Сначала ответ: трансформатор контейнерного терминала выбирается по перечню нагрузок кранового парка с коэффициентами спроса по рабочему циклу, и кран — это не обычная двигательная нагрузка. Краны типа «судно-берег» (STS) и рельсовые козловые краны (RMG) потребляют циклическую нагрузку, которая в течение 90-секундного цикла колеблется между режимом рекуперации и 150% от среднего значения, поэтому трансформатор выбирается по тепловому среднеквадратичному току и температуре наиболее нагретой точки, а не по сумме паспортных данных двигателей. Розетки для рефрижераторных контейнеров — это противоположная проблема: стабильная, зависящая от погоды нагрузка, которая формирует основание кривой и летний пик. Рассчитывайте подстанцию среднего напряжения по совпадению максимумов этих двух групп нагрузок, затем выбирайте крановые трансформаторы по циклической мощности, K-фактору и падению напряжения вдоль причала, и тогда кВА, полное сопротивление, степень защиты IP и решение «сухой или масляный» станут расчётными результатами, а не привычкой.
Ключевые выводы
- Мощность кранов STS рассчитывайте исходя из 1 200–1 600 кВА установленной мощности на один двухзахватный кран для контейнеровоза класса ULCV и применяйте коэффициент спроса по рабочему циклу 0,40–0,50, а не 0,7–0,9, используемый для нагрузок зданий. Совпадение максимумов кранов на одном причале высокое; совпадение максимумов кранов и рефрижераторных контейнеров — нет.
- Рефрижераторные контейнеры — крупнейшая стабильная нагрузка на перегрузочном терминале. 40-футовый контейнер со встроенной холодильной установкой потребляет примерно 5–9 кВт в установившемся режиме и 11–13 кВт при вытягивании температуры, а сама розетка рассчитана примерно на 22 кВА при 32 А/400 В трёхфазного тока, поэтому расчётную нагрузку принимают в кВт при расчётной температуре окружающей среды, а затем переводят в кВА при коэффициенте мощности 0,85–0,90.
- Выбирайте крановые трансформаторы по среднеквадратичному току за 10 минут и пределу температуры наиболее нагретой точки (98 °C для нормального циклического срока службы согласно IEC 60076-7), а не по мгновенному пику. Агрегат с литой изоляцией и тепловой постоянной времени 30–60 минут почти не реагирует на 20-секундный пик подъёма — именно поэтому агрегат мощностью 1 600 кВА может обслуживать кран, мгновенная потребность которого достигает 2 000 кВА.
- Крановые приводы — это источник гармоник, который определяет конструкцию трансформатора. Шестипульсный тиристорный или диодный входной выпрямитель создаёт THD тока 25–35%; двенадцатипульсный снижает его вдвое; активный выпрямитель (AFE) с рекуперацией доводит его до 4–8%. Указывайте K-фактор или снижение номинала по IEEE C57.110, поскольку стандартный распределительный трансформатор, несущий гармоническое содержание K-13, теряет 10–20% полезной мощности из-за нагрева от вихревых токов.
- Питайте краны напряжением 6,6, 11 или 20 кВ через кабельный барабан или контактный рельс и трансформируйте напряжение на борту или на причальной подстанции. При 400 В кран мощностью 1 400 кВА в конце 400-метрового причального участка теряет около 9% при полной нагрузке; при 6,6 кВ та же нагрузка теряет 0,3%. Это единственное число определяет выбор напряжения.
- Прибрежные терминалы — это коррозионная среда категории C5-M с температурой окружающей среды 40–45 °C, соляным туманом и циклами конденсации. Это означает минимум IP54 (IP55 на кране), лакокрасочные системы по ISO 12944 C5-M, кремнийорганические или высоковольтные изоляторы из литой смолы, крепёж из нержавеющей стали и конструкцию охлаждения, которая исходит из того, что оболочка — не чистое помещение.
- Резервирование по принципу N-1 на терминале не является опцией: причал без кранов перестаёт приносить доход. Обычная схема — секционированная крановая шина 11 кВ, питаемая от двух или трёх трансформаторов 33/11 кВ, так что при отказе любого одного трансформатора на каждом причале остаётся сокращённое число кранов, а не один мёртвый причал.
Какие нагрузки есть у контейнерного терминала, которых нет у обычного завода?
У завода есть технологический процесс, который задаёт его профиль нагрузки. У терминала есть парк техники, и этот парк перемещается. Четыре группы нагрузок ведут себя совершенно по-разному, и спецификация трансформатора определяется той из них, которая наихудшая для задаваемого параметра: краны — для циклического теплового режима и гармоник, рефрижераторные контейнеры — для стабильной мощности в кВА, береговое электроснабжение судов — для низкого коэффициента мощности при малой нагрузке, а уровень автоматизации и ИТ — для устойчивости к перерывам электроснабжения.
