碼頭岸電設(shè)施船岸電源切換能力檢測技術(shù)研究

尹宏超 胡文浩 姚琪海

[摘? ? 要]船舶靠港期間主要是利用船舶輔機發(fā)電機組發(fā)電來滿足船舶用電需求，船舶輔機一般是燃燒重油或柴油，在消耗燃油獲得動力的同時，船舶向大氣排放大量的污染性氣體?？扛鄞笆褂冒峨娛且豁椨行У卮按髿馕廴究刂萍夹g(shù)，是“十三五”期間我國重點推廣的港口船舶污染物控制措施，也是水運行業(yè)順應(yīng)國際綠色發(fā)展潮流，實現(xiàn)科學(xué)發(fā)展的具體舉措。多年來，國家和交通運輸部已把船舶岸電作為推動綠色低碳港區(qū)建設(shè)的重點項目，先后發(fā)布了多項岸電建設(shè)及檢測文件，全力推進(jìn)船舶岸電系統(tǒng)建設(shè)。

[關(guān)鍵詞]港口;岸電;變頻電源;無縫并網(wǎng);勵磁涌流;逆功率

[中圖分類號]TM91 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–0–04

Research on Detection Technology of Ship Shore Power

Switching Capability of Wharf Shore Power Facilities

Yin Hong-chao， Hu Wen-hao， Yao Qi-hai

[Abstract]During the ship's berthing， the ship's auxiliary engine generator set is mainly used to generate electricity to meet the ship's power demand. The ship's auxiliary engine generally burns heavy oil or diesel. While consuming fuel to obtain power， the ship emits a large amount of polluting gases to the atmosphere. The use of shore power by berthing ships is an effective ship air pollution control technology. It is a key pollutant control measure for port ships promoted by China during the 13th Five Year Plan period. It is also a specific measure for the water transportation industry to comply with the international green development trend and realize scientific development. Over the years， the state and the Ministry of transport have taken ship shore power as a key project to promote the construction of green and low-carbon port areas， and successively issued a number of shore power construction and testing documents to fully promote the construction of ship shore power system.

[Keywords]port; shore power; variable frequency power supply; seamless grid connection; inrush current; reverse power

1 港口岸電介紹

船舶靠港期間輔機燃燒重油或柴油向大氣排放大量的污染性氣體，其主要成分含二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、有機揮發(fā)物VOC和可吸入顆粒物PM2.5等有害污染物，破壞港區(qū)周圍的生態(tài)環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，港口城市由于?？看爱a(chǎn)生的廢氣排放比其他城市平均多25 %，這些污染性氣體對人類健康和環(huán)境安全構(gòu)成極大威脅。據(jù)不完全統(tǒng)計，港口周邊地區(qū)居民患呼吸系統(tǒng)疾病的比例要比內(nèi)地城市高近10 %。

隨著我國對環(huán)保意識的不斷加強，船舶對我國的環(huán)境污染也越來越引起人們的關(guān)注，建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”的綠色生態(tài)港口得到國家和港口企業(yè)高度重視，船舶?？扛劭诤笸Ｓ么习l(fā)電機改用岸電供電這一減排節(jié)能的重大舉措目前正在我國港口碼頭行業(yè)逐步展開，規(guī)定新建碼頭規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)中包含碼頭船舶岸電設(shè)施內(nèi)容。

2015年交通運輸部印發(fā)《船舶與港口污染防治專項行動實施方案（2015—2020年）》，要求主要港口90 %的鋼制船舶、公務(wù)船舶靠泊使用岸電，50 %的集裝箱、客輪和郵輪專業(yè)化碼頭具備向船舶供應(yīng)岸電的能力。

由于靠港船舶電制不統(tǒng)一，存在400V/50 Hz、440 V/60 Hz、6 kV/50 Hz、6.6 kV/60 Hz等形式，尤其歐美等國家船舶電源頻率多為60 Hz，我國港口電網(wǎng)供電多為6 kV/50 Hz或10 kV/50 Hz，上述電能供需的差異造成了岸電政策推廣的現(xiàn)實技術(shù)問題。為解決上述問題，目前岸電設(shè)施尤其是沿海岸電設(shè)施是指具有變頻變壓功能、與船舶發(fā)電機組無縫并網(wǎng)功能及能量集中管理功能的岸電系統(tǒng)。岸電系統(tǒng)整體分為碼頭岸電電源（岸基設(shè)備）、船岸連接設(shè)備、船載岸電設(shè)施（船基設(shè)備），共三部分。岸基設(shè)備由輸入配電柜、降壓變壓器、變頻設(shè)備、隔離變壓器、輸出計量柜、插座箱及監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1所示。

