起重运输机械的供电方式和设计.doc

起重运输机械的供电方式和设计起重运输机械的种类很多，它包括桥式起重机、门式起重机、港口起重机，专用起重机、单梁起重机、电动葫芦、堆料取料机以及各种在地面轨道上行驶的各种电动车辆等等。对这些起重运输机械的供电方式，一般都是采用滑触线或软电缆的供电形式。一、 滑触线供电方式 滑触线是各种桥式起重机，门式起重机等使用最为普遍的一种供电方式，常用的滑触线型式有下列几种。1 角钢滑触线，这是我国过去几十年来广泛使用的一种滑触线型式，其优点是能节省有色金属消耗量和结构坚固耐磨，其缺点是电能损耗大，施工困难，运行时因接触不良会有火花产生，尤其是对一些大吨位起重机，其负荷电流很大，采用角钢滑触线因受线路阻抗大的限制，往往要加很大截面的铝辅助线，但铝辅助线载面增大到某一截面时（如806mm2的扁铝），因三根滑触线之间的相间距离不能减少，如继续增大铝辅助线的载面，其阻抗值减小甚微。因此对大吨位起重机的滑触线不得不采用多点分段供电或采用三芯电缆作辅助线来满足起动时对电压降的要求，这样的供电方式不但增加了电缆线路的消耗量，还在滑触线路上增加许多连接点，使故障的可能性增加，随着引进技术的增多，各种新型滑触线在宝钢一、二期工程中被普遍采用。2 刚性滑触线：这是一种以铜作为导电材料，钢材作为加强材料，敷设在在绝缘子上的滑触线。一般是根据载流量的大小将铜材嵌装在轻轨上或将沟型铜线用钢制夹板夹紧，然后在固定在绝缘子上。刚性滑触线的载流量和导电体的载面积都比较大，其导电体的载面积一般为70540mm2额定电流为3001850A，最高温度为95C，具有很好的耐触性能，在恶劣的条件下使用时其性能也不会降低，能保证有较长的寿命，且具有很高的机器强度，不会变形和弯曲，也不易出现断线等现象。这种滑触线是安装在瓷瓶上的，所以安装和维护都比较简单。刚性滑触线的用途最广，可广泛用作各种不同吨位起重机的滑触线，尤其是对一些大容量起重机和高温多尘场所更为适用，其电压也可提高到3KV，如宝钢炼钢场内的440吨起重机就是采用电压为3KV的刚性滑触线。对380V电压的起重机，如果负荷电流很大，采用刚性滑触线的线路电压降超过允许值时，只在刚性滑触线上添加二根不同相序的辅助线后，其阻抗值即可成倍地降低，使线路电压降减小到允许值之内。 下面是宝钢工程中一台150/70吨桥式起重机的线路电压降计算数据；供电电压为380V，计算负荷电流为I=1140A，要求起重机在正常工作时的总电压降不超过5%。 电源线路：线路长度：L1=190m 电源电缆规格：SHVV-600，4（3250）mm2 电源电缆载流量：4310A=1240A 电源电缆阻抗（在cos=0.8时）：Z1=0.1210/4=0.0302/km 电源线路电压降U1=IL1Z1=11400.190.0302 =11.33V滑触线路：滑触线规格：240mm2刚性滑触线 辅助线规格：SHVV-600，2150 mm2 额定载流量：1350A 滑触线计算长度：L2=60m 滑触线合成阻抗（在cos=0.8时）：Z2=0.0566/km 滑触线路电压降U2=IL2Z2=11400.060.0566 =6.7V 总的线路上电压降百分值： u= 小于电压降允许值5% 刚性滑触线的安装方式有上部滑触和侧面滑触两种形式，侧面滑触方式可以缩小三根滑触线之间的距离，可使线路阻抗降低，宝钢工程中多数采用这种形式。刚性滑触经的另一种安装形式为上部滑触方式，起重机上的集电刷在滑触线上部滑动时接触比较良好，这对旧有的角钢滑触线更换为刚性滑触线时，可以利用旧有的滑触线支架，更换比较容易。刚性滑触线也可以安装在起重机的上部屋架上，集电刷在下部采用下面滑触的方式，总之刚性滑触线的安装方式比较灵活，可根据要求，采用不同的安装方式，如港口起重机所用的滑触线就是将刚性滑触线安装在地沟内使用。刚性滑触线的载流量可从300a到1850a，如还要求有更大载流量的滑触线时，目前国内已能生产3000a的滑触线。