| Категория нагрузки | Типовой размер агрегата | Характер нагрузки | Что это диктует в спецификации трансформатора |
|---|---|---|---|
| Краны STS (судно-берег) | 1 200–1 600 кВА установленной мощности на двухподъёмный кран ULCV; средняя потребляемая мощность 400–800 кВА | Цикл 90–120 с, рекуперативное опускание, четырёхквадрантные приводы, высокий пусковой ток при запуске | Циклический номинал, коэффициент K, низкое uk% для просадки напряжения, AFE или фильтрация гармоник, IP55 на борту |
| Козловые краны RMG / RTG | 300–600 кВА установленной мощности; средняя 150–300 кВА | Тот же режим, что у STS, в меньшем масштабе; RTG может быть дизель-электрическим или e-RTG с кабельным барабаном | Циклический номинал, допуск по низковольтной шине, кабельный барабан e-RTG и защита от замыкания на землю |
| Розетки для рефрижераторов | 32 А/400 В трёхфазные на розетку (около 22 кВА), фактическое потребление 5–9 кВт | Постоянная 24/7, зависит от погоды, синхронное циклирование компрессоров при высокой температуре окружающей среды | Постоянная база кВА, низкие потери холостого хода, устойчивость к гармоникам компрессорных приводов, регулирование напряжения на розетке |
| Береговое питание (cold ironing) | 1–8 МВА на причал в зависимости от класса судна | Ноль в течение недель, затем 60–80% номинала на весь период стоянки; преобразование 50/60 Гц | Выделенный трансформатор и преобразователь частоты; см. руководство по береговому питанию |
| Автоматизация, КПП, ИТ и безопасность | 0,5–2 МВА | Непрерывная, почти нулевая допустимость простоев, импульсные источники питания | 2N или с резервированием ИБП, K-13, низкий шум при близости к офисам |
| Освещение терминала и здания | 1–3 МВА суммарно | Освещение высокомачтовых опор от заката до рассвета, светодиодные драйверы, однофазный дисбаланс | Устойчивость к гармоникам, кратным трём, выбор сечения нейтрали, ступенчатое регулирование напряжения |
| Электрификация площадки и зарядка AGV | 2–6 МВА | Зарядка по возможности, высокий кратковременный спрос, двунаправленность на новых площадках | Циклический номинал, исследование гармоник, координация защит с выпрямителями зарядных устройств |
Первое, что показывает эта таблица, — это то, что показатель «установленная кВА» на терминале почти бессмыслен. Суммирование 12 кранов STS по 1 400 кВА даёт 16 800 кВА подключённой мощности, и наивный проект, применяющий коэффициент 0,8, определил бы подстанцию мощностью 13 МВА только для кранов. Краны никогда не потребляют столько: приводы подъёма, тележки и портала блокируются собственной системой управления крана, а средняя потребляемая мощность работающего крана ULCV составляет 400–800 кВА с кратковременными пиками.
Как составить перечень нагрузок кранов и выбрать мощность подстанции терминала?
Метод имеет три исходных параметра, которые принципиально отличаются от расчёта нагрузки здания: установленная кВА крана, его измеренный или заданный рабочий цикл и производительность причала, которую проектирует терминал. Всё остальное — арифметика.
Шаг 1 — берите установленную кВА на кран из схемы приводов, а не из суммы двигателей
Современный кран STS имеет привод подъёма, тележки, портала (продольного перемещения) и обычно привод подъёма стрелы, а также вспомогательные нагрузки для спредера, освещения, кондиционирования и вентиляции машинного помещения. На двухподъёмном кране ULCV установленная мощность приводов обычно составляет от 1 200 до 1 600 кВА, но важна мощность главного трансформатора или главного выключателя крана, поскольку проектировщик крана уже учёл коэффициенты одновременности внутри крана. Запрашивайте однолинейную схему крана и номинал вводного выключателя; не суммируйте паспортные данные двигателей.
Этот номинал ввода также показывает пусковой ток, который увидит трансформатор. Кран с входным каскадом AFE включается плавно и потребляет немногим больше номинального тока; кран с 6-пульсным диодным входом и большой шиной постоянного тока заряжает батарею конденсаторов через предзарядный резистор, но первое движение холодного подъёма всё равно создаёт скачок тока в 1,5–2,0 раза от номинала. Руководство по пусковым токам охватывает сторону трансформатора; на терминале генератор или вышестоящая защита также должны быть проверены на пусковой скачок крана.
Шаг 2 — примените коэффициент спроса по рабочему циклу и поверх него коэффициент совпадения причалов
Коэффициенты спроса кранов 0,40–0,50 от установленной кВА являются нормой для работающего парка, поскольку кран часть каждого цикла ожидает, и приводы не все работают на полной мощности одновременно. Совпадение причалов выше, чем совпадение станков на заводе: когда судно обрабатывается, работают все краны на этом причале, а когда судно у причала, продуктивен весь причальный фронт. Совпадение между причалами близко к 1,0 во время пиковой нагрузки.
Исключением является нагрузка от рефрижераторных контейнеров, которая ни с чем не антикоррелирована и просто сохраняется. Рефрижераторам неважно, обрабатывается ли судно, и их потребление достигает пика во второй половине дня при высокой температуре окружающей среды, что на транзитном терминале совпадает с пиком производительности кранов, поскольку yard пытается разгрузить накопившиеся работы.
