自动化码头供电系统设计

孔德鹏，武冰洁

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

随着社会经济的发展和科技的进步，集装箱码头开始向节能、环保、安全、快捷与低成本方向发展。近年来，在世界多个国家的重要港口新建了多座自动化集装箱码头。自动化集装箱码头与传统集装箱码头存在很多不同，主要体现在码头至堆场间的水平运输环节、堆场作业环节以及车辆进出闸口环节等。

自动化码头主要通过自动导向小车AGV 将集装箱从集装箱装卸桥运至自动化轨道吊 ARMG，再通过自动化轨道吊ARMG 传感器完成行走和定位，并将集装箱运送至后方堆场。在进行集装箱装卸过程中，自动导向小车AGV 还需完成充电过程。全部生产环节过程需要各控制系统相互配合才可以实现集装箱高效的转运和存储[1]。

由于自动化本身特殊的工艺要求，自动化码头与传统码头相比呈现出供电点多，供电连续性要求高的特点。并且为了保障供电可靠性、码头运行效率以及维护人员便捷性等方面，自动化码头的供电系统设计显得尤为重要。因此，本文结合北方某自动化码头项目，提出供电系统设计方案，并将其运用到工程设计与生产中。

1 供电负荷种类

码头为4 个10 万t 级集装箱泊位，后方有39条集装箱堆场。为满足供电需要，在各泊位后方辅建区内，共设置4 个10 kV 变电所。总平面布置图如图1 所示。

图1 自动化码头总平面布置示意图

表1 自动化码头负荷种类

与传统集装箱码头不同，自动导向小车供电装置是自动化项目新增供电设备，船舶岸电设备也是近年全国开始推广的船舶节能设备。本文将对以上两点进行重点分析与总结。

1.1 海侧交换区

本工程共布置了39 个堆场，每个堆场在海侧均设置了海侧交换区，海侧交换区主要用于将集装箱从自动导向小车上转运至轨道吊。每个海侧交换区由两部分组成：四个自动导向小车充电位和转运平台，并在每个充电区内各设置一条滑触线用于自动导向小车充电。海侧交换区布置如图2 所示。

图2 海侧交换区平面图

自动导向小车充电流程是：在自动导向小车驶入充电位过程中，当自动导向小车充电刷与滑触线接触后便开始充电，同时将集装箱运至平台等待轨道吊吊运。待轨道吊运走集装箱后，自动导向小车驶离海侧交换区，电刷与滑触线分离，完成一侧充电过程。整个充电过程大约两分钟。

1.2 船舶岸电系统

当今世界主要港口码头已开始广泛使用岸电系统。以往船舶靠港停泊后，燃油发电机继续运转，通过燃油发电的方式为船舶负荷供电。燃油在燃烧过程中产生大量有害气体，对港口城市造成了巨大的环境污染。目前国际上许多港口管理部门要求船舶靠港期间必须使用岸电系统。主要目的是降低硫化物、氮氧化合物以及噪声等污染，同时岸上用电成本低于燃油发电成本，可降低船舶的运行费用。

目前，船舶供电系统主要有三相交流 400 V/ 50 Hz、440 V/60 Hz 和 6.6 k V/60 Hz 三种电压等级。国际上主要大型港口供电系统如表 2 所示[3]。

表2 国际大型港口船舶供电系统

我国的船舶电压一般采用的是 440 V/50 Hz 或者380 V/50 Hz，而国际上的船舶用电频率以 60 Hz 居多，电压为 440 V 或者6.6 kV 等。

2 供电方案

2.1 AGV 充电系统

本工程采用的AGV 单台设备功率为250 kW，充电电压为380 V/50 Hz。充电电流最大值为400 A，功率因数约0.95。充电时采用滑触线供电。

每个海侧交换区设置4 个充电位，根据计算机模拟结果，4 个充电位需满足3 台AGV 最大电流同时充电。相邻4 个交换区，16 个充电位，AGV 同时充电率为50 %。

根据公式

口腔正畸技术现已不断改善，但仍可发生牙痛、牙周病、咀嚼功能障碍等情况[1]。牙周膜内血管、神经丰富，口腔正畸导致牙周膜内形成缺血区，引起无菌性坏死，导致炎症及疼痛，从而降低患者的治疗接受程度，影响疗效[2]。口腔正畸作为一种有创治疗方式，可能引起一定程度的应激反应，可加以抗菌药物治疗[3]。酚咖片有良好的镇痛效果，甲硝唑通过抑制细菌脱氧核糖核酸合成，影响细菌的生长及繁殖，导致细菌凋亡[4-5]。本研究旨在分析酚咖片联合甲硝唑治疗口腔正畸牙痛的临床效果。现报道如下。

