堆取料机用高压卷绕动力电缆选型与计算

1、堆取料机用高压卷绕动力电缆选型与计算金铁岩张亮王建波北方重工集团有限公司沈阳110041摘 要：卷绕动力电缆是电源点（移动式设备为地面接线箱）向堆取料机等移动式设备提供动力电源的主 要设备，正确计算并合理选择才能保障设备的正常运行。从堆取料机额定工作电流和最大电流（尖峰电流）的 计算、堆取料机机上工作面变压器的计算与选择入手，计算移动式设备中卷绕动力电缆的载流量.选择卷绕动 力电缆的截面，并从电缆短路热稳定条件方面进行校验。关键词：堆取料机；卷绕；动力电缆；选型；计算中图分类号：U653. 928.文献标识码：A文章编号:1001 -0785 （ 2013 ） 04 - 0041 -05Abs

2、tract: The winding power cable is the major equipment to provide power for movable equipment like the stacker/ reclaimer from the power supply point （which is the ground connection box for movable equipment） The normal operation of equipment requires correct calculation and reasonable selection. Sta

3、rting with the calculation of rated operational current and maximum current for the stacker/reclaimer, and calculation and selection of transformers on the working face of the reclaimer, the carrying capacity of winding power cable is figured outt to select the cross-section of winding power cables

4、t with checking for thennal stability condition of cable short circuit.Keywords: stacker/reclaimer； winding； power cable； selection； calculation41 41 由于船舶装载能力不断增加，出现了 20-30 万I的特大型散货船，为了提高装卸船效率，需要 一些大能力的堆取料机，堆取料机向大型化方向 发展是一种必然，尤其是港口使用的斗轮堆取 料机。为了满足大型、特大型堆取料机的堆取能力， 其各机构的电机容量也不断增大。大容量电动机 的启动，对运行电气设备的影响很

5、大。如何正确、 合理地设计设备的供电系统尤为重要，本文将从 堆取料机实际工况入手，探讨设备供电系统中的 卷绕动力电缆的选型与计算。1堆取料机供电卷绕电缆、机上工作面变 压器的选型与计算1.1堆取料机额定工作电流的计算根据起重机设计手册规定，对于容就较大, 机构较多并采用总受电箱的设备，通常额定工作 电流按功率计算，即I.*弘拆2弘+人CD式中：M为3个功率最大的机构在基准接电 持续率时，电动机的功率之和，kw； M为整台起 起蛍运输机械2013 （4）重机内所有电动机在基准接电持续率时的总功率, kW； IK为控制回路、制动器操作元件、照明等负 荷的工作电流，一般取65 A； . k2为系数，

6、单 位A/kW,见表1。表1系数k2数值系数M1% M2%M八M4（轻级）（中级）M,（重级）M, （待重级）交流k、0.60.60.90.9380 V0.20.30.40.6直流k、1.21.21.81.8220 V0.40.60.81.2注：堆取料机的整机与各机构的工作级别，采用欧洲装卸 机械联合会（FEM）发表的第二组“散货连续装卸机 械设计规范”。按照该标准分类：1）整机工作类型级 别为A8； 2）各机构工作类型级别为：斗轮机构M8, 回转机构M8,臂架带式输送机M8,俯仰机构M7,走 行机构M7。此时计算岀的工作电流是堆取料机等移动式41 41 设备等效的长期工作电流。1.2堆取料机

7、最大电流（尖峰电流）的计算根据起靈机设计手册规定，计算整台设备或 多个机构的最大电流时，常按考虑3个机构同时 工作，其中功率最大机构的电动机正常启动，可 能同时工作的另外2个机构的电动机处于正常工 作状态，即码+B+/.3（2）式中：乙为整台设备中功率最大机构所有电 动机的额定电流之和（实际接电持续率时），A； 4、心为可能同时工作的其他2个机构里电动机的 额定电流（实际接电持续率时），A； 为电动机 启动电流倍数，绕线型一般取2,笼型电动机按产 品样木査取，直流电动机取22.5,变频器控制 的笼型电动机取1.8-2,软启动控制的鼠笼型电 动机取2或4。1.3堆取料机机上工作面变压器选择根据堆