Шаг 3 — построение совмещённого максимума нагрузки с последующим применением критерия N-1
Расчётный пример для терминала мощностью 1,2 млн TEU с шестью причалами, 12 кранами STS, 24 кранами RMG, 1 200 розетками для рефрижераторов, 2 причалами для берегового электропитания и электрифицированным yard:
| Группа нагрузок | Присоединённая мощность | Коэффициент спроса | Потребность, kVA | Обоснование |
|---|---|---|---|---|
| 12 кранов STS | 12 × 1 400 = 16 800 kVA | 0,45 | 7 560 | Продолжительность рабочего цикла и одновременность приводов внутри крана |
| 24 крана RMG | 24 × 450 = 10 800 kVA | 0,40 | 4 320 | Меньшая загрузка, чем у STS; часть агрегатов простаивает |
| 1 200 розеток для рефрижераторов | 1 200 × 8,5 kW ÷ 0,88 = 11 591 kVA | 0,65 | 7 534 | Среднее потребление 8,5 kW при 40 °C, 65% одновременности |
| Освещение терминала, здания, КПП, ИТ | 2 400 kVA | 0,75 | 1 800 | Светодиодные прожекторы на высоких мачтах, HVAC, импульсные источники питания |
| Электрификация yard и зарядка AGV | 3 600 kVA | 0,50 | 1 800 | Зарядка по возможности, с разнесением по времени |
| Береговое электропитание, 2 причала | 2 × 2 500 = 5 000 kVA | 0,35 | 1 750 | Оба причала заняты только в пиковые дни |
| Сумма потребностей групп | 24 764 | |||
| Совмещённый максимум при межгрупповом коэффициенте 0,85 | 21 049 | Краны и рефрижераторы достигают пика одновременно летом | ||
| С 10% проектным запасом | 23 154 | ≈ 23 MVA при коэффициенте мощности 0,95 |
Совмещённая потребность 23 MVA приходится на подстанцию 33/11 kV с двумя трансформаторами по 20 MVA, каждый из которых загружен примерно на 58% в пике, а третий агрегат 20 MVA — или предварительно спроектированная ячейка мобильной подстанции — обеспечивает надёжную мощность по критерию N-1. Только два агрегата дали бы надёжную мощность всего 20 MVA, что ниже проектного пика, а на терминале это означает отключение кранов в самый загруженный день года. Руководство по выбору размера распределительной системы охватывает фидерный уровень того же расчёта.
Почему номинал трансформатора определяется рабочим циклом крана, а не пиковой мощностью в kW?
Трансформатор — это тепловое устройство. Его ресурс расходуется температурой наиболее нагретой точки, которая следует за температурой обмотки с постоянной времени от минут (сухая литая изоляция) до пары часов (масляный с большой массой масла). Поэтому цикл крана продолжительностью 90 секунд выглядит для трансформатора как слегка повышенная установившаяся нагрузка, а не как серия пиков. Именно поэтому корректным входным параметром для расчёта номинала является среднеквадратичный ток за 10-минутное окно, плюс проверка того, что температура наиболее нагретой точки остаётся в допустимых пределах во время пика.
| Параметр рабочего цикла крана | Типичное значение | Влияние на трансформатор |
|---|---|---|
| Время цикла | 90–120 s (от причала к судну и обратно) | Меньше тепловой постоянной времени обмотки, поэтому пики усредняются |
| Средняя потребность за 10 мин | 40–55% установленной мощности kVA | Определяет среднеквадратичную загрузку, которая и является реальной основой выбора размера |
| Пиковая потребность при разгоне подъёма | 130–160% от средней | Определяет проверку просадки напряжения и весовые коэффициенты среднеквадратичного окна |
| Период рекуперации при опускании | 20–35% времени цикла, −30 до −45% номинальной мощности | Двунаправленный поток мощности; энергия возвращается в шину или рассеивается в резисторах |
| Пусков в час | 20–40 пусков подъёма | Повторяющиеся этапы намагничивания и заряда звена постоянного тока; защита должна выдерживать |
| Годовое время работы | 6 000–8 000 h | Потери оплачиваются практически каждый час в году |
Облеките это в цифры. Кран с установленной мощностью 1 400 кВА потребляет 700 кВА в течение 70 с цикла и 1 050 кВА в течение 20 с, а также рекуперирует 450 кВА в течение 20 с. За 110-секундный цикл среднеквадратичное значение составляет около 700 кВА, поэтому трансформатор на 1 000 кВА выглядел бы достаточным по паспортным данным — но пик 1 050 кВА при коэффициенте мощности 0,8 соответствует 1,31 от номинального тока, и обмотка должна оставаться ниже предела температуры в hottest spot в течение всей смены, а не только на пике. Практический вывод: трансформаторы для кранов выбираются с коэффициентом 1,15–1,3 от 10-минутного среднеквадратичного значения, что для данного примера составляет 800–900 кВА трансформатора для крана на 1 400 кВА. Именно это число должно быть указано в паспорте вместе с классом режима работы крана и расчётом среднеквадратичного значения.