采用岸電上船有如下優(yōu)點：①船舶靠港后實現(xiàn)廢氣零排放;②由于停用船上發(fā)電機，給港口周邊和船上人員有更好的舒適環(huán)境;③滿足當(dāng)?shù)睾蛧H環(huán)保法規(guī);④由于陸上電源價格與船上發(fā)電電源價格存在較大的價格差，船舶靠港改用岸電供電會產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益，給港口和船東帶來可觀的經(jīng)濟收入。

船岸連接設(shè)備主要包括碼頭前沿的岸電插座箱和船上的電纜管理系統(tǒng)（電纜絞車）;船基設(shè)備主要包括岸電進(jìn)線屏、岸電配電屏。

由于目前港口岸電容量較大，為便于船岸電纜連接方便，多采取高壓上船模式，但大部分船舶電網(wǎng)多為低壓，所以船基岸電設(shè)備除包括岸電進(jìn)線屏、岸電配電屏外，大多還包括一臺大容量降壓變壓器。船基岸電設(shè)備主要實現(xiàn)船岸電纜連接、電壓匹配及船岸電源同期并網(wǎng)切換及負(fù)載轉(zhuǎn)移，如圖2所示。

2 岸電設(shè)施檢測

岸電設(shè)施由碼頭岸電電源、船岸連接裝置、船載岸電裝置三部分組成。2019年6月1日，經(jīng)交通運輸部批準(zhǔn)，交通運輸部水運科學(xué)研究院頒布了JTS 155—2019《碼頭岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》和JTS 155—1—2019《碼頭岸電設(shè)施檢測技術(shù)規(guī)范》，上述標(biāo)準(zhǔn)對碼頭岸電設(shè)施的建設(shè)和檢測進(jìn)行規(guī)范管理。其中檢測規(guī)范提出對陸上岸電設(shè)施的8項檢測內(nèi)容，包括一般性檢查、保護功能檢測、絕緣耐壓和接地檢測、電氣參數(shù)檢測、環(huán)境溫度與噪聲檢測、負(fù)載能力檢測、船岸電源切換檢測、電纜管理裝置檢測。

上述檢測項目中的部分內(nèi)容，如一般檢查、保護功能檢測（部分）、絕緣耐壓和接地檢測、電氣參數(shù)檢測、環(huán)境溫度與噪聲檢測、負(fù)載能力檢測、電纜管理裝置檢測，目前是可以正常開展的，不會受到檢測設(shè)備、技術(shù)及條件影響。但是保護功能檢測中的船岸聯(lián)鎖保護檢測和船岸電源切換檢測兩項重點項目需要船載岸電設(shè)備配合，而實際岸電檢測現(xiàn)場，港方很少有機會提供具有船載岸電設(shè)施的實船配合檢測。主要原因是，現(xiàn)階段加裝船載岸電設(shè)施的船舶較少，且船岸電源并網(wǎng)切換過程中存在逆功率、船側(cè)降壓變壓器勵磁涌流等風(fēng)險，船方配合意愿不高，最終致使上述兩項檢測工作存在具體困難。

3 船岸電源切換關(guān)鍵技術(shù)

由于部分船舶的特殊運行工況，要求船舶靠港接入岸電期間負(fù)載不能斷電，需要岸電設(shè)施具備與船側(cè)電網(wǎng)無縫并網(wǎng)及負(fù)荷轉(zhuǎn)移的功能。目前JTS 155—2019《碼頭岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》推薦采取的是岸電設(shè)施被動并網(wǎng)方式，即由船載岸電設(shè)施同期并網(wǎng)裝置調(diào)節(jié)船側(cè)柴油機組電參數(shù)（頻率、幅值、相位），實現(xiàn)與岸電電源的并車、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、解列等過程，在此過程中存在逆功率、勵磁涌流、并網(wǎng)沖擊等風(fēng)險點，需要岸電電源在船岸電源切換過程中具有穩(wěn)定的性能和應(yīng)對技術(shù)，配合船載岸電系統(tǒng)完成電源切換過程。