8、取料机丁作面各机构电动机功率的情 况，计算变压器容量，即co&<p式中：Sb为变压器的计算容量，kVA； 1 匕为所有设备的额定功率之和，kW； co呼为功率P因数，人为需用系数，K/0.4+0.6事，P“ 为最大或同时启动电动机功率，kW。根据起重机设计规范的规定，对交流电源供 电，在尖峰电流时，自供电变圧器的低压母线至 起重机任何一台电动机端子上的电源的总电压降 通常不得超过额定电压的10%,最大不得超过额 定电压的15%,即电动机频繁启动时，不宜低于 额定电圧的90%,电动机不频繁启动时，不宜低 于额定电压的85% 0单台移动式设备的最大工作电流（尖峰电 流）：按功率最大机

9、构的电动机处于启动状态、其 余可能同时匸作机构的电动机处于额定工作状态 时的电流计。此时功率最大机构的电动机直接启 动场合的降压变压器容量为42 S2=_ 1 UOOcos式中：s2为变压器次级容量，kvA； L为 设备最大的工作电流（尖峰电流），A； c叫为功 率因数，绕线电动机co=0.65,变频调速笼型 电动机ccs=0.8 -0. 82,直接启动笼型电动机 co呼=05 o由于变压器的平均功耗为7.5%,则变压器计 算容量久与S2的关系为Sb = l. 075S2对于变压器而言，在计及其他正常负载的条 件下，加上电动机直接起动场合及起动次数所构 成的负荷，应不超过变压器标准所限定的范围

10、, 一般情况下，上述总负荷不超过变压器额定容量 的1.15借。1.4固定层数卷绕电缆载流的计算按照GB/T 12826-1991标准中规定：当在预 期连续工作时间内，卷绕电缆层数至少减少（或 增加）一层时，可视为变层数卷绕电缆；当在预 期连续工作时间内，卷绕电缆层数不变化或减少 （或增加）层数不足一层时，应视为固定层数卷绕 电缆。根据堆取料机的工作制（24 h连续重型工 作制）及工作时的工艺方法（料场的存储能力及 堆取工艺），一般将卷绕在卷盘上的电缆全部展开 需要数百小时。而有关资料表明卷绕电缆的热时 间常数一般为数小时，所以，在考虑堆取料机卷 绕电缆时应按固定层数卷绕电缆比较合理。即应 按下

11、式计算卷绕电缆导体载流量人y/（KK,KJ（5）式中：I.为移动式设备的等效工作电流，A； K. 为环境温度修正系数，人=y（Tc-t）/（Tf-30）； Tc 为绝缘电缆的允许最高工作温度，对于矿用普通 橡胶电缆为65r,矿用乙丙橡胶电缆为9or, T 睛橡胶扁平电缆为105弋，f为环境空气温度代; 心为固定层数卷绕电缆修正系数，缠绕在圆筒形 电缆卷筒上的固定层数卷绕电缆修正系数&主契 取决于卷筒上电缆的最大使用层数和每层缠绕圈 数m,可按表2选取。起重运输机械2013 （4）表2固定层数卷绕电缆修正系数位值层数“圈数7H123456760.900.650. 500.410. 360

12、. 330.3180.900.640.480.390. 330. 300.27100.900.640.470.380.320. 280. 26120.900.640. 470.370.310.280.24150.900.640.470. 370.300. 260. 23200.900.640.460.360.300.260.23250.900.640.460. 360.300.260. 22注：1)修正系数K.与电缆排列结构有关，该表数据按层间电缆上下重迭排列给岀，对于交叉排列结构为正误差，安全程度更高。2) 电缆最大使用层数确定后，在一定的缠绕匝数范围内，修正系数位将随缠绕圈数的增加而降低，

