客滾船高壓岸電系統(tǒng)設(shè)計

翁偉達(dá)，顧敏敏，朱靜波，吳 林

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引言

隨著世界航運貿(mào)易的持續(xù)發(fā)展，停靠各國港口的船舶數(shù)量大幅增加。在船舶靠港期間，為保障船上生活設(shè)施和工作機械的正常運行，船舶發(fā)電機需要長時間工作，這不僅會消耗大量的能源，還會對港口區(qū)域造成嚴(yán)重的大氣和噪聲污染。為減少污染、保護(hù)環(huán)境，近十年間國內(nèi)外港口不斷增加高壓岸電系統(tǒng)的配套數(shù)量，提升高壓岸電的技術(shù)及儲能水平。本文對高壓岸電系統(tǒng)的組成、方式、類型及船級社相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行介紹。以一艘客滾船為例，對高壓岸電系統(tǒng)的組成、設(shè)備參數(shù)、設(shè)計要點等進(jìn)行分析，并對系統(tǒng)設(shè)計的注意事項進(jìn)行闡述。

1 高壓岸電系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)名稱

船舶高壓岸電系統(tǒng)是指在船舶?？扛劭谄陂g為其供電的港口高壓電源。使用高壓岸電系統(tǒng)為船舶供電可減少船舶發(fā)電機的使用，進(jìn)而減少船舶廢氣排放。高壓岸電系統(tǒng)適用于1～15 kV額定電壓的及交流供電系統(tǒng)。

不同組織和企業(yè)提供的船舶高壓岸電系統(tǒng)不同，如：世界港口可持續(xù)發(fā)展計劃（World Ports Sustainability Programme，WPSP）和國際港口協(xié)會（International Association of Ports and Harbors，IAPH）的OPS（Onshore Power Supply）System，CAVOTEC 集團(tuán)的 AMP（Alternative Maritime Power）System，ABB集團(tuán)、SIEMENS股份公司和W?rtsil?集團(tuán)的 HVSC（High Voltage Shore Connection）System。

1.2 船舶高壓岸電系統(tǒng)組成

船舶高壓岸電系統(tǒng)組成示意圖見圖 1。船舶高壓岸電系統(tǒng)由岸基供電設(shè)備、電纜傳輸及連接設(shè)備、岸電接入設(shè)備等3部分組成。

圖1 船舶高壓岸電系統(tǒng)組成示意圖

1）岸基供電設(shè)備，岸上供電系統(tǒng)將電力從港口高壓變電站（A）供應(yīng)到港口岸電電源箱（B）的連接點。

2）電纜傳輸及連接設(shè)備，即連接港口岸電電源箱（B）與船舶上岸電插座箱（C）的電纜和傳輸電纜的設(shè)備。

3）岸電接入設(shè)備，一般包含岸電插座箱、岸電變壓器、變頻器和岸電管理系統(tǒng)（D）。

1.3 船舶高壓岸電系統(tǒng)連接方案

1.3.1 岸基方案

岸基方案一般包括固定式方案、移動式方案和駁船式方案。

1）固定式方案（岸基）

固定式方案（岸基）主要包括高壓電纜滾筒裝置、高壓軟電纜及控制電纜、高壓岸電插頭、岸電控箱、可伸縮臂裝置等設(shè)備，在岸邊設(shè)置高壓岸電的固定輸出點。

2）移動式方案

移動式方案主要包括可移動滑移裝置、高壓電纜滾筒、高壓軟電纜及控制電纜、高壓岸電插頭、岸電控箱、可伸縮臂裝置等設(shè)備，在岸邊設(shè)置高壓岸電的移動輸出點。

3）駁船式方案

駁船式方案與固定式方案配置的設(shè)備相同，駁船式方案主要采用一艘配備纜繩絞車和變壓器的駁船同時連接岸上系統(tǒng)和船舶系統(tǒng)，駁船上的變壓器可將岸基高壓電轉(zhuǎn)換為船用低壓電。該方案的優(yōu)點是機動靈活，缺點是駁船連接電纜數(shù)量多，電纜連接操作時間長，前期投資大、成本高。

1.3.2 船基方案

船基方案一般包括半固定式方案和固定式方案。

1）半固定式方案

半固定式方案將岸電降壓供電裝置布置在船舶尾甲板的一個集裝箱內(nèi)。集裝箱內(nèi)配置有變壓器、高壓岸電連接屏、高壓電纜管理系統(tǒng)、變頻器（如需）、岸電插座箱等。其中，高壓岸電連接屏、變壓器、變頻器（如需）、電源裝置布置于主體電源移動艙內(nèi)，岸電插座箱、高壓電纜管理系統(tǒng)等布置于電纜卷放移動艙內(nèi)。半固定式方案在集裝箱船上應(yīng)用比較廣泛，只需要在船上預(yù)留對應(yīng)的集裝箱箱位即可。