逆功率是指在船岸并網(wǎng)過程中，由于船側(cè)柴油發(fā)電機組輸出電壓幅值或者頻率調(diào)節(jié)存在偏差，并網(wǎng)時刻功率輸送至岸電系統(tǒng)的現(xiàn)象。逆功率將導(dǎo)致岸電電源直流母線電壓瞬間增高，如岸電裝置不能立刻將其消耗或者回饋至電網(wǎng)，會造成岸電裝置過壓報警、跳閘甚至損壞功率單元內(nèi)支撐電容，最終導(dǎo)致并網(wǎng)失敗。

目前海港岸電單機容量較大，導(dǎo)致輸出電流較大，為減少船岸連接電纜數(shù)量和線徑，實現(xiàn)船岸連接的便利性，港口岸電多為高壓輸出形式。但是實際較多船舶電網(wǎng)為低壓440 V或者400 V，為此船載岸電裝置中配置有大容量降壓變壓器，在此情況下，碼頭岸電設(shè)施供電過程中會面臨船載變壓器勵磁涌流沖擊或短時沖擊負(fù)荷。

所謂勵磁涌流，即當(dāng)變壓器空載合閘或外部故障排除后電壓恢復(fù)時，由于鐵芯中的磁通不能突變，變壓器的鐵芯將嚴(yán)重飽和，此時在變壓器線圈內(nèi)將出現(xiàn)很大沖擊電流。變壓器勵磁涌流的大小與變壓器鐵芯的飽和程度密切相關(guān)，鐵芯越飽和涌流就越大，勵磁涌流其幅值可以達(dá)到變壓器額定電流的6～8倍。盡管它對變壓器本身沒有直接的危害，但容易造成變壓器繼保裝置的誤動作，并對碼頭岸電電源形成嚴(yán)重的沖擊電流，導(dǎo)致岸電裝置輸出跳閘。特別是大容量變壓器為提高效率，設(shè)計的工作磁通密度很高，這種情況更為嚴(yán)重，容易造成變壓器繼保裝置的誤動作和變頻電源報過流故障等。為此，需要岸電變頻電源具有良好的抗沖擊性能和涌流應(yīng)對技術(shù)，確保變壓器合閘瞬間能夠有效抑制勵磁涌流，船岸電源切換成功。圖3和圖4所示為船岸并網(wǎng)過程中示波器捕捉到的勵磁涌流波形及并網(wǎng)沖擊狀態(tài)。

上述提到的逆功率、勵磁涌流及沖擊負(fù)荷應(yīng)對性能對于碼頭岸電設(shè)施而言，在負(fù)載能力檢測中是無法體現(xiàn)的，只有與具有船載岸電設(shè)施的實船進(jìn)行無縫并網(wǎng)及負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程才能真實反映出其應(yīng)對措施、效果及性能。同時，碼頭岸電設(shè)施檢測過程中也需要船載岸電設(shè)施提供船側(cè)的聯(lián)鎖保護信號來完成整套岸電設(shè)施的聯(lián)鎖保護功能測試，如電纜管理裝置張力報警信號、等電位信號、船側(cè)急停信號、電纜剩余圈數(shù)報警信號等。岸電設(shè)施檢測過程中的實際需求與當(dāng)前具有船載岸電設(shè)施的船舶短缺的現(xiàn)實矛盾，構(gòu)成了岸電檢測過程中模擬船載岸電裝置存在的必要性。

目前岸電設(shè)施檢測過程中，船岸聯(lián)鎖保護多采取短接聯(lián)鎖信號的方式，如圖5所示，短接岸電連接器中P1、P2點，屏蔽船側(cè)聯(lián)鎖保護信號，規(guī)范性較差。

