船舶高壓岸電系統(tǒng)加裝方案及效用試驗x

馬興旺

摘 ? ?要：某型散貨船為了實現(xiàn)靠港期間零排放，擬加裝高壓岸電系統(tǒng)。為優(yōu)化改造方案，保障改造工作順利進行，通過電力負荷和短路電流計算，對改造方案進行驗證。結(jié)合該船改造過程，介紹改造方案及效用試驗，并對高壓岸電系統(tǒng)的后期運營提出建議。

關鍵詞：船舶高壓岸電系統(tǒng);耐壓試驗;對稱短路電流;等電位連接

中圖分類號：U665.1 ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： In order to achieve zero discharge at port， a certain bulk carrier is proposed to install a high voltage shore power system. In order to optimize the installation scheme and ensure the smooth progress of the installation， the installation scheme is verified in the early stage through the calculation of power load and short-circuit current. Combined with the installation process， this paper introduces the installation scheme and the function test， and puts forward further suggestions for the later operation of the high-voltage shore power system.

Key words： Marine high voltage shore power system; Withstand voltage test; Symmetric short-circuit current; Equipotential connection

1 ? ?前言

隨著世界航運貿(mào)易持續(xù)增長，?？看a頭的船舶數(shù)量和密度大幅增加。在船舶靠港期間，為了保障船上生活設施、應急設備、裝卸配載等設備的正常運轉(zhuǎn)，船舶發(fā)電機仍需工作。這不僅會消耗大量的能源，還會對港口區(qū)域造成嚴重的環(huán)境污染。船舶使用岸電電源能夠降低對傳統(tǒng)能源的消耗，大幅度降低船舶因燃燒燃油而產(chǎn)生的氮氧化物、硫氧化物、二氧化碳等污染氣體及顆粒物的排放。因此，船舶靠港期間使用岸電對降低成本、節(jié)能減排具有著非常重要的意義。

2 ? ?船舶高壓岸電系統(tǒng)簡介

船舶高壓岸電系統(tǒng)是指船舶在靠港期間停止使用船舶發(fā)電機、改用岸基電源的供電方式。高壓岸電系統(tǒng)主要由岸基裝置和船載裝置兩部分組成：岸基裝置由碼頭變電站和碼頭岸電箱組成;船載裝置由電纜管理系統(tǒng)、高壓岸電進線柜、變壓器及低壓進線屏組成。高壓岸電系統(tǒng)示意圖，如圖1所示。

某散貨船設有670 kW主發(fā)電機3臺、120 kW應急發(fā)電機1臺：電站額定電壓為AC400 V、額定頻率50Hz，采用交流三相三線絕緣系統(tǒng);擬采用的高壓岸電系統(tǒng)的高壓接入電制為AC6 000 V、50 Hz;低壓接入電制為AC400 V、50 Hz;額定容量為1 250 kVA。

高壓岸電系統(tǒng)采用左、右兩舷接入方式，兩舷都設有電纜絞車和相應的控制箱，通過高壓岸電進線柜接至變壓器，經(jīng)變壓器降壓至與船舶電站一致，再通過低壓側(cè)開關接入船舶主配電板。

船舶使用岸電期間，至少保持1 臺主發(fā)電機處于備車狀態(tài)，一旦岸電電源出現(xiàn)故障時船舶發(fā)電機能自動啟動并連接至主配電板。

本船燃油系統(tǒng)由鍋爐蒸汽系統(tǒng)加熱，為了實現(xiàn)船舶靠港期間零排放，需要停止使用燃油鍋爐。鍋爐停用時，無法為備車柴油機提供溫度適宜的燃油。為解決上述矛盾，需在燃油日用柜與供油單元之間增設一臺燃油電加熱器。

3 ? ?船舶高壓岸電系統(tǒng)改造方案

本船是在原電站的基礎上加裝高壓岸電系統(tǒng)，需要進行電力負荷和短路電流計算、船體結(jié)構及主配電板改造。

3.1 ?靠港期間電力負荷計算

船舶靠港期間主要為靠泊工況和裝卸貨工況，其中裝卸貨工況由于涉及船舶配載用電負荷更大。靠港期間使用的電氣設備如下：壓載水系統(tǒng)、海水及淡水冷卻系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、冷庫系統(tǒng)、甲板液壓系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等。

電力負荷計算及電站使用情況見表1。

由表1可知，該船在使用高壓岸電時，裝卸貨工況所需功率約為751 kW。本船采用的高壓岸電系統(tǒng)額定容量為1 250 kVA、有功功率為1 000 kW，滿足電力負荷要求。