Сам класс режима работы следует указывать так же, как классифицируется кран. Краны классифицируются по числу циклов и спектру нагрузок (группы A1–A8 по ISO 4301-1 для крана в целом, M1–M8 по FEM 9.511 для механизмов), и терминальный кран, работающий круглосуточно, относится к высшим группам. Трансформатор, приобретённый для режима M4 и установленный на кран с режимом M8, будет работать с перегревом весь срок службы, и никакое последующее снижение нагрузки не исправит постоянную времени обмотки. Указывайте группу режима работы крана в запросе.
Почему STS-краны вносят больше гармоник, чем обычный завод?
На заводе один мощный привод повторяет одно и то же движение. У крана четыре привода, каждый из которых ускоряется и замедляется независимо, потребляя энергию через выпрямитель, который большую часть времени загружен лишь частично. Поэтому гармонический спектр непрерывно меняется, и при малой нагрузке THD тока наиболее высок — привод, дающий 8% THD при полной нагрузке, может давать 40% при 20% нагрузки, поскольку основная гармоника падает, а коммутационные провалы остаются того же размера.
| Входной каскад | THD тока, типично | Рекуперация | Влияние на трансформатор |
|---|---|---|---|
| 6-пульсный диодный мост с тормозным чоппером | 25–40% | Нет (рассеивается в резисторах) | K-13 или K-20, снижение нагрузки по IEEE C57.110, часто пассивный фильтр |
| 6-пульсный тиристорный (привод постоянного тока, старые краны) | 25–35%, отстающий PF при низкой скорости | Частично (инверсия управляемого выпрямителя) | K-13, гармонический фильтр, увеличенная мощность кВА для реактивной составляющей |
| 12-пульсный (два моста, трансформатор с фазовым сдвигом) | 8–15% | Нет | Две вторичные обмотки, одна «треугольник» и одна «звезда»; трансформатор является частью фильтра |
| Активный выпрямитель (AFE) с IGBT-выпрямителем | 4–8% | Да, четырёхквадрантный режим, PF близок к единице | Достаточно стандартного блока K-4–K-9; проверьте высокочастотные составляющие выше 25-й гармоники |
| AFE плюс активный фильтр | 2–5% | Да | Стандартный блок; фильтр — отдельный актив с собственным режимом отказа |
Случай 12-пульсной схемы стоит понять, поскольку он переносит гармоническую проблему в трансформатор. Два 6-пульсных моста, питаемых от вторичных обмоток «треугольник» и «звезда» с фазовым сдвигом 30° между ними, компенсируют 5-ю и 7-ю гармоники в первичной обмотке. Эта компенсация сохраняется только при равной загрузке обеих вторичных обмоток, чего нет, когда один привод тележки простаивает, поэтому 12-пульсному крану всё равно нужен трансформатор, рассчитанный на остаточный спектр, а не на идеальную компенсацию из учебника. Трёхобмоточный трансформатор, построенный для такого режима, — это другой продукт, отличный от двухобмоточного распределительного блока, и его следует указывать именно так.
Для любого из этих случаев язык спецификации — это K-фактор. K-фактор взвешивает каждую гармонику по квадрату её порядка, поскольку потери на вихревые токи растут с квадратом частоты, и трансформатор K-13 рассчитан на то, чтобы нести спектр с K-фактором 13, не превышая номинальную температуру в hottest spot. Руководство по выбору K-фактора содержит расчёт, а руководство по гармоникам охватывает физику и варианты снижения. Со стороны сети от точки общего присоединения IEEE 519-2014 устанавливает пределы искажения тока; на терминале PCC обычно является вводом 33 кВ, и гармоники крана ослабляются полным сопротивлением трансформатора 33/11 кВ, что является ещё одной причиной не делать uk% этого трансформатора неоправданно высоким.
Почему кран питается от 6,6–11 кВ, а не от 400 В?
Потому что причал длинный. Кран перемещается по всей длине причала, и кабельный барабан несёт 300–600 м кабеля. При низком напряжении сопротивление и реактивное сопротивление этого кабеля доминируют в проектировании; при среднем напряжении они несущественны.
Расчёт падения напряжения — стандартный:
ΔU% = √3 × I × (R cosφ + X sinφ) ÷ Un × 100
Возьмём кран на 1 400 кВА при коэффициенте мощности 0,9, питаемый по кабелю длиной 400 м:
| Распределительное напряжение | Ток крана | Кабельная линия длиной более 400 м | Падение напряжения при полной нагрузке |
|---|---|---|---|
| 400 V | 2 021 A | 4 × 240 мм² Cu на фазу, параллельно | ≈ 9,0% — неприемлемо |
| 690 V | 1 172 A | 3 × 240 мм² Cu на фазу, параллельно | ≈ 5,2% — на пределе, большой расход меди |
| 6,6 kV | 122 A | 1 × 3 × 95 мм² Cu | ≈ 0,27% — пренебрежимо мало |
| 11 kV | 74 A | 1 × 3 × 50 мм² Cu | ≈ 0,21% — пренебрежимо мало |
Девять процентов при 400 V — это не вопрос запаса по проектированию, это отказ: приводы крана будут отключаться по пониженному напряжению при пуске подъёма, и решением является либо кабель настолько большого сечения, что кабельный барабан не сможет его нести, либо распределение на среднем напряжении. Именно поэтому краны STS питаются от 6,6 или 11 kV через моторизованный кабельный барабан или троллейный токопровод на причале, а трансформатор расположен либо на самом кране (наиболее распространённый вариант, 11 kV или 6,6 kV на 0,69 kV или 0,48 kV), либо в причальной подстанции, питающей низковольтную шину. Руководство по регулированию напряжения описывает расчёт более подробно, включая влияние коэффициента мощности на активную и реактивную составляющие.