2）固定式方案（船基）

固定式方案（船基）主要是將高壓岸電絞車（包含高壓岸電電纜管理系統(tǒng)）、高壓岸電連接屏、變壓器等固定安裝在船舶上。在船舶靠港時通過高壓岸電絞車將高壓電纜及插頭布放于岸端并連接到岸基供電裝置，該方式方便快捷，可有效降低人員勞動強度、降低岸電建造成本。固定式方案（船基）特別適用于新制船舶，可考慮在艉部露天甲板舷側(cè)設(shè)置高壓岸電絞車，在船上設(shè)置一個高壓岸電設(shè)備間布置高壓岸電連接屏和變壓器等相關(guān)設(shè)備。

2 規(guī)范要求

現(xiàn)階段船舶高壓岸電國際標(biāo)準(zhǔn)主要由國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）以及國際電氣和電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）等組織完成制修訂工作，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)文件見表1。

表1 高壓岸電系統(tǒng)主要標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)文件

此外，挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）、美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS）、意大利船級社（Registro Italiano Navale，RINA）、中國船級社（China Classification Society，CCS）等各大船級社也針對船舶高壓岸電系統(tǒng)制定了相關(guān)的規(guī)范及檢驗指南。CCS編制的《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（2008版）對適用于1～15 kV額定電壓的交流高壓岸電系統(tǒng)提出明確要求，并對設(shè)備能力測試要求及檢驗指南進(jìn)行規(guī)定。對于配備滿足指南要求岸電系統(tǒng)船載裝置的船舶，經(jīng)審圖、安裝檢驗和試驗后，CCS可授予其“AMPS”（Ahemative Maritime Power Supply）附加標(biāo)志。

3 系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

對于本例中的客滾船，船東希望在船舶上增配一套高壓岸電系統(tǒng)，系統(tǒng)既要滿足IEC和DNV的相關(guān)要求，還要滿足船級社符號“Shore Power”的要求。根據(jù)船東提供的港口配套信息，本船高壓岸電系統(tǒng)連接方案采用移動式（岸基）和固定式（船基）組合方案，岸電電纜和電纜絞車（含電纜管理系統(tǒng)）由港口配套提供。船舶高壓岸電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)組成見圖2。

圖2 船舶高壓岸電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)組成

3.1 設(shè)備參數(shù)

3.1.1 岸基設(shè)備參數(shù)

港口的高壓岸電系統(tǒng)是建造方按照港口需求和國家電網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、建造的，其基本參數(shù)如下：電壓為AC 11 000 V，頻率為50 Hz，電網(wǎng)容量為50 MVA。港口岸電電源箱和電纜絞車均由港口電氣部門進(jìn)行配套。

3.1.2 船載設(shè)備參數(shù)

本船規(guī)格書對電制的要求為：AC 440 V、60 Hz、3相。

本項目船舶配置主發(fā)電機 3臺，額定功率為1 880 W；應(yīng)急發(fā)電機1臺，額定功率為750 kW。根據(jù)電力負(fù)荷估算結(jié)果（見表2），裝卸貨工況所需功率約為2 859 kW，可使用2臺主發(fā)電機組并車運行。船舶停港使用高壓岸電時負(fù)載功率約為2 704 kW，故使用總功率為3 200 kW的高壓岸電系統(tǒng)可滿足實際需求。

表2 電力負(fù)荷估算結(jié)果

1）岸電插座箱

岸電插座箱的型號必須與岸基設(shè)備的插頭相匹配，本船考慮在港口時船舶兩側(cè)均有停泊的要求，故在船舶左右舷分別設(shè)置一個岸電插座箱。岸電插座箱為CAVOTEC品牌PC6-VX04-L12027S型號，主要參數(shù)如下：額定電壓為AC 12 000 V，額定電流為320 A，防護(hù)等級為IP56。

2）岸電連接配電柜

岸電連接配電柜是連接岸電插座箱和岸電變壓器的設(shè)備，可與岸基系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并對其進(jìn)行監(jiān)控。本船的岸電連接配電柜由 Terasaki集團(tuán)提供。

3）岸電高壓變壓器

岸電高壓變壓器是將岸端提供的高壓（AC 11 000 V）轉(zhuǎn)化成船端電壓（AC 450 V）的設(shè)備，具有電氣隔離高低壓電源的功能。根據(jù)電力負(fù)荷估算書配置變壓器容量。本船的岸電高壓變壓器由ABB集團(tuán)提供，主要參數(shù)如下：容量為4 000 kVA，電壓比為11 000 V/(4×450) V，頻率為50 Hz，冷卻方式為空氣冷卻。