13、超岀这个范围, 人值将不再减少，例如，“=2, /HM8时，K.均为0.64。绕在辐射型电缆卷盘上的电缆载流圮修正系数位是卷绕电缆的特殊形式，可取0.750.85。起重运输机械2013 (4)43 表2固定层数卷绕电缆修正系数位值起重运输机械2013 (4)43 表2固定层数卷绕电缆修正系数位值堆取料机通常选用的卷筒为辐射型电缆卷盘, 所以有 K. =0. 75 0, 85。但 GB/T 128261991 标 准规定适用于圆形电缆，而在许多进口电缆公司 选型样本给岀了多层系数(此处层与表2中的m 是同一概念)的概念，并不区别扁电缆和圆电缆, 见表3。r = l 827L '1022

14、3m 49当 40 cm WZ < 100 cm 时,r=211.5L-0 779 0055,1+1167当L小于15 cm或大于100 cm时, 等于15 cm或100 cm计算。卷绕电缆叠层厚度按下式计算(7)(8) 应分别按B = nd卷绕层数几1234多层系数0.800.610.490.42表3多层系数虽数值式中：n为电缆固定层数，d为电缆外径,显然表3中的数值表明，当层数71 = 1时，K3 =0. 80,这与表2中注3)基本一致。根据表2和 表3中的数据对比，可以规定卷筒为辐射型电缆 卷盘时，卷绕电缆截面为圆形Kn=0. 80,卷绕电 缆截面为扁形Kn=0. 75 oKt为固

15、定层数电缆温升的暂态过程修正系数, 可按式(6)计算式中：T为移动式设备的预期工作时间，min； :为卷绕电缆等效热时间常数，min,可按式(7) 或式(8)计算。r值主要应当根据卷筒上电缆的叠层厚度和 叠层最大宽度厶计算，即当 15 cm W 厶 < 40 cm 时，cm。卷绕电缆最大叠层宽度L等于电缆卷筒端面 内缘间距，按下式计算L = md式中：m为卷绕电缆每层最大圈数；d为电缆 外直径，cm。实际中，每层电缆在卷筒中排列结构通常有 些间隙，所以乙值应比加稍大些C1.5堆取料机机上工作面变压器短路电流的计算在电源点(移动式设备为地面接线箱)设置 电源保护开关，一般为断路器、熔断器或

16、综合保 护开关等，保护移动式设备的变压器及供电的卷 绕电缆。此时电源保护开关选型所依据的电流即为变 压器短路电流值，变压器的短路电流为起重运输机械2013 (4)43 式中：人为变压器的短路电流，A； Ud为变 压器的阻抗电压，通常为4% 6%,可按变压器 样本选取；Ax为变压器的一次额定电流，A, g = ，S、为变压器的铭牌容量，kVA,At/|N.rSn.t为变压器的一次电压，kV。这里要说明短路电流是只作为瞬时保护值, 而实际保护开关例如熔断器熔体电流的计算应为：，N. FE =*An.T式中：b为系数.一般取1.52。1.6电缆短路时热稳定校验根据电缆的选型原则，电缆应该进行短路热稳

17、 定条件校验，电缆导体短路时允许的最小截面为式中：人叭为满足短路热稳定条件的最小截面 积，mm2；：为三相短路电流稳态值，A,此时取 /ss=/k； c为导体材料短路热稳定系数，6-10 kV 交联聚乙烯绝缘电缆，铜为137,铝为77； 为 短路发热假想时间，0. 25 so2应用实例某工程项目用臂式堆取料机，型号为 DQU000/300045,轨道单侧料场储量约Qa = 227 825 t,料场长度约440 m,环境温度12 40 尤。本机的供电源采用6.6 kV,由地面变电所6.6 kV开关柜提供，通过电缆引至电源点（现场地面 接线箱）.通过柔性卷绕电缆（电缆与电缆卷盘匹 配）、电缆卷盘和