Выбор между 6,6 и 11 kV обычно определяется стандартом площадки, а не техническими соображениями, но два параметра всё же меняются: при 11 kV кабель и барабан меньше и дешевле для той же мощности, а уровень изоляции трансформатора и BIL возрастают, что немного увеличивает стоимость. Если на терминале также имеется береговое электроснабжение (cold ironing) на 6,6 или 11 kV, согласование напряжения крана с напряжением берегового питания позволяет использовать одно и то же семейство распределительных устройств и запасные части для обоих. Терминалы в сетях 60 Hz сталкиваются с дополнительной проблемой: кран на 60 Hz, приобретённый для одного проекта, может быть переведён на терминал с 50 Hz; руководство по сравнению 50 Hz и 60 Hz объясняет, почему именно отношение V/f, а не паспортная частота, определяет, будет ли это работать.
Как рекуперативное торможение влияет на трансформатор и на счёт за электроэнергию?
Каждое движение опускания возвращает энергию. Подъёмный механизм, опускающий груз со спредером массой 40 тонн, рекуперирует 30–45% энергии, затраченной на его подъём, а тормозящий портал рекуперирует свою кинетическую энергию. На кране с диодным выпрямителем на входе эта энергия рассеивается в тормозном резисторе и выделяется в виде тепла в машинном помещении; на кране с AFE она возвращается в шину 11 kV, где может быть поглощена другим краном, выполняющим подъём, рефрижераторными контейнерами или передана в сеть электроснабжения.
Три последствия для трансформатора. Во-первых, трансформатор должен быть способен пропускать обратную мощность, что является вопросом релейной защиты и учёта, а не тепловым, но часто упускается из виду при модернизации крана с диодным выпрямителем приводами AFE. Во-вторых, гармонический спектр при рекуперации не совпадает с таковым при двигательном режиме, поэтому фильтр, настроенный на двигательный режим, может не охватывать режим рекуперации. В-третьих, рекуперированная энергия должна куда-то деваться: если на терминале нет другой нагрузки, трансформатор 33/11 kV передаёт её обратно в сеть, а некоторые энергоснабжающие организации взимают плату за реактивный экспорт или требуют реле обратной мощности. Там, где рекуперированная энергия велика, а подключение к сети слабое, терминалы устанавливают маховичный или аккумуляторный накопитель на шине 11 kV, что является отдельным активом, но изменяет среднеквадратичную нагрузку трансформатора и должно учитываться в исследовании нагрузок.
Должны ли крановые трансформаторы быть сухими или масляными?
Ответ зависит от места установки, а не от предпочтений. На борту крана трансформатор находится в машинном помещении над причалом, часто с ограниченной вентиляцией, и представляет собой пожарный риск, который портовая администрация не примет в масляном исполнении. В причальной подстанции или главной подстанции 33/11 kV масляные агрегаты дешевле в расчёте на kVA, лучше переносят прибрежные условия и имеют большую тепловую постоянную времени, что соответствует циклическому характеру нагрузки.
| Расположение | Типовой выбор | Обоснование |
|---|---|---|
| На борту STS-крана (11/0,69 кВ, 1 000–1 600 кВА) | Сухой трансформатор с литой изоляцией, IP55, класс F или H | Отсутствие масла над причалом; риск возгорания и разлива недопустим; принудительное воздушное охлаждение для пиковых нагрузок |
| На борту RMG / e-RTG (6,6/0,4 кВ) | Сухой трансформатор с литой изоляцией, IP55 | Тот же аргумент о пожаробезопасности в меньшем масштабе; вибрация и наклон при передвижении |
| Причальная подстанция (11/0,4 кВ, 1 000–2 500 кВА) | Любой тип; сухой с литой изоляцией на закрытых площадках, масляный при наличии открытого пространства | Масляный на 20–30% дешевле и имеет лучший запас по перегрузке; сухой исключает необходимость маслоприёмника |
| Главная подстанция 33/11 кВ (20–40 МВА) | Масляный, ONAN/ONAF, с РПН | Стоимость, КПД, диапазон регулирования под напряжение сети; стандартная практика электросетевых компаний |
| Подстанция рефрижераторов (11/0,4 кВ) | Масляный или сухой с литой изоляцией | Стабильная нагрузка, низкий уровень гармоник; капитализация потерь в пользу энергоэффективного агрегата |
В бортовом варианте есть деталь, которая удивляет покупателей: производитель крана часто включает трансформатор в комплект крана, и собственная спецификация терминала до него не доходит. Если порт хочет определённый класс изоляции, определённую степень защиты IP или K-фактор, это должно быть прописано в заказе на кран, а не в заказе на трансформатор, который поступит позже. Руководство по выбору между масляными и сухими трансформаторами описывает общую логику выбора, а руководство по методам охлаждения объясняет, почему сухой трансформатор с литой изоляцией AN/AF может быть рассчитан на 1,25–1,5 от номинала AN для короткого пика крана, что часто является самым дешёвым кВА, который может купить терминал.