4）船舶變頻器單元

岸基電源頻率為50 Hz，船端電源頻率為60 Hz，通過船舶變頻器單元能將岸端電源頻率調(diào)整至船舶電網(wǎng)適用的頻率，保證岸電系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地使用。由于船舶原系統(tǒng)已配置軸發(fā)變頻器單元，可以連接軸帶發(fā)電機、首側(cè)推、主配電板，因此岸電系統(tǒng)可通過在軸發(fā)變頻器單元中增加模塊的方式將岸電電源輸出到主配電板上。本船變頻器單元由 Wetech公司提供。

5）船舶主配電板

船舶主配電板對船舶電源進(jìn)行輸入、輸出管理，船舶輸入電源包括發(fā)電機、軸帶發(fā)電機、高壓岸電等，輸出電源為船舶上所需供電的各類設(shè)備。高壓岸電最終輸入到主配電板上，為船舶上的生活設(shè)施、裝卸貨及應(yīng)急設(shè)備的正常使用提供保障。本船主配電板由Terasaki集團(tuán)提供。

3.2 設(shè)計要求

船舶和港口之間應(yīng)建立等電位連接，且該連接不應(yīng)改變船舶配電系統(tǒng)的接地原理。高壓岸電和船舶電站之間的負(fù)載轉(zhuǎn)移通過短時并聯(lián)方式進(jìn)行，在主配電板內(nèi)部的電源管理系統(tǒng)中設(shè)置岸電供電模式，保證并聯(lián)運行時岸電與發(fā)電機組的自動同步和控制負(fù)載轉(zhuǎn)移功能。

船舶使用高壓岸電期間，至少1臺船舶主發(fā)電機處于備機狀態(tài)。一旦岸電電源故障，船舶發(fā)電機應(yīng)自動起動并連接至主配電板，船舶功率管理系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)控。

當(dāng)高壓岸電系統(tǒng)出現(xiàn)等電位連接斷開、電纜管理系統(tǒng)報警、岸電系統(tǒng)控制和監(jiān)測線路故障、岸電連接插頭帶電拔出等情況時應(yīng)自動觸發(fā)應(yīng)急切斷功能。應(yīng)急切斷應(yīng)設(shè)置在岸電插座箱、岸電連接配電柜、電纜絞車操作站、機艙集控室等有人值班的關(guān)鍵位置。

在岸電電纜接入船舶主配電板時，接地開關(guān)應(yīng)滿足IEC 62271-200: 2011標(biāo)準(zhǔn)第的相關(guān)要求。當(dāng)岸電連接斷路器斷開時，接地開關(guān)應(yīng)保持接地。

電纜管理系統(tǒng)應(yīng)保證電纜上承受的機械應(yīng)力不超過設(shè)計值，電纜或?qū)Ь€連接的接線端要排除傳遞機械應(yīng)力的可能性，電纜出現(xiàn)過度拉伸時應(yīng)迅速斷開岸電連接斷路器。

4 系統(tǒng)要點

由于高壓岸電系統(tǒng)是船東在建造后期階段臨時要求增加的，故其設(shè)計過程存在不少難點，主要表現(xiàn)在設(shè)備布置、電纜選型、短路電流計算等方面。

4.1 設(shè)備布置

船舶需要增加高壓岸電插座箱、高壓岸電連接柜、高壓變壓器、變頻器單元等諸多設(shè)備，這些設(shè)備的外形尺寸、安裝及操作要求均需結(jié)合實際情況進(jìn)行綜合考慮。設(shè)備的布置需要協(xié)調(diào)船東、港口方、船級社、總舾專業(yè)等各方要求，系統(tǒng)電力電纜、通信及控制電纜的敷設(shè)路徑需要協(xié)調(diào)生產(chǎn)設(shè)計和結(jié)構(gòu)等專業(yè)的需求。

通過船東提供的港口泊位、岸基電源箱位置等信息，充分考慮船舶兩舷停港操作的便利性，以及輸送電纜插頭的高度要求，最終將高壓岸電插座箱設(shè)置在船舶4號甲板20號肋位處的高壓岸電充電間。

根據(jù)電氣設(shè)備隔離、高壓電纜的敷設(shè)要求，在船舶2號甲板處單獨設(shè)置一間高壓變壓器室，將高壓岸電連接柜、高壓變壓器等主要設(shè)備集中布置，這樣既能減少高壓電纜的敷設(shè)長度、避免出現(xiàn)過多穿艙路徑，也有利于船員對高壓系統(tǒng)設(shè)備的集中操作和監(jiān)測。

