岸边集装箱起重机小容量控制变压器二次侧远端短路电流计算分析

吴从铭 沈宝琪 郭建勋

1 钦州港集装箱码头有限公司 2 上海振华重工(集团)股份有限公司 3 上海云童机电设备有限公司

1 引言

在岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)电气系统的设计中，通常整机使用一个安装于电气房中的控制变压器，二次侧输出电压220 V，无论用电器距离电源端多远都会使用此电源，部分电缆线的长度超过100 m，电气设计人员容易忽略计算此处短路电流。而微型断路器选型、电缆线截面积计算以及变压器容量校核都需要根据短路电流来进行，如果在远端发生短路，微型断路器选型过大，会导致变压器烧毁，甚至还可能引起整个电气房烧毁。为消除以上安全隐患，对岸桥控制变压器二次侧远端短路电流进行计算分析，合理选择微型断路器和控制变压器的容量，电缆导线的截面积，以此来提高岸桥的安全和可靠性。

2 计算参数

现以国内某双小车岸桥实际电气设计为例计算短路电流。控制变压器容量6 kVA，二次侧电压220 V。以小车架单个回路为例，微型断路器型号为C10A-1P。其余分支回路与小车架的分支回路相同。外部电源应用主要是各个外部限位的电源，各外部电源间直接并联，没有安装保护装置。

控制电源电缆线的截面积为1.5 mm2，各站点控制电源到电气房距离如下。小车架到电气房距离约为190 m，门架小车到电气房距离为140 m，陆侧大车到电气房距离为140 m，海侧大车到电气房距离为144 m；理货室到电气房距离为120 m。

3 远端站点短路电流计算

3.1 短路电流计算电路

以小车架最远端发生L相对地短路为例，计算短路电流值。简化短路后的电路见图1。

图1 简化后短路电流计算电路

3.2 国家相关标准

3.2.1 变压器过载能力及时间

额定负荷，变压器可以长期运行，过载10%，变压器可持续运行180 min；过载20%，变压器可持续运行150 min；过载30%，变压器可持续运行120 min；过载60%，变压器可持续运行45 min；过载75%，变压器可持续运行15 min；过载100%，变压器可持续运行7.5 min；过载140%，变压器可持续运行3.5 min；过载200%，变压器可持续运行1.5 min。

3.2.2 电缆的导体电阻

依据GB/T 3956-2008电缆的导体，20℃时电缆导体最大电阻见表1。

表1 20℃时电缆导体最大电阻表

3.3 各站点短路电流计算电路

3.3.1 小车架短路电流计算电路

现场选用控制变压器6 kVA，二次侧绕组值取0.4 Ω，电缆线使用1.5 mm2，额定电流12 A，实际布线长度约190 m，计算电阻为2.28 Ω。

根据图1，计算短路电流，在190 m处对地短路I=U/R=220/(0.4+2.28)=82 A。

现场选用的微型断路器型号为C-type 10A,能够立即(时间<0.02 s)断开的最小短路电流为100 A；预留1.3倍安全余量，完全能够立即断开的电流为130 A。

而现场如果L相短路点发生在190 m处只能产生82 A的短路电流，小于130 A，微型断路器不会断开。变压器的额定电流是30 A，在82 A短路电流的情况下，变压器承受2.7倍的额定负载，变压器会在短时间内烧毁，相应的电线也会烧毁。

此时，控制电源线端仅仅到达接线箱内，未到达各使用端。从小车架继续延伸到小车吊具控制电源计算短路电流。

吊具控制电源采用相同的微型断路器，吊具电缆的长度70 m，在距离控制变压器260 m处发生L相对地短路，此时短路电流为62.5 A，小于130 A，微型断路器不断开，如果不能及时处理，变压器和导线在长时间承受62.5 A电流的情况下必定烧毁。

3.3.2 其余位置短路电流计算

门架小车与陆侧大车到电气房电缆总长均为140 m，在距离控制变压器140 m处发生L相对地短路,计算得此时短路电流为105 A。海侧大车到电气房电缆总长为144 m，计算得此处短路电流约为105 A。理货室到电气房电缆总长120 m，计算得此处短路电流为119 A。

以上4处短路电流虽大于100 A但小于130 A，微型断路器可能不会断开，安全余量不足。

3.4 小结

控制变压器6 kVA后端选择了微型断路器C10，电缆线1.5 mm2，在距离超过100 m后，若发生L相对地短路，微型断路器不会跳闸，在短时间内控制变压器会烧毁。

4 改进措施

(1)根据计算的最小短路电流62.5 A选择控制变压器容量P=UI=220×62.5=13.75 kW，故变压器容量选择15 kVA。

(2)在距离电源50～100 m范围内，电缆线加粗，由1.5 mm2改为2.5 mm2。微型断路器最小级选用C10。此时50 m 处短路电流为289 A，100 m处短路电流为196 A，150 m处短路电流为148 A，均大于130 A，微型断路器可完全断开。

(3)在距离电源150～250 m范围内，电缆线加粗，由1.5 mm2改为4 mm2。微型断路器最小级选用C10。此时150 m处短路电流为200 A，200 m处短路电流为164 A，250 m处短路电流为139 A，均大于130 A，微型断路器可完全断开。

5 结语

通过针对岸桥控制变压器二次侧远端短路电流的计算，根据负载大小，重新选择变压器容量；依据距离远近，合理选择微型断路器型号，在远端发生短路时，保护断路器能够瞬间发生跳闸，以达到保护设备的目的。