Какая степень защиты IP и класс коррозионной стойкости нужны прибрежному терминалу?
Контейнерный терминал — одна из самых суровых электрических сред в обычной промышленной эксплуатации: воздух с высоким содержанием соли, относительная влажность 80–95%, конденсация каждую ночь, когда сталь охлаждается ниже точки росы, песок, переносимый ветром, и температура окружающей среды 40–45 °C в тропиках с дополнительным солнечным нагревом. IP54 — минимум для любого корпуса трансформатора на терминале, а IP55 является нормой на кране из-за мойки и косого дождя. Степень защиты IP защищает от воды и пыли; она ничего не говорит о коррозии, которая является отдельной спецификацией.
Спецификация по коррозии должна соответствовать категории ISO 12944-2 C5-M (очень высокая коррозионная активность, морская среда) для всего, что находится в пределах нескольких километров от воды, с системой покрытия общей толщиной сухой плёнки не менее 240 µm в виде цинконаполненного грунта, эпоксидного промежуточного слоя и полиуретанового верхнего покрытия. Практические детали, которые первыми выходят из строя на реальных терминалах: оцинкованные крепёжные элементы (используйте нержавеющую сталь 316), неокрашенные сварные швы бака, кабельные лотки из мягкой стали, стандартные воздухоосушители, засасывающие соляной туман, и резиновые прокладки, твердеющие под воздействием УФ-излучения. Для масляных агрегатов герметичная конструкция или расширитель с мембранным мешком полностью исключают дыхание влажным прибрежным воздухом.
Температура окружающей среды — вторая половина той же проблемы. Трансформатор, рассчитанный на 40 °C окружающей среды, теряет примерно 8–10% мощности при 45 °C, а сухой трансформатор с литой изоляцией в стальном корпусе на солнце может подвергаться воздействию внутреннего воздуха 50 °C. Снижение номинала должно применяться к среднеквадратичному значению нагрузки крана, а не обнаруживаться позже, и вентиляция корпуса должна проектироваться под фактический отвод тепла, а не под паспортные потери трансформатора при 20 °C.
Как обеспечить работу кранов при отказе трансформатора?
Доступность терминала измеряется в перемещениях в час, и простой трансформатора, останавливающий два крана на неделю, стоит дороже самого трансформатора. Проектное решение — секционированная шина среднего напряжения с пропускной способностью N-1 плюс стратегия резервирования, согласованная до заказа первого агрегата.
Распространённая схема — двойная система шин или одиночная система шин с нормально разомкнутой секцией на уровне 11 кВ, каждая половина питается от собственного трансформатора 33/11 кВ, и каждый причальный кран питается от секции шин через кабельный барабан. При выходе из строя одного трансформатора секционный выключатель замыкается, и оставшийся трансформатор обслуживает весь причал при сокращённом количестве кранов, что является потерей производительности, а не остановкой. Там, где терминал не может допустить даже этого, третий трансформатор находится под напряжением и в горячем резерве, что стоит потерь холостого хода каждый час в году, но исключает время переключения.
Защита должна соответствовать топологии. Фидеры кранов испытывают повторяющийся пусковой ток, рекуперацию, а также кабельный барабан, который является движущимся механическим компонентом с ограниченным ресурсом, — защита от замыкания на землю на кране с кабельным барабаном должна быть достаточно чувствительной, чтобы обнаружить повреждение на дальнем конце 600 м кабеля, но при этом не срабатывать от нормальной ёмкости этого кабеля. Дифференциальная защита трансформатора для агрегата мощностью 20 MVA является стандартом; на бортовом крановом трансформаторе мощностью 1 600 kVA она обычно заменяется защитой от замыкания на землю в ограниченной зоне и предохранителем или выключателем на стороне среднего напряжения, поскольку собственная защита крана согласована с защитой порта. Руководство по устройствам защиты охватывает состав устройств, а руководство по расчёту токов короткого замыкания даёт метод определения уровня токов КЗ, от которого зависят уставки.
Как полное сопротивление влияет на уровень тока КЗ и просадку напряжения крана?