可知，4 个交换区的充电功率为2 000 kW，充电总电流为3 200 A。根据以上计算，AGV 充电方案为每4 个交换区设置1 座箱式变电站。20 个海侧交换区共设置5 座箱式变电站。根据目前掌握的数据，AGV 在电池电量为35 %的工况下，实测充电8 分钟，AGV 电池可充电至80 %以上，充电2 分钟，可充电至50 %以上。可满足AGV 一次作业的用电需求。

AGV 供电接地系统采用了IT 接地系统，充电箱变中性点不接地工作制，每一段滑触线均需单独设置接地极，且接地电阻不大于4 欧姆。但是在充电中，通过示波器也发现，存在有较多谐波。这会对电池和IGBT 长期使用造成影响。所以在设计AGV 充电箱变站内配电柜布局时，需预留滤波器设备位置。

2.2 船舶岸电系统

1）岸电方案

结合此自动化码头国际定位以及实际停靠船舶情况。确定本项目船舶的电网频率为60 Hz，配电电压为6.6 kV，项目初期设置一套岸电系统，负责两个泊位的船舶用电。岸电系统输入电压为 10 kV/50 Hz，输出电压为6.6 kV/60 Hz 或 6 kV/ 50 Hz，岸电系统容量为5 MVA。岸电系统单线图如图3 所示[2]。

图3 岸电系统单线图

2）岸电设备选择

岸电系统各设备放置于变电所，输入电源为 10 kV（50 Hz），经过降压、逆变、滤波等环节后，输出岸电电源三相6.6 kV（60 Hz）或6 kV（50 Hz）。

其中10 kV 侧进线和6.6 kV 侧进线和馈线采用真空断路器，断路器采用电动操作；并且为确保人员和设备安全，在10 kV 和6.6 kV 开关柜内设置微机综保装置，具有过压、过流、速断、过载、缺相等保护功能。主要设备及要求如下[4]：

10 kV 开关设备共配置3 台，6.6 kV 开关设备共配置5 台，均采用手车式开关柜，并且设置过电流和速断保护，柜体可采用KYN28 型柜体，也可采用各品牌开关柜。

输出变压器用于将船-岸两侧电网进行隔离。采用接线方式为Dy11 的隔离变压器，并配置温度保护。隔离变压器在选型时需选择在60 Hz 和50 Hz两种模式下均可运行的产品。

为满足应急需要，在岸电系统控制柜上还设置有应急停止按钮，可迅速断开系统配电柜断路器。若发生带电拔出岸电连接插头的情况时，等电位连接将断开；电缆的机械应力较高或者剩余的电缆长度较低时可自动触发断路器动作，并发出报警。

为满足不同船舶左舷或右舷停靠要求，在船舶预计停靠位置设置岸电插座箱。岸电插座箱外壳由不锈钢材料制成并进行表面喷塑，并根据使用环境将箱体设计成户外使用工况，防护等级为IP66,能够适应码头潮湿恶劣的工作环境。

插座箱上安装有标准的岸电供电插座，插座额定电压为7.2 kV。可与船舶侧的岸电电缆管理系统的岸电插头进行匹配连接；插座带有把手结构，可以轻松的完成与插头的连接与脱开。同时岸电插座箱上安装有4 芯光纤连接盒，可提供与船舶的光纤连接，建立岸船之间的通讯。此外在箱外还设有急停按钮，如岸侧工作人员发现异常情况，可在岸电系统供电工作时，通过手动操作急停按钮停止岸电系统供电。

岸电插座箱配置有带电指示灯，在插座箱通电时指示灯能够给予操作人员指示，从提高操作的安全性以及便利性。并且箱内布置有加热器，可保持插座箱内的温湿度处于较稳定的状态。

3）节能减排效果

岸电系统节能减排效果明显，以目前集装箱船舶所用柴油机瓦锡兰四冲程为例，燃油耗率约为240～350 g/kWh。根据目前市场报价，如果船舶发电机全部采用海运低硫油，油费按照7.0 元/L 计算，电费按照1 元/kWh 计算，船舶燃油耗率约为 300 g/kWh 计算。1 kWh 船舶能耗费用可减少0.3x7/0.858-1=1.4 元。如果船舶功率为2 000 kW，则一小时船舶可较少费用为2 800 元。由此可见岸电对于减少能耗费用有明显的效果，并且由于岸电并没有在码头造成大气污染，对于港口空气质量的提高也起到了一定作用[6]。

3 结语

智能自动化集装箱码头是大型集装箱码头的发展趋势。由于集装箱码头具有设备多、位置分散、功率高等特点，所以在进行供电系统设计时需要进行认真分析，合理布局。在规划设计变电所位置以及电缆路由时，要充分考虑集装箱自动化码头“无人化”的运行要求，避免出现由于人员正常巡检影响生产运行的情况。

并且由于自动化码头的控制设备多、对电能质量要求也较高。设计初始阶段，在变电所和箱变等位置需预留谐波治理等设备的位置，方便在运行后，增设相关设备。