如圖4、圖6、圖7所示，分別是通過電能質(zhì)量分析儀記錄的，岸電電源在船岸電源同期并網(wǎng)瞬間、船側(cè)負(fù)載啟動瞬間及負(fù)載能力測試過程中的突加負(fù)載瞬間岸電電源輸出電壓和電流的瞬態(tài)過程，用以分析計算岸電電源的電壓偏差率、瞬變響應(yīng)恢復(fù)時間等電能質(zhì)量參數(shù)。與圖7記錄的負(fù)載能力測試中的50 %突加負(fù)載相比，圖4、圖6記錄的船岸電源同期并網(wǎng)和船側(cè)負(fù)載啟動過程對岸電電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力考核要加嚴(yán)格，可見通過模擬阻感負(fù)載進(jìn)行的滿載測試、突加突卸測試、1.1倍過載測試無法取代船岸電源切換檢測，負(fù)載能力測試過程無法反應(yīng)岸電電源在船岸并網(wǎng)過程中應(yīng)對逆功率、勵磁涌流、并網(wǎng)沖擊等關(guān)鍵點和難點的性能、控制策略及瞬態(tài)數(shù)據(jù)。

4 電源切換能力檢測技術(shù)

針對碼頭岸電設(shè)施檢測作業(yè)中存在的上述困境，需研發(fā)一套可移動運輸?shù)募b箱式，具有手動/自動船岸并網(wǎng)及負(fù)載轉(zhuǎn)移功能的模擬船載岸電裝置，用于在碼頭岸電設(shè)施檢測作業(yè)中替代實船岸電裝置，配合完成碼頭岸電設(shè)施的聯(lián)鎖保護功能檢測和船岸電源切換檢測，同時用于港方岸電設(shè)施運維人員技術(shù)服務(wù)培訓(xùn)。模擬船載岸電裝置由標(biāo)準(zhǔn)高低壓港口岸電連接器（插頭）、高壓岸電進(jìn)線柜、船載降壓變壓器、岸電并網(wǎng)控制柜（含PPU、PLC控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）、低壓負(fù)載配電柜、船用柴油發(fā)電機組（或電力電子變流器DC/AC）、阻感負(fù)載、儲能裝置等部分組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖8所示。

此裝置并不主要用于JTS 155—1—2019《碼頭岸電設(shè)施檢測技術(shù)規(guī)范》檢測項目中的負(fù)載能力檢測，主要作用包括以下幾個方面。①通過配置標(biāo)準(zhǔn)岸電連接器（插頭），可為碼頭岸電箱提供船側(cè)模擬安全聯(lián)鎖信號，如等電位信號、電纜張力報警信號、船側(cè)急停信號等，用于集裝箱碼頭高壓岸電箱（雙插座）、散貨碼頭高壓岸電箱（單插座）、低壓岸電箱等聯(lián)鎖保護檢測;②通過配置手動/自動同期并網(wǎng)和發(fā)電機保護裝置，實現(xiàn)待檢測碼頭岸電設(shè)施與模擬船側(cè)電網(wǎng)（柴油發(fā)電機組及阻感負(fù)載）的無縫并網(wǎng)及負(fù)載轉(zhuǎn)移性能檢測;③通過配置船載降壓變壓器，實現(xiàn)對待檢測碼頭岸電設(shè)施的勵磁涌流控制功能檢測;④通過此裝置檢測碼頭岸電設(shè)施在船岸并網(wǎng)及負(fù)載轉(zhuǎn)移過程中的逆功率保護性能。

此模擬設(shè)備既可以配合完成碼頭岸電設(shè)施的保護功能檢測和船岸電源切換檢測，增加檢測服務(wù)項目，也可以輔助港方岸電運維人員進(jìn)行岸電操作培訓(xùn)及設(shè)備年檢，由于設(shè)備為可移動集裝箱形式，可以向港方租借，便于在不同泊位移動應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘銀飛，李曉奎，周均怡，等.關(guān)于船舶高壓岸電改裝設(shè)計的探討[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2021（4）：64-68，113.

[2] 余墨多，黃文燾，邰能靈，等.岸電系統(tǒng)短路電流計算與保護配置研究[J].港工技術(shù)，2021（3）：80-84

[3] 劉紅.高壓船舶岸電安全應(yīng)用淺析[J].天津航海，2019（3）：21-23.