Два требования тянут в противоположные стороны. Низкое uk% сохраняет просадку напряжения при пуске подъёмного механизма небольшой и помогает крану оставаться в работе; высокое uk% ограничивает уровень тока КЗ на шине 0,4 kV или 0,69 kV, чтобы выключатели и шины крана могли быть стандартными изделиями. На терминале просадка обычно является определяющим ограничением, поскольку каждый пуск крана виден на одной и той же шине.
| Трансформатор | Типичное uk% | Влияние |
|---|---|---|
| 33/11 kV, 20 MVA | 10–12% | Ограничивает уровень тока КЗ 11 kV; также изолирует гармоники крана от PCC 33 kV |
| 11/0,69 kV бортовой крановый, 1 600 kVA | 5–6% | Компромисс между просадкой и уровнем тока КЗ на низком напряжении; проверить устойчивость приводов крана |
| 11/0,4 kV причальная подстанция, 1 600 kVA | 5–6% | Стандарт; уровень тока КЗ на низком напряжении около 30–40 kA на шине |
| 11/0,4 kV рефрижераторная подстанция, 2 000 kVA | 6% | Установившаяся нагрузка, требование к просадке отсутствует; более высокое uk% снижает стоимость НН-распределительного устройства |
Расчёт просадки такой же, как расчёт падения напряжения при пусковом токе. Трансформатор мощностью 1 600 kVA с uk 5,5%, питающий кран, который скачком увеличивает ток до 2,5-кратного номинального на одну секунду, вызовет просадку шины примерно на 5,5% × 2,5 ≈ 13,75%, если бы источник выше по схеме был бесконечной мощности, и на большую величину после добавления полного сопротивления трансформатора 33/11 kV и питающей сети. Большинство крановых приводов выдерживают просадку 15–20% в течение секунды; некоторые приводы AFE отключаются при снижении на 10% ниже номинала более чем на несколько периодов. Именно этот допуск является расчётным параметром, и его следует получить от поставщика крана в письменном виде, а не принимать на основе предположений.
Что должно быть в запросе и в паспортных данных?
Два предложения на терминальные трансформаторы сопоставимы только в том случае, если оба отвечают на одни и те же вопросы. Приведённый ниже перечень достаточно краток, чтобы отправить его вместе с запросом предложения, и достаточно конкретен, чтобы поставщик не мог ответить на него стандартным каталожным листом.
| Поле | Что указать |
|---|---|
| Номинальная мощность и режим работы | kVA при заданной температуре окружающей среды, а также циклический режим (среднеквадратичная мощность в kVA, пиковая мощность в kVA, время цикла, число пусков в час) и группу режима работы крана (ISO 4301-1 / FEM 9.511) |
| Напряжения и группа соединений | Высокое и низкое напряжение, диапазон регулирования и тип переключателя ответвлений, группа соединений (Dyn11 — стандарт; для 12-пульсного крана требуются две вторичные обмотки, например Dyn11d0) |
| Полное сопротивление | uk% при номинальном токе с допуском и результирующий уровень тока КЗ на низком напряжении |
| Гармоническая нагрузка | K-фактор или измеренный спектр, коэффициент снижения нагрузки по IEEE C57.110 и входит ли фильтр в комплект поставки |
| Охлаждение и превышение температуры | AN/ANAF/AF, класс превышения температуры, расчётная температура окружающей среды (40 °C, 45 °C или 50 °C), предел температуры наиболее нагретой точки |
| Оболочка | Степень защиты IP, внутренняя/наружная установка, схема вентиляции, ввод кабелей, точки подъёма и домкратные точки для машинного помещения крана |
| Коррозия | Категория по ISO 12944-2, система окраски и толщина сухой плёнки, материал крепежа, материал бака и отделка |
| Потери | Потери холостого хода и потери нагрузки в kW, гарантируемые с допуском, и ставка капитализации, используемая при оценке |
| Испытания и документация | Приёмо-сдаточные испытания по IEC 60076-1, протоколы типовых испытаний, испытание на превышение температуры, уровень шума по IEC 60076-10 и порядок приёмочного контроля перед отгрузкой |
| Стандарты | Серия IEC 60076 плюс любые местные отклонения (GB/T 6451 в Китае, IEEE C57.12.00 в Северной Америке, сертификация UL, если терминал находится в юрисдикции UL) |
Два поля, которые чаще всего отсутствуют в реальных запросах, — это класс нагрузки и гармонический спектр, и именно они больше всего влияют на цену. Поставщику, которому не сообщили о крановом режиме работы, придётся предложить стандартный распределительный трансформатор со стандартными потерями, и терминал обнаружит разницу на третье лето. Отправьте график приводов крана, однолинейную схему, количество розеток для рефрижераторных контейнеров и расчётную температуру окружающей среды вместе и запросите в предложении значения потерь и расчёт снижения номинальных параметров. Контрольный список предотгрузочной инспекции охватывает то, что нужно проверить перед отправкой агрегата, что на терминале важно, поскольку кран не может быть введён в эксплуатацию без него.
Как выбор трансформатора влияет на двадцатилетнюю стоимость?
Терминал работает 6 000–8 000 часов в год, и потери оплачиваются по промышленным тарифам, которые часто превышают 0,10 долл. США/кВт·ч. Возьмём крановый трансформатор мощностью 1 600 кВА с потерями холостого хода 2,4 кВт и потерями короткого замыкания 16 кВт при полной нагрузке, со средним уровнем загрузки 45% за 7 000 часов:
Потери = 2,4 + 16 × 0,45² = 2,4 + 3,24 = 5,64 кВт, что за 7 000 часов составляет 39 480 кВт·ч в год. При 0,10 долл. США/кВт·ч это 3 948 долл. США в год, а приведённая стоимость за двадцать лет при 6% составляет около 45 300 долл. США. На 12 кранах STS счёт за потери превышает полмиллиона долларов приведённой стоимости, что обычно в несколько раз превышает разницу в цене между стандартной и энергоэффективной конструкцией.