刚性滑触线的优点是动态稳定性好，因为它是同角钢滑触线一样直接固定在瓷瓶上的，只要选择足够强度的截面积和支持点间的距离（一般为3m距离一个支持点），在最大三相短路电流的冲击下均能满足动稳定的要求，这是刚性滑触线最大优点。刚性滑触线的支持点距离一般均为3m，这和过去常用的角钢滑触线支持点距离相同。对于支持点距离，日本标准为不超过3m，德国标准为不超过2.5m，这是根据滑触线的结构强度来确定的。刚性滑触线也同角钢滑触线一样必需装设温度补偿装置，即每隔一定长度在两段滑触线之间用软铜线连接。温度补偿装置德国为每隔3542m安装一个（滑触线每段标准供货长度为7m），日本在设计中按1824m安装一个温度补偿装置（滑触线每段标准供货长度为6m）。刚性滑触线的相间距离按滑触线的安装方式确定。我国过去的滑触线标准安装图集中均为上部滑触方式，相间距离为350mm。日本在宝钢工程中对380V电压的滑触线相间距离为400m，对于3KV电压的滑触线相间距离为450mm。德国引进的滑触线为侧面滑触，相间距离为200mm。 刚性滑触线在宝钢工程中使用很广，如炼钢，连铸，初轧以及无缝钢管等主要生产车间的滑触线均采用刚性滑触线。 3 安全式滑触线，这种滑触线是将异形铜材或铝材作为导电体，安装在PVC塑料制成的护罩内，起重机上的集电器从下方伸入护罩内同导电体滑触，没有导电体裸露在外，所以称安全式滑触线。集电器采用万向型挠性结构，滑触线与厂房结构也不是刚性连接，因此集电器上的电刷可以同滑触面保持良好的接触，此外，导电体外部有绝缘护罩保护，滑触面不会积灰，可以确保接触良好。安全式滑触线不论在户内还是户外，均可使用，还可制成弯曲段供电动葫芦等在弯道上运行。安全式滑触线的另一优点是滑触线路上的电压降小，从而可以节省运行时的电能损耗，这是因为这种滑触线的相间距离很小，最小的相间距离仅18mm，最大也不超过150mm，所以其线路阻抗也就能降低，从而使电压降降低。 安全式滑触线的型式很多，大体上可分为分相式和集合式两类，简单介绍于下： a. 分相式安全滑触线，这是将每相滑触线分别安装在单独的保护罩内，各相之间互相分开，如要加装接地用滑触线时，只要加装一条相同的滑触线即可。在宝钢二期工程中的热连轧厂和冷轧厂所有的桥式起重机用滑触线均是安装这种滑触线，其额定负荷电流最大可达2000A。现在国内已有多家滑触线专业制造厂能生产这种滑触线，其额定电流值，为200A2000A，可供选用。国内生产的安全滑触线其导电材料为“H”型铝材，并在下方镶嵌一条“”形不锈钢带，集电器直接与表面光滑的不锈钢带接触，所以耐磨性以能良好。 安全滑触线一般都由制造厂配套提供各种专用附件，安装时可直接将滑触线悬吊在同厂房相连的结构上，所占空间位置小，安装调整十分方便。 分相式安全滑触线的相间距离一般为80mm，当额定电流超过1000A时，其相间距离为150mm。 分相式安全滑触线的支持点距离需根据滑触线的截面积或额定电流值来确定，一般为1.02.0m，当采用额定电流超过1000A的滑触线时，其支持点距离可扩大到2.5m。因为安全式滑触线的优点很多，所以国内各滑触线制造厂纷纷建立，在吸收国外产品技术的基础上征税各种规格的安全式滑触线，供各设计单位选用，但有的制造厂样本中提供的数据难以满足设计人员校验线路电压降和动稳定性能的计算要求。当然，对一般小吨位起重机的滑触线路来说，负荷电流很小，可以不进行校验，但是，对大吨位起重机，如炼钢厂的起重机是主要的生产设备，一般均在50吨以上，且负荷率很高，对这样的滑触线路来说，如果滑触线的供电点距电源很近或直接从动力变压器二次侧通过低压配电屏上的开关直接供电，则供电线路上的阻抗很小，就必须校验在发生三相短路时滑触线的动稳定性，能否耐受低压系统中三相短路电流的冲击，确保滑触线不致损坏。如果滑触线的供电点距电源很远，则供电线路上的阻抗较大，就必须校验起重机在工作时线路上的电压降是否在允许值的范围以内，所以这就要求滑触线制造厂提供正确的交流阻抗值（/km），或导电材料的载面积和外形尺寸供设计人员进行计算。