18、集电环引至机上高压进线柜，设 备上变压器联接组标号Dynllo额定配电电压：高 压供电回路 AC 6.6 kV±10%/50 Hz ±2 Hz.三 相，低压动力回路 AC 400 V ± 10%/50 Hz ±2 Hz、三相；故障率等级：25 kA （0.25 s）；照明回 路：AC23O Vo根据料场长度，设定卷绕动力电缆 长度为250 m,堆取料机各机构工作面负荷统计如 表4,试确定卷绕动力电缆的规格型号。起重运输机械2013 （4）45 起重运输机械2013 （4）45 表4堆取料机各机构工作面负荷统计表序号机构名称电机型号功率 /kW台数电压 /

19、V额定电流 /A启动电流 倍数启动方式1斗轮机构Y系列鼠笼4级电机16024002732变频启动2悬臂带式输送机Y系列鼠笼4级电机250p14004282变频启动3俯仰机构Y系列鼠笼4级电机45140035.47.0直起4回转机构YP系列变频4级电机1&5240035.42变频启动5行走机构YP系列变频4级电机5.52040011.32变频启动6除尘系统Y系列鼠笼4级电机5.5140012.66.5直起7夹轨器Y系列亂笼4级电机1.5240056.0直起8电缆卷盘堵转力矩电机1.5240036.0直起9空调.照明、电 气等控制回路约65起重运输机械2013 （4）45 起重运输机械20

20、13 （4）45 人匕_O63 x835cos®0.7= 751.5 kV A2.1堆取料机额定工作电流的计算根据式（1）可计算出本台堆取料机设备额定 工作电流，即It 二kN）+ k2Nn + /K = 854 A2.2堆取料机最大电流（尖峰电流）的计算堆取料机设备3个同时工作的机构为斗轮机 构、总腎带式输送机、行走机构，在设备实际工 作时，设备绘大电流（尖峰电流）出现在斗轮机 构和悬臂带式输送机两个机构的电动机处于正常 44 工作状态，行走机构的电动机正常启动，即根据 式（2）有5= kN/ +人2 +人3 i 746 A2.3堆取料机机上工作面变压器选择根据式（3）计算工作面各

21、机构电动机设备情 况，计算变压器容量，即需用系数起直运输机械2013 （4）起重运输机械2013 （4）45 起重运输机械2013 （4）45 Sb 751.5Fx6.6= 65.7 AP370=0. 4 +0. 6 畚=0.4 +0 6 x 崇=0. 63根据式（4）计算堆取料机工作面各机构电动 机设备直接启动情况，计算变压器容量血 09 匚lOOOcos =128°-8kVA由于变压器的平均功耗为7.5%,则变压器计 算容量S：与S2的关系为S； = 1. 075S2 = 1 376. 86 kV A对于变压器而言，在计及其他正常负载的条 件下，加上电动机直接启动场合及启动次数所

22、构 成的负荷，应不超过变压器标准所限定的范围, 一般悄况下，上述总负荷不超过变压器额定容量 的 1. 15 倍。即选用 1 376. 86/1. 15 = 1 197. 3 kV A就可满足设备实际工况。故选用铭牌负荷S、， 1 250 kVA的变压器°2.4固定层数卷绕电缆载流的计算设备的等效工作电流环境温度修正系数Kt = /（100 - 40）/（ 100 - 30） = 0. 926 按表3选取固定层数卷绕电缆修正系数Kn=0. 75 o因为固定层数电缆温升的暂态过程修正系数 K, >1.0 （K,计算值约为1.02,本文计算略），所 以，变层数卷绕电缆导体载流披/H >65. 7/（0. 75 x0. 926x1.0） =94.6 A査取某电缆公司选型样本如表5。选择截面为 35 mm?的电缆，其长期允许载流量162 >94.6, 选得电缆型号为YVFB3x35+1 X16,电缆外形尺 寸 118 mm x 30 mm （扁）。2.5堆取料机机上工作面变压器短路电流的计算根据式（9）计算堆取料机机上工作面变压器 短路电流-_ 2 732 5 A山 _0.04 RS A变压器的一次额定电流2.6电缆短路时热稳定校验表5单根导体允许载流标称横截.面积/mm，导体允许温度90 */