Этот расчёт говорит в пользу двух вещей: указывайте потери и капитализируйте их при оценке, и не завышайте мощность. Крановый трансформатор, работающий при средней нагрузке 25%, платит почти те же потери холостого хода, что и при 50%, но обеспечивает вдвое меньше перемещений, и проектировщики терминалов, добавляющие 30% «будущей мощности» к каждому крановому трансформатору, в итоге платят за это два десятилетия. Руководство по совокупной стоимости владения даёт метод капитализации, а сравнение стандартов энергоэффективности даёт нормативные минимумы, действующие в ЕС, США и Китае — на терминале эти минимумы являются нижней границей, а не целью.
Если вы готовите запрос для терминала, причальной подстанции или кранового комплекта, самый быстрый путь к сопоставимому предложению — отправить перечень кранового парка с установленной мощностью в кВА и классом нагрузки, количество розеток для рефрижераторных контейнеров и расчётную температуру окружающей среды, однолинейную схему с предлагаемыми напряжениями, а также исследование гармоник или график приводов. Наша инженерная команда может за один проход превратить это в спецификацию трансформатора с подбором мощности, включая циклическую нагрузку, снижение номинала по K-фактору, проверку падения напряжения и ориентировочный бюджет. Вы также можете начать с калькуляторов энергосистем, чтобы проверить уровень тока короткого замыкания, провал напряжения и капитализацию потерь, прежде чем обращаться к любому поставщику.
Sources / 资料来源
Источник: IEC 60076-1 — Силовые трансформаторы, общие требования.
Источник: IEC 60076-2 — Превышение температуры для трансформаторов с жидкостным охлаждением.
Источник: IEC 60076-3 — Уровни изоляции, диэлектрические испытания и внешние воздушные зазоры.
Источник: IEC 60076-5 — Стойкость к короткому замыканию.
Источник: IEC 60076-7 — Руководство по нагрузке масляных силовых трансформаторов, включая циклическую нагрузку и ограничения температуры в точке перегрева.
Источник: IEC 60076-10 — Определение уровней звука.
Источник: IEC 60076-11 — Сухие силовые трансформаторы, включая классы климатического, экологического и пожарного поведения.
Источник: IEC 60137 — Изолированные вводы для переменного напряжения выше 1 000 В.
Источник: IEC 60214 — Переключатели ответвлений.
Источник: IEC 60034-1 — Вращающиеся электрические машины, номинальные параметры и характеристики, режимы работы S1–S10.
Источник: IEC 61439-1 и IEC 61439-2 — Низковольтные комплектные устройства распределения и управления.
Источник: IEC 61936-1 — Электроустановки переменного тока напряжением свыше 1 кВ, общие правила.
Источник: IEC 60529 — Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (код IP).
Источник: ISO 4301-1 — Краны, классификация, общие положения (группы режимов работы кранов A1–A8).
Источник: FEM 9.511 — Правила проектирования серийного грузоподъёмного оборудования, классификация механизмов.
Источник: IEEE C57.110-2018 — Определение допустимой нагрузки трансформатора при питании несинусоидальными токами нагрузки.
Источник: IEEE 519-2014 — Контроль гармоник в электроэнергетических системах.
Источник: IEEE C57.12.00 — Общие требования к распределительным, силовым и регулировочным трансформаторам с жидкостным охлаждением.
Источник: IEEE C57.91 — Руководство по нагрузке трансформаторов с минеральным маслом и ступенчатых регуляторов напряжения.
Источник: GB/T 6451-2015 — Технические параметры и требования к трёхфазным масляным силовым трансформаторам.
Источник: GB 20052-2020 — Минимально допустимые значения энергоэффективности и классы энергоэффективности силовых трансформаторов.
Источник: Регламент Комиссии (ЕС) № 548/2014 — Требования экодизайна к малым, средним и крупным силовым трансформаторам.
Источник: Министерство энергетики США, 10 CFR Part 431 Subpart K — Стандарты энергосбережения для распределительных трансформаторов.
Источник: ISO 12944-2 — Категории коррозионной активности для стальных конструкций, категория C5-M для прибрежной атмосферы.
Источник: NFPA 70 (Национальный электротехнический кодекс) Статья 450 — Трансформаторы и трансформаторные помещения.
Источник: Инженерный опыт QDTB — перечни нагрузок кранов контейнерных терминалов, расчёт по среднеквадратичному значению рабочего цикла кранов STS, коэффициенты спроса рефрижераторных розеток, проверки падения напряжения на причале и снижение номинальной мощности из-за гармоник для крановых приводов. Значения, отмеченные как отраслевой опыт, представляют собой типичные диапазоны из портовых проектов и проектов тяжёлого подъёма, а не опубликованные стандарты.