低壓船舶岸電供電系統方案研究

馬濤 王金全 金偉一 李建科

（1. 解放軍理工大學工程兵工程學院 南京 210007；2. 駐寧波軍代處，浙江寧波 315020）

1 引言

按現行標準，我國港口碼頭大都采用三相四線加保護線的 TN-S制供電系統，而船舶多以三相三線制IT系統為主[1]。船舶交流供電系統采用的三相三線制IT系統，供電連續性高，當船舶供電系統發生單相接地時，可在短時間內連續供電，但投資較大[2]。港口低壓供電系統采用的是三相四線加保護線的 TN-S系統。投資小但其供電連續性不高。目前國內外港口碼頭多采用 TN-S供電系統做為低壓船舶岸電系統，即將船舶直接接入港口供電系統。但供電可靠性不高。本文提出帶相應高精度絕緣監測裝置的三相四線制 IT系統方案即三相三線制IT系統配出中性線。該系統供電連續性高，且能直接獲得220 V電源供給用電設備。目前三相四線制IT系統在南極觀察站[3]歐洲地區一些公用系統[4]及我國陜西省臨猗縣黃家莊已有應用[5]。

2 船舶岸電系統方案設計

船舶岸電系統設計的目的是既能為船舶提供三相三線制電源又能為港口提供三相四線加保護線電源，提高設備利用率，降低系統運行成本。本小節提出兩種設計方案。

2.1 系統中性點經斷路器接地

船舶岸電系統中性點經斷路器接地，其工作電氣原理圖如圖1所示。系統中性點經低壓斷路器QF4接地，QF3、QF4與QF5互鎖。沒有船舶時，QF4合閘，為港口碼頭提供標準的三相四線加保護線的TN-S系統電源。船舶靠岸時，斷開QF6，解除船舶自帶絕緣監測裝置。QF4分閘，斷開系統中性點接地斷路器，形成中性點浮空的船舶岸電三相四線制IT系統。QF5合閘，對系統進行絕緣監測，QF3合閘，船舶引接IT電源。正常運行時，系統可兼容碼頭負荷和船舶負荷供電；系統發生單線接地故障時，中性點浮空，故障回路電流小，系統能持續運行，通過系統絕緣監測裝置報警，提醒維護管理人員及時處理，可保證系統供電的可靠性和連續性。

2.2 系統中性點經大電阻接地

船舶岸電系統中性點和保護線之間串接大電阻R，即構成中性點經大電阻接地的供電系統，如圖2所示，其中QF3、QF4與QF6互鎖。

系統單獨向碼頭供電時，斷路器QF4合閘，大電阻R被短接，向碼頭提供標準的中性點直接接地的TN-S系統電源。

當系統兼容船舶與碼頭供電時，斷路器 QF3合閘，QF4與 QF6分閘，形成中性點經大電阻接地的三相四線制IT系統。

圖1 變壓器中性點經斷路器接地電氣原理圖

圖2 變壓器中性點經電阻接地電氣原理圖

系統沒有發生單相接地時，電阻R起到抑制中性點漂移的作用；系統發生單相接地時，可以限制接地相的接地電流。正常運行時，系統可兼容碼頭負荷和船用負荷供電；系統發生單線接地時，由于接地大電阻的限流作用，故障回路電流小，系統亦能持續運行，采用接地監測報警裝置，可提醒維護管理人員及時處理，保證系統供電的可靠性和連續性。為了降低系統發生單相接地時設備外殼的對地電壓和流過人體的電流，阻值可取 110 Ω[6]。

3 船舶岸電系統模型建立

船舶岸電三相四線制 IT系統模型如圖 3所示。模型系統中包括理想三相電源、一個一級配電柜、一個連接船舶專用的二級配電柜、一個碼頭專用的二級配電柜，船舶三相負荷、碼頭三相負荷、三個單相純電阻負荷。系統中性點接地方式分兩種，閉合斷路器表示中性點經大電阻接地，斷開斷路器QF表示中性點浮空。