3.2 ?短路電流計算及短路保護

船舶配電系統(tǒng)中任何安裝點的短路電流不應超過該點斷路器的短路分斷和接通能力。在采用斷電轉(zhuǎn)移負載的情況下，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)超過原船配電系統(tǒng)最大短路電流的情況，故僅使用岸電時的短路電流計算，應參照CCS 指導性文件GD021-1999《岸上供電交流電力系統(tǒng)的短路電流計算》;對于岸電和船舶電站短時并聯(lián)的短路計算，因為并聯(lián)期間岸電和正在使用的船舶發(fā)電機總?cè)萘坑锌赡芤鹣到y(tǒng)短路電流出現(xiàn)超出原船配電系統(tǒng)最大短路電流的情況，所以岸電和船舶電站短時并聯(lián)時的短路電流計算，應參照IEC60909 系列出版物計算方法進行。

本船計算書僅考慮岸電供電、岸電與一臺發(fā)電機短時并聯(lián)供電時的短路電流。短路電流計算軟件采用ETEP12.6.0版本，計算參數(shù)如下：陸地電網(wǎng)短路容量為30 MVA、變壓器額定容量為1 250 kVA、抗阻為6%;裝卸貨工況總消耗功率為751 kW、等效電動機設定為1000kVA;停泊工況總消耗功率為506 kW、等效電動機設定為625 kVA。

根據(jù)計算結(jié)果（略），無論是僅岸電供電，還是岸電與一臺發(fā)電機短時并聯(lián)供電，對稱短路電流和峰值短路電流均小于高壓岸電系統(tǒng)中斷路器的短路分斷和接通能力，滿足《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》的要求。高壓岸電進線柜中設置了施耐德HVF1041型開關、內(nèi)設接地開關、接地故障保護和報警等裝置，并設有真空斷路器，用于短路保護。[1]

3.3 ?空間布局改造

本船采用左右兩舷接入方式，兩舷都配有電纜絞車和相應的控制箱。需要增裝的設備為：電纜絞車及控制箱2套、高壓岸電進線柜1套、變壓器1套。

原船各層甲板尾部空間狹小，為了安裝電纜絞車和方便釋放及回收船岸連接電纜，A甲板尾部兩舷均加裝了部分甲板，用于安裝電纜絞車;原有的兩個儲藏室，分別被改為變壓器間和高壓岸電進線柜間。高壓岸電設備布置圖，如圖2所示。

3.4 ? 主配電板改造

低壓進線及控制屏連接變壓器的次級，通過原主配電板的主匯流排向船舶電網(wǎng)供電。本船原主配電板由發(fā)電機控制屏、同步屏及負載屏組成，需要增加低壓岸電進線控制屏，并對原同步屏進行改造：

（1）在原主配電板右側(cè)增加一空屏，并在原空屏中增加指示燈、儀表、AMP 管理單元（人機界面）、控制開關、空氣斷路器等設備，作為高壓岸電系統(tǒng)的低壓進線柜;

（2）在空屏中增加匯流排;

（3）改造原配電板的同步并車屏，使AMP管理系統(tǒng)與原配電板之間建立信號連接，提供岸電手動切換和自動切換，實現(xiàn)岸電與船電同步時減少并網(wǎng)時間，進行無負荷切換及帶負荷切換功能。主配電板改造方案，如圖3所示。

4 ? ?船舶高壓岸電系統(tǒng)安全防護

4.1 ?等電位連接

雖然海水導電但存在電阻，船舶電氣設備接地和岸地因傳導電阻造成電位差，威脅人身安全，所以要求船電接地和岸電接地保持等電位連接，以降低接觸電壓，提高安全用電水平。

港口岸電一般為三相四線中性點直接接地系統(tǒng)，本船采用的是三相三線絕緣接地系統(tǒng)，等電位連接是利用高壓電纜中一根芯線作為等電位連接線，將船體與岸電中性接地點連接。

4.2 ?電氣隔離

因為船舶電網(wǎng)環(huán)境比岸上電網(wǎng)差，船岸間應設置電氣隔離。電氣隔離就是將岸上電源與船用電氣回路作電氣上的隔離，以減少兩個不同電路之間的相互干擾。若船舶設有高/低壓變壓器，可視為滿足電氣隔離要求，否則應設置隔離變壓器。