在校验动稳定性能时，制造厂应提供滑触线的弯曲应力和抗弯矩数据，然后设计人员根据相间距离和支持点间距离来进行三相短路冲击电流验算，是否大于短路点处的系统短路电流。所以校验动稳定性能决不是象有的国内制造厂样本中提供的以滑触线额定电流50倍那样的数据来验算。下表为参考国外有关资料，考虑在各种不同的截面，相间距离和支持点距离时计算的三相短路电流参考值。分相式安全滑触线耐受三相短路电流参考表名 称相当于铜导体截面(mm2)额定电流（a）相间距离（mm）支持点距离（mm）三相短路电流(ka)分相式安全滑触线25507520015050090200200530330100045901301000150020004.525.646.0812.412.1524.3 b、集合式安全滑触线，这是一种将多根导电体集合安装在一个金属或塑料的罩壳内的滑触线。导电体安装在罩壳的两侧或顶部，根数可根据需要而定，一般安装37根。集电器安装在配合紧凑,滑动灵活的小车上，随着运输设备的移动，拖着集电器上的电刷与导电体接触，每根导电体之间的距离为1824mm，所以阻抗值很低，这对降低线路损耗非常有利。 集合式安全滑触线一般用于小容量的起重运输设备；如作为地面运输小车，电动葫芦等的供电滑触线，并可在弯道上运行，最小曲率半径为900mm，户内及户外均可使用。集合式安全滑触线的导电体材料均为铜，截面积为1070mm2，额定电流为50300A，支持点距离为2m。制造厂交货标准长度为4m。罩壳有塑料和镀锌钢板两种，供用户选用。宝钢热轧厂将热轧带卷送往冷轧厂的运输车就是采用罩壳为2mm镀锌钢板有57根导体、相间距离为24mm的集合式安全滑触线。热轧带卷为环状单向运输线，十余辆运输车按单一方向将带卷送往冷轧厂堆料间，整个运输线全长超过1km，滑触线安装在围墙内侧的地面上，为了在必要时让车辆通过运输线，在通道口的一段滑触线可以抬起让车辆通过，运行十分安全可靠，目前国内已有多家制造厂生产类似产品。二、 软电缆供电方式采用软电缆向起重运输设备供电是一种普遍采用的方式，过去，一般都是采用园形软电缆向小型起重机、电动葫芦和电动运输车等小容量负荷供电，但结构型式比较单调、运行距离短，用途受到很大限制。在宝钢工程中引进了许多种用软电缆向起重运输设备供电的型式，首先是普遍采用了扁形软电缆，电缆的芯数和截面可随需要而定，同一根软电缆中既有动力线，也有控制线，防护层也可根据环境确定，如炼钢厂内向钢水包车供电的软电缆，其外护层可包缠细钢丝和石棉层，以防钢水喷溅损坏软电缆。扁形软电缆工作时不会象园形软电缆那样缠绞在一起，从而提高了使用寿命。软电缆还可以提高电压等级向大容量负荷供电，宝钢原料场所有的堆、取料机，就是采用3KV扁形软电缆供电的。此外，在起重机上从大车向小车送电的线路绝大多数均是采用扁形软电缆，所以软电缆的用途是十分广阔的。现在国内电缆制造厂也开始生产扁形软电缆，就是3KV的扁形软电缆也能生产出来的。现将几种常用的软电缆供电方式，简单介绍于下：1 悬挂式：各种起重机或电动运输车辆均可采用悬挂式软电缆供电，最简单也是过去常用的方式是将一根钢绳在两端拉紧，软电缆用钢圈或瓷环套在钢绳上的方式向起重运输设备供电，现在普遍使用的是将软电缆分段吊挂在一个带轮子的电缆小车上，小车在形导轨上或I字钢导轨上滑行，这些导轨同起重机的轨道平行，起重机前进时拉着一个个电缆小车前进，后退时推着一个个电缆小车后退，将软电缆收拢在一起。 采用软电缆给起重机供电的缺点是每一台起重机要专用一根电缆，如同一跨度内有二台起重 机时必须从两端分别向每台起重机供电，若同一跨度内有三台或三台以上起重机时，供电就比较困难了，当然也可以将软电缆悬挂在起重机的另一侧或通过设在端部的起重机再向中间的起重机供电，但这样做势必增加供电线路或软电缆的长度，所以对桥式起重机来就，不如滑触线灵活。