4.2 電纜選型

船岸間高壓岸電電纜應(yīng)符合 IEC/ISO/IEEE 80005-1: 2012標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。固定敷設(shè)的高壓電纜應(yīng)符合IEC 60092-353: 2011和IEC 60092-354: 2020標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

高壓岸電電纜布置在高壓電纜絞車上，該電纜柔性和抗拉性較好。船岸間高壓電纜主要包含高壓動力電纜、接地電纜、控制電纜及光纖電纜。高壓動力電纜的規(guī)格通過計算確定，AMP系統(tǒng)電制為AC 11 000 V，4 000 kVA，可計算得出電流值為210 A。3×120 mm高壓電纜在45 ℃環(huán)境溫度下的載流量為237 A，可滿足使用要求。接地電纜的電流承載能力不應(yīng)小于額定電流，1×70 mm接地電纜在45 ℃環(huán)境溫度下的載流量為242 A，可滿足使用要求?？刂齐娎|中主要包括應(yīng)急停止、等電位監(jiān)測、接地監(jiān)測等信號，使用4×25 mm的控制電纜。船岸通信的信號需要按照IEC/IEEE 80005-2: 2016的要求設(shè)置，通信內(nèi)容均可通過多模光纖電纜進(jìn)行傳輸，無線通信方式可作為冗余。最終確認(rèn)船岸間高壓岸電電纜由3×120 mm高壓動力電纜、1×70 mm接地電纜、4×2.5 mm控制電纜、6F（62.5/125 μm）通信光纖電纜組成。。

高壓岸電電纜長度為100 m，其中電纜絞車上預(yù)留安全長度為10 m。

根據(jù)DNV相關(guān)要求，電纜和電機阻抗的差異會導(dǎo)致電機端電壓反射和電壓倍增，這將增大電纜絕緣和電機繞組潛在的有害應(yīng)力。因此，低壓側(cè)變頻器的主電源線路電纜的耐壓等級應(yīng)高于標(biāo)稱電壓。高壓岸電系統(tǒng)電力電纜、控制電纜及通信電纜的型號根據(jù)表3進(jìn)行配置。

表3 高壓岸電系統(tǒng)電纜參數(shù)表

4.3 短路電流計算

高壓岸電供電期間，船舶配電系統(tǒng)中任何安裝點的預(yù)期短路電流不應(yīng)超過該點斷路器的短路分?jǐn)嗪徒油芰?。在通過斷電轉(zhuǎn)移負(fù)載的情況下，岸電容量一般小于船舶電站總?cè)萘?，因此岸電連接期間系統(tǒng)短路電流不會出現(xiàn)超過船舶配電系統(tǒng)最大短路電流的情況。短路電流計算主要考慮岸電和一臺發(fā)電機組短時并聯(lián)進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移時的預(yù)期短路電流，參照IEC 60909: 2006標(biāo)準(zhǔn)中的方法進(jìn)行計算，計算軟件采用ETEP 16.1.1C。首先，通過船東確認(rèn)港口電網(wǎng)短路容量為50 MVA，高壓變壓器額定容量為4 000 kVA、阻抗為6%，高壓岸電工況總消耗功率為2 704 kW，等效電動機設(shè)定為3 380 kVA。通過系統(tǒng)短路電流單線圖確認(rèn)岸電連接柜斷路器、岸電高壓變壓器原邊、岸電變頻器單元、岸電主配電板斷路器、1號發(fā)電機組供電斷路器、AC 380 V負(fù)載斷路器、AC 230 V負(fù)載斷路器、應(yīng)急配電板負(fù)載斷路器等作為主要計算點，并通過船廠面收集相應(yīng)線路電纜長度數(shù)據(jù)。

通過計算軟件得出短路電流值（見表4），高壓岸電系統(tǒng)的對稱短路電流和峰值短路電流均小于線路中配置斷路器的短路分?jǐn)嗪徒油芰Γ瑵M足規(guī)范要求。

表4 高壓岸電系統(tǒng)短路電流值

續(xù)表4 高壓岸電系統(tǒng)短路電流值

5 結(jié)論

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的日趨重視，高壓岸電系統(tǒng)將會成為各大港口及船舶的標(biāo)準(zhǔn)配置系統(tǒng)。本文對高壓岸電系統(tǒng)的組成、方式、類型及船級社相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行介紹。以一艘客滾船為例，對高壓岸電系統(tǒng)的組成、設(shè)備參數(shù)、設(shè)計要點等進(jìn)行分析，并對系統(tǒng)設(shè)計的注意事項進(jìn)行闡述。希望本文可為船舶高壓岸電系統(tǒng)的設(shè)計提供經(jīng)驗借鑒。