船舶采用岸電所需容量從 kW到MW不等[1，7]。本文選擇船舶供電容量為180 kW，變壓器容量為400 kW；

相關參數為：三相交流電源，線電壓380 V，頻率50 Hz，A相電勢初相角為0°。

船舶三相負荷有功功率180 kW，功率因數為0.8滯后；

碼頭三相負荷分別為100 kW和50 kW且功率因數都是 0.8滯后；碼頭單相負荷每相都為 5 kW；

電纜線路：船舶供電電纜300 m，岸電一二級配電線路150 m，二級配電箱至負荷線路150 m,詳細電纜參數參見表1。

圖3 船舶岸電三相四線制IT系統模型圖

表1 交聯聚氯乙烯電纜線路參數[8，9，10]

根據所選參數設置，建立系統仿真模型如圖4所示。

Source和 Transformer表示電源，ment1～9表示電壓電流測量儀表；Line1～9表示傳輸線路，Load1～6表示負荷，Load7表示110 Ω接地電阻；Breaker0～12表示斷路器，不同的斷路器開斷，表示系統處于不同運行狀態。

4 系統模型仿真分析

船舶接入岸電，船舶獲得電壓（船舶專用配電柜母線相電壓）；船舶斷開岸電，船舶電壓降為零。對船舶接入岸電前后母線電壓（一級配電柜母線相電壓）及船舶電壓變化情況進行仿真，分析中性點浮空或經大電阻接地兩種方式的船舶岸電系統兼容船舶與碼頭供電可行性。

控制斷路器Breaker1和Breaker0可得船舶接入岸電前后系統電壓電流如表2所示。其中中性點浮空或經大電阻接地兩種方式的船舶岸電系統各設備參數基本相同。

由表2可知，船舶接入岸電前后，中性點電壓為零，說明系統中性點不發生偏移；母線電壓降低，且船舶電壓降超過10%，應采用有載調壓措施進行穩壓，或在船舶接入岸電前后，適當調高變壓器輸出電壓，以滿足用電設備供電質量要求。

（1） 斷路器Breaker0斷開，中性點浮空的船舶岸電系統

圖4 船舶岸電三相四線制IT系統仿真模型圖

表2 船舶接入/斷開岸電前后系統參數值

系統中性點浮空，船舶接入/斷開岸電，母線電壓波形如圖 5所示。0.05 s，斷路器 Breaker1閉合，表示船舶接入岸電，母線電壓小幅下降；0.15 s，斷路器Breaker1斷開，表示船舶斷開岸電連接，母線電壓恢復成船舶負荷接入前波形，說明船舶接入/斷開岸電，系統電壓有變化，過渡過程時間短，且不會產生大的沖擊和波形畸變，采取有載調壓變壓器即可實現電壓調節，不影響正常運行。

系統中性點浮空，船舶接入/斷開岸電，船舶電壓波形如圖 6所示。0.05 s，斷路器 Breaker1閉合，表示船舶接入岸電，船舶配電柜母線獲得電源，電壓升高到相電壓，船舶電氣設備能正常運行；0.15 s，斷路器Breaker1斷開，表示船舶斷開岸電連接，船舶電壓逐漸將為零，船舶停止供電。

圖5 船舶接入/斷開岸電母線電壓波形

圖6 船舶連接/斷開岸電船舶電壓波形

因船舶負載為感性負載，而傳輸線路存在對地電容，所以當船舶斷開岸電后，其電壓存在短時振蕩衰減過程。顯然，中性點浮空的船舶岸電系統能兼容船舶與碼頭供電。

（2） 斷路器Breaker0閉合，中性點經大電阻接地的船舶岸電系統

斷路器Breaker0閉合時，船舶接入斷開岸電時母線電壓波形和船舶電壓波形和斷路器Breaker0斷開時情況相似，在此不贅述。

上述仿真分析表明，中性點浮空或經大電阻接地兩種方式的船舶岸電系統均能實現船舶和碼頭同時兼容供電。

5 結語

由于船舶采用的是三相三線制 IT系統供電而港口碼頭多采用三相四線加保護線的 TN-S制供電系統。對于船舶的靠港接用岸電不相互兼容，目前很多港口采用的船舶岸電系統其供電連續性不高，且運行成本較高。本文提出的船舶岸電系統方案能較高效率解決此問題，且供電連續性高，運行成本低，但對于其絕緣監測要求相對較高。

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