4.3 ?應急切斷

船載高壓岸電系統(tǒng)應具備應急切斷功能，以確?？焖贁嚅_岸上和船上的電氣連接，并應按故障安全原則設計，防止被誤觸動。

應急切斷功能動作時，應能在碼頭和船舶有人值班處所發(fā)出報警，且非經(jīng)過人工復位斷路器不能再次閉合。若發(fā)生如下情況，應自動觸發(fā)應急切斷功能： 等電位連接斷開; 電纜管理系統(tǒng)故障報警;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。

按規(guī)范要求，應至少在下列位置布置手動應急切斷按鈕：電纜管理系統(tǒng)操作位置;高壓岸電進線及操作控制柜;低壓岸電進線及控制操作屏。

4.4 ?安全連鎖

如存在以下情況，岸電高壓接入斷路器應不能閉合或在閉合位置斷開：等電位連接未建立;岸電連接插頭/插座的控制電路未接通;應急切斷設備動作;岸電系統(tǒng)控制和監(jiān)測線路故障;電纜管理系統(tǒng)故障報警;保護接地系統(tǒng)故障;岸電供電電源尚未提供等。

5 ? ?船舶高壓岸電系統(tǒng)關鍵設備

5.1 ? 船岸通信

船載岸電與港口岸基系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信采用多模光纜，無線通信方式作為冗余。光纖通信及無線通信協(xié)議均采用TCP/IP，通信內(nèi)容至少包括：

（1）港口岸基系統(tǒng)向船載系統(tǒng)輸出信號為：斷路器位置、高壓準備就緒、相電壓、線電流、報警信號、電量計數(shù);

（2）船載系統(tǒng)向岸基系統(tǒng)輸出信號為：母線電壓、進線開關電流、高壓啟動請求、岸基高壓開關分合指令、進線開關位置、接地開關位置、緊急停止信號、船名及身份識別。[2]

通信光纜一般內(nèi)置于高壓電纜。高壓電纜為4 芯多模，由3根電力電芯、1根等電位接地電芯及2根通信光纜電芯組成。

5.2 ?電纜管理系統(tǒng)

電纜管理系統(tǒng)由電纜絞車、岸電連接電纜和插頭、液壓手動釋放裝置、控制箱、遙控操作按鈕等組成，是船上配電系統(tǒng)與岸電連接的唯一通道。該系統(tǒng)的主體是恒張力控制的專用電纜絞車，在船舶裝卸貨物和港口潮汐變化情形下保持高壓電纜張力恒定，并在船舶脫離泊位后報警、脫扣，實現(xiàn)安全供電;高壓電纜采用快速接頭，能在很短時間內(nèi)完成電纜連接，以滿足碼頭快速作業(yè)的要求。

5.3 ?高壓岸電進線柜

高壓岸電進線柜用于連接電纜管理系統(tǒng)和船載變壓器。岸電經(jīng)岸電箱、電纜管理單元進入高壓岸電進線柜，高壓岸電進線柜上設有：真空斷路器、繼電器保護裝置、電流表、電壓表、頻率表、相序表、接地開關、相序指示儀、數(shù)字式多功能觸摸屏等。岸基電源送電前，高壓岸電進線柜負責檢測它與岸基裝置之間的安全連鎖系統(tǒng)和各項電源指標是否符合上船要求。船上人員與岸基人員按照操作流程和安全生產(chǎn)流程，逐一進行操作、檢測和安全應答，確認后方由岸基裝置將電源送到高壓岸電進線柜。

5.4 ?低壓進線及控制屏

低壓進線及控制屏連接變壓器的次級，將AC400V 電源通過原主配電板主匯流排向船舶電網(wǎng)供電，可提供過載、短路、逆功率、以及接地故障的保護;控制屏設有人機界面，船/岸電網(wǎng)狀態(tài)、參數(shù)、報警等信息均在此集中顯示。可以在此屏上操作岸電與船電的不斷電并車和負荷轉(zhuǎn)移，有效保護船上馬達、風機等線性負載。

6 ? ?船舶高壓岸電系統(tǒng)效用試驗

6.1 ?高壓電纜耐壓試驗

高壓岸電系統(tǒng)安裝完畢后，首先要進行的是高壓岸電的耐壓試驗。對新裝高壓電纜投入運行前， 首先要進行絕緣電阻測量，然后對電纜及其附件進行耐壓試驗，方法如下：

