壓設(shè)備及變壓器各類運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行綜合處理和遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)規(guī)范了FCK2000電力綜合測(cè)控終端、港口智能電度表的通訊接口，為對(duì)箱變進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)視提供了條件。

3) 提高箱變安全性

新型港口專用箱變安裝于碼頭泊位，是人員往來(lái)比較頻繁的場(chǎng)所，其防火、防觸電等安全措施尤為重要，除滿足國(guó)家、行業(yè)相關(guān)規(guī)范要求外，箱變無(wú)任何裸露帶電部分，所有非帶電金屬裸露部分均可靠接地。

低壓系統(tǒng)采用IT系統(tǒng)，大大降低設(shè)備漏電時(shí)（單相接地）外殼接觸電壓過(guò)高可能對(duì)人帶來(lái)的傷害，同時(shí)低壓采用單相接地報(bào)警系統(tǒng)，可使運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除隱患，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，危及設(shè)備及人身安全。

箱變采用油浸式電力變壓器，為防止火災(zāi)發(fā)生，變壓器油采用優(yōu)質(zhì)高燃點(diǎn)礦物油，同時(shí)對(duì)變壓器散熱片采用防護(hù)罩保護(hù)，防止由于外力破壞散熱片而產(chǎn)生漏油情況。

4) 提高箱變環(huán)境適應(yīng)性

防高溫，防腐、防潮。

箱體基座和所有外露金屬件均應(yīng)進(jìn)行防銹處理。箱體應(yīng)有可靠的密封性能，門(mén)、箱體開(kāi)孔處應(yīng)設(shè)防塵、防小動(dòng)物進(jìn)入和防雨、防滲漏、防海浪擊打措施。箱體的內(nèi)部金屬構(gòu)件也進(jìn)行防銹處理。

3 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)裝緊湊型港口碼頭專用箱變現(xiàn)已通過(guò)了基本性能測(cè)試，并在某港口碼頭進(jìn)行了應(yīng)用，功能完善，運(yùn)行穩(wěn)定，安全性高，維護(hù)工作量少，適應(yīng)港口“高溫、高濕、高鹽霧”氣候。新型箱變的使用，對(duì)提高港口供電保障質(zhì)量、節(jié)約電能合優(yōu)化資源具有重要意義。

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