采用软电缆供电的方式，一般都是用于无法安装滑触线的地方，也有为了施工安装方便，如对年运行时间不长的检修用起重机，往往也采用软电缆供电。此外，对一些大吨位起重机，如炼钢厂内的铸锭起重机，吨位均在300吨以上，单台起重机装机容量均在1000KW以上，在日本对这样大的起重机往往在起重机上装有降压变压器，滑触线可以采用3KV供电。在德国，对大吨位起重机仍是采用380V电压的电动机，因为过去西德政府规定起重机供电电压不能大于500V，（现在德国提供的报价中，已采用3KV电压向起重机供电）。因此为了满足线路电压降不超过允许值，就采用软电缆来供电，因为软电缆的感抗值比滑触线小得多，也不随截面积成比例变化，例如日本生产的600V三芯普通电缆，当截面积从2mm2到325mm2间，电阻值的变化范围为11.6420.076/km，而感抗值的变化，范围仅为0.09920.0728/km。所以只要选用足够大的导体载面积和根数，是能够把电压降限制在允许值以内的。下表说明软电缆供电方式比滑触线供电方式的电压降要小： 假定计算负荷电流为1200A，起重机运行的计算长度为200m，要求线路电压降小于5%（不考虑电源线路部分的电压降），比较采用型钢滑触线，刚性滑触线、带辅助线的低阻抗滑触和软电缆几种供电方式时的电压降计算结果列于下表：13计算电流为1200A滑触线计算长度为200m对各种型式的滑触线电压降u%名 称规 格额定电流A计算电流A计算长度m相间距离mm阻抗IA/km电压降u%滑触线制造厂型钢滑触线角钢50505辅助线扁铝1006149012002003800.1495164%设计手册表30-21钢性滑触线F45/600铜600mm2143212002001500.167518.3%德国VAHLE钢性滑触线铜540mm2164012002004000.248527.2%日本古河H型安全滑触线铜081317125012002001500.12713.9%德国Wamofler低阻抗滑触线钢性滑触线340 mm2辅助电缆2150 mm2152012002004000.04625.05%日本日立软电缆软电缆4（3250 mm212001200200-0.124/4=0.0313.39%从上表可以看出采用软电缆供电的电压降最小，其次为低阻抗滑触线，其它型式的滑触线都无法满足电压降的要求，但是软电缆供电方式投资太高，且安装困难，目前的趋势是对太容量起重机采用3KV滑触线供电。2, 卷筒式：对一些在地面上行驶的电动运输车或起重机等，在无法采用滑触线供电时，往往采用卷筒式软电缆供电，在运输车前进时，将卷筒上的软电缆放置于地面上，在返回时由卷筒上的电动机或弹簧的作用力将软电缆收回到卷筒上，如果行程很长时，还可采取供电电源在全行程的中段供电方式，即运输车从端部开始运行时，顺行驶方向卷筒开始卷取软电缆，待通过中间供电点后，卷筒又改为将软电缆放置于地面上，在运输车返回时亦是如此。采用卷筒式软电缆供电，一般不受行程的限制，如宝钢原料场的堆取料机就是采用卷筒式3KV软电缆供电的，全行程为600余米，采用中段供电后，软电缆的长度仅为全行程的一半，非但节省了大量软电缆，还可减小卷筒直径和驱动电机容量。 卷筒的传动方式要根据行程长度、软电缆截面和所需的卷取力矩而定，通常有弹簧驱动、电动机驱动和重锤式几种。三、 起重运输机械的供电设计设计人员在为起重机设计滑触线或软电缆供电时，需进行计算的内容有：负荷电流计算、线路电压降校验，对滑触线来说还要根据起重机台数和供电点位置确定计算长度，此外，对一些以起重机作为主要生产设备的滑触线来说，还应该校验在发生三相短路时滑触线的动稳定性。为了进行计算，首先要得到每台起重机的电动机容量进行负荷电流计算，并从滑触线制造厂得到不同相间距离的阻抗值进行电压降校验，如要进行动稳定校验时，制造厂应提供滑触线的弯曲应力和抗弯矩数据，然后设计人员根据相间距离和支持点间距来验算耐受的三相短路冲击电流是否小于配电系统中的最大短路电流。