（1）當進行直流電壓耐壓試驗時，如電纜額定電壓U0≤3.6 kV時，耐壓試驗電壓應不小于1.6（2.5U0+2 kV）;如電纜額定電壓U0> 3.6 kV時，耐壓試驗電壓應不小于4.2 U0;試驗電壓應至少保持15分鐘;

（2）當進行交流電壓耐壓試驗時，試驗電壓應不小于電纜的正常工作電壓，并應至少保持24小時。

上述兩種方法任選其一均可，現(xiàn)場多采用直流電壓方法進行電纜耐壓試驗，既可節(jié)省試驗時間，也可驗證電纜防護及絕緣效果。值得注意的是，在試驗完畢后導體應接地一段時間， 以清除電纜上聚集的電荷，然后再進行絕緣電阻測量。

6.2 ? 電纜管理系統(tǒng)功能試驗

本船使用滑環(huán)式電纜絞車用于收放船岸間連接電纜，使電纜在船舶的搖擺和升降過程中自動伸縮并保持拉力恒定。具體方法為：電纜絞車與電動機之間通過磁滯聯(lián)軸器連接，能有效避免超出電纜拉緊限制;電纜絞車可定時預緊，每隔30分鐘自動收緊一次高壓電纜，維持最佳電纜長度，保持張力恒定。

電纜管理系統(tǒng)能夠檢測電纜卷筒上的剩余電纜：當剩余電纜為2圈時發(fā)出預警;當剩余電纜達到1圈時發(fā)出指令切斷高壓電源;當電纜滿盤時切斷絞車電源。

6.3 ? 船岸通信的連接及安保試驗

（1）在岸側(cè)輸入港口岸電系統(tǒng)名稱、IP地址、連接船岸通信系統(tǒng)，建立有效連接;

（2）對船和岸電配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信進行試驗，包括高壓電源的相序檢測、保護設備功能試驗、聯(lián)鎖（岸側(cè)與船側(cè)的安?；芈罚┕δ茉囼灥?

（3）對高壓岸電進線柜空氣開關進行測試，驗證功能及設定值;

（4）對高壓岸電系的自動應急停止、手動應急停止、安全連鎖進行功能測試;

（5）試驗系統(tǒng)的欠壓、過壓、缺相、過流、短路、接地、頻率異常等保護功能，以驗證功能及設定值。

6.4 ?船電與岸電切換試驗

船電切換岸電時，僅限一臺發(fā)電機在網(wǎng)，控制電站負荷小于200 kW。通過岸電控制系統(tǒng)進行短時船電與岸電并網(wǎng)，進行船電與岸電不斷電切換。

岸電切換流程：釋放高壓電纜至碼頭岸電箱→降低船電負荷至200 kW以下，僅限一臺發(fā)電機在網(wǎng)→將高壓插頭插入岸電箱插座→船岸通信建立，系統(tǒng)自動檢測電壓、頻率、相序、等電位→按下合閘按鈕→系統(tǒng)自動執(zhí)行并網(wǎng)、負荷轉(zhuǎn)移、解列發(fā)電機→關閉發(fā)電機，完成岸電切換。

現(xiàn)場試驗時，應關注電源切換至岸電完成后至少有1臺船舶主發(fā)電機處于備機狀態(tài)，此時進行模擬岸電故障試驗，發(fā)電機應自動啟動并連接至配電板。

7 ? ?應用船舶高壓岸電系統(tǒng)注意事項

船舶第一次到達某港口時，在連接岸電之前應進行岸電評估，考慮岸電電壓、頻率、容量和短路兼容性;對短路兼容性的評估不需要進行另外的短路計算，可根據(jù)最初的短路計算結(jié)果初步判斷是否能并網(wǎng)連接岸電，如果岸電容量超出原計算則建議采用斷電方式連接岸電。高壓電纜斷電后，在電線上還存在電荷，岸電使用完畢后還應注意對電纜進行接地放電，防止岸電使用后系統(tǒng)仍帶電存在安全隱患。

8 ? ?結(jié)語

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護的日趨重視，高壓岸電系統(tǒng)將會成為以后船舶的標準配置系統(tǒng)，應用前景廣泛，希望此船的改裝方案能為業(yè)界提供相應的參考。

參考文獻

[1]陳夢，陳剛，王利娟.船舶高壓岸電系統(tǒng)組成及相關短路研究[J].港? ? ? 口科技，2011，8（8）：61-63.

[2]陳彥.神華46000t散貨船船載高壓岸電系統(tǒng)簡述[J].上海船舶運輸科? ? ? 學研究所學報，2014，3（1）：32-34.