1 负荷电流计算起重机的负荷电流可采用二项式计算方式来确定，即根据起重机上所有电动机的总容量及其中三台最大电动机的容量采用不同的系数b和c来进行计算。在计算时应将不同工作制下的用电设备额定功率统一换算到暂载率为25%时的额定功率进行计算。在选定三台最大电机的功率时，如有双电机同时驱动时（大吨位起重机的主卷扬往往采用双电机驱动）应将这两台电动机的容量合在一起当作一台电动机容量。计算公式如下：有功功率P=CPnx+bpn KW无功功率Q=Ptg KVAR视在功率Sjs= KVA负荷电流：I=S/u A式中：Pnx电动机中最大3台电动机的设备容量之和 Pn所有电动机和设备容量之一 U线路电压，一般均为380V C,b二项式计算中的系数： 对繁忙工作的起重机取C=0.25,b=0.22 对中级工作制的垆 理机，取C=0.15,b=0.15 对仅在检修时使用的起重机，取C=0.2，b=0.06 cos取0.5，则tg为1.73在计算负荷后，若计算电流小于一台最大电动机的额定电流时，应以最大一台电动机的额定电流来选用滑触线。计算实例：在三台桥式起重机，其设备总容量为Pn=450KW，其中三台最大电动机的功率之和为Pnx=225KW，工作制度为繁忙工作制，取C=0.25,b=0.22, cos=0.5，tg=1.73，线路电压为u=380V。则P=CPnx+bpn=0.25225+0.22450=155.25KWQ=ptg=155.251.73=269KVARS=310.6KVAI= S/u=310.6103/380=472A所以计算的负荷电流为I=472A，并按此计算电流来选用滑触线。根据国外资料负荷电流的计算方法比较简单，现介绍于下：根据每台起重机的电动机额定电流，乘以暂载率系数和多台起重机的同时系数，即：负荷电流（I）=额定电流（IH）暂载率系数（FED）同时系数（F）暂载率系数按下表确定暂载率系数表暂载率（ED）暂载率系数（FED）100%1.0080%0.9060%0.7850%0.7140%0.63多台起重机同时工作系数（F）取0.40.7例如：有三台起重机，每台起重机的额定电流IH=300A 暂载率为60%，则暂载率系数为FED=0.7s 同时工作系数，取F=0.7 每台起重机的负荷电流为I1=IHFED=300A0.78=234A 三台起重机的负荷电流为I2=7020.7=491.4A根据此计算电流值491.4A来选用滑触线。2 最大电流计算 为了验算滑触线路上的电压降是否在允许范围以内，需用最大电流来进行检验，最大电流的计算公式如下：最大电流Imax=Ijs+IJD（K-）式中：Ijs计算负荷电流（A） IJD最大一台电动机额定电流（A） MJD最大一台电动机额定功率（KW） K最大一台电动机起动电流倍数（卷线型电动机K=2， 笼形电动机K=5） M所有电动机额定功率之和（KW）如果采用双电动机驱动时，最大一台电动机额定电流应是两台电动机的额定电流之和。如果起重机台数较多。最大电流的计算公式可简化为：最大电流Imax=Ijs+IJD （A）3 线路电压降校验滑触线路上的电压降是否超过允许值范围，是选用滑触线时必需考虑的问题，验算时，应以最大电流来进行验算，从动力变压器的二次侧到最远一台起重机上的电动机端子处的总电压降不超过15%，考虑到在起重机上的线路中还有3%的电压降，所以验算时，包括供电线路在内的滑触线上的电压降不得超过12%。验算电压降时，滑触线的计算长度应根据在滑触线上工作的起重机台数来修正，单台起重机时，计算长度为从供电点开始到滑触线末端的实际长度，线路上有二台起重机时，实际长度应乘以0.8；线路上三台起重机时，实际长度应乘以0.7。根据国外资料，有的国家在验算电压降时，是直接用计算的负荷电流值来验算，此时滑触线路上（包括供电线路在内）的允许电压降值为不超过5%。三相交流滑触线路上的电压降计算公式如下：（V）式中：u电压降（V） I最大电