15 000 t成品油船的高壓岸電系統設計

翁偉達

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司，上海200137)

0 引言

2018年，國家交通運輸部印發《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》，對港口船舶的排放控制區地理范圍、污染物控制范圍、排放控制標準和實施時間、具體要求等提出詳細要求。同時，交通運輸部頒布《深入推進綠色港口建設行動方案(2018—2022年)》，為我國港口向環境友好型的綠色港口轉型做了充分闡釋。

目前，國內船舶停靠港口時大多采用船舶發電機組滿足裝卸貨或生活用電需求，存在噪聲大、經濟性差及環境污染大等缺點。為此，本文以15 000 t成品油船為研究對象，對高壓岸電系統的組成、設備參數、設計要點等方面進行研究。

1 系統組成

船舶高壓岸電系統是指船舶在靠泊期間停用船上發電機，而改用陸地電源供電，以減少廢氣排放的船舶供電方式。該系統適用于額定電源(相間電壓)1 kV以上、15 kV及以下交流供電系統。 船舶高壓岸電系統的典型結構見圖1。

1.1 船載裝置

船載裝置是安裝在船舶上用于連接岸電的設備，一般包括插頭/插座、岸電連接配電柜、高壓變壓器、岸電接入控制屏(通常組合在主配電板內)、岸電電纜和電纜管理系統。

①—港口高壓供電系統(包含變壓器)；②—港口高壓配電柜；

1.2 岸基裝置

岸基裝置是安裝在港口，向船舶提供岸電的設備。該裝置一般包括高壓配電柜、變壓器、變頻器(適用時)和港口岸電插座箱。

1.3 電纜管理系統

典型的電纜管理系統是由電纜絞車、電纜長度或張力自動控制設備和相關儀表組成。船舶通過電纜管理系統收放岸電電纜，與岸上電源進行連接。

1.4 等電位連接

等電位連接是指使導電部件之間電位基本相等的電氣連接。

2 系統設計

2.1 適用規范及附加標志

(1)15 000 t成品油船設計、建造需滿足中國船級社《鋼質海船入級規范》(2018)、中華人民共和國海事局《國內航行海船法定檢驗技術規則》(2011)等現行規范、規則及其修改通報。

(2)該船高壓岸電系統需滿足IEC/ISO/IEEE 80005-1、中國船級社《鋼質海船入級規范》(2018)(第8篇-其他補充規定 第19章-交流高壓岸電系統)等規范要求。

(3)該船應取得CCS船級附加標志：AMPS(Altemative Maritime Power Supply)。

2.2 主要設備參數確認

港口的高壓岸電系統是建造方按照港口需求和國家標準設計建造的，其船載設備必須與其匹配。經過港口方面確認，高壓岸電系統基本參數為：電壓AC6 600 V，頻率50 Hz，電網容量15 MVA。

岸基設備高壓配電柜和岸電插座箱由船東方面協調港口電氣部門進行配套。

該船為國內航行船舶，根據建造規格書要求電制為AC400 V、50 Hz、3相。

船舶停港狀態所需的容量：配置主發電機3臺，額定功率為550 kW；應急兼停泊發電機1臺，額定功率為150 kW；經過電力負荷估算，裝卸貨工況所需功率約為878.42 kW，可使用2臺主發電機組并車運行；船舶停港使用高壓岸電時負載功率約為880.59 kW。因此，使用總功率為1 000 kW的高壓岸電系統可以滿足實際需求。

根據岸基設備電制容量、船舶電制、船舶停港所需功率等，確認高壓變壓器主要電氣參數如下：

初級側電壓AC6 600 V，次級側電壓AC400 V，相數3，頻率50 Hz，容量1 250 kVA(1 000 kW)。

岸電連接配電柜參數如下：電壓AC6 600 V，頻率50 Hz，相數3相。

電纜管理系統參數如下：電壓AC380 V、頻率50 Hz、相數3相。

電纜管理系統高壓電纜電壓等級：6/10 kV。

岸電接入屏參數如下：電壓AC400 V，功率1 000 kW，相數3相。

2.3 設計要求

(1)船舶和港口之間應建立等電位連接，并且該連接不應改變船舶配電系統的接地原理。

(2)高壓岸電和船舶電站之間的負載轉移通過短時并聯方式進行，在主配電板內部的電源管理系統中設置岸電供電模式，保證并聯運行時岸電與發電機組的自動同步和控制負載轉移。

(3)船舶使用高壓岸電期間，至少1臺船舶主發電機處于備機狀態。一旦岸電電源發生故障，船舶發電機應自動啟動并連接至主配電板，船舶功率管理系統應進行實時監控。

(4)當高壓岸電系統出現等電位連接斷開、電纜管理系統報警信號、岸電系統控制和監測線路故障、岸電連接插頭帶電拔出等情況時應自動觸發應急切斷。應急切斷應設置在岸電連接配電柜、電纜絞車操作站、機艙集控室等關鍵位置。

(5)安全聯鎖：在岸電電纜接入船舶主配電板時應滿足IEC 62271-200第5.3條要求的接地開關。當岸電連接斷路器斷開時，接地開關應保持接地。

(6)電纜管理系統：應保證電纜上承受的機械應力不超過允許的設計值；在電纜或導線連接的接線端上排除傳遞機械應力的可能性；電纜出現過度拉伸時迅速斷開岸電連接斷路器。

3 系統設計要點

3.1 設備布置

在前期項目總圖已經固化的背景下，增加一套高壓岸電系統，包括高壓電纜絞車、岸電連接配電柜、高壓配電柜、岸電接入控制屏等設備，設備的外形尺寸、安裝及操作要求需結合實際船舶情況進行核實。設備的布置需協調船東、港口、船級社、總舾專業等各方面，系統高/低壓電力電纜、通訊及控制電纜的敷設路徑需協調生產設計、結構專業等。

根據船東提供的船舶港口泊位、岸基高壓配電柜位置等信息，充分考慮船岸工作人員操作便利性，同時根據電纜絞車廠家提供的設備外形、重量、基座及放纜操作要求進行綜合考慮，最終明確高壓電纜絞車布置在該船尾樓甲板右舷側。

根據高/低壓電氣設備隔離、高壓電纜的敷設要求，在船上單獨設置一間高壓變壓器室，將岸電連接配電柜、高壓變壓器等主要高壓設備集中布置，以減少高壓電纜的敷設長度，避免過多的穿艙路徑，同時也有利于船員對高壓系統設備的操作和監測。

岸電接入控制屏是通過連接高壓變壓器的次級，將 AC400 V電源通過主配電板主匯流排向船舶電網供電。從電源設計角度考慮，最優方案是在主配電板上增加一屏，因為功率管理系統也集成在主配電板中，這樣更加有利于提供過載、短路、逆功率、接地故障保護及岸電供電狀態顯示及監控功能。主配電板設置在船舶集控室內。

高壓岸電系統港口和船舶的主要設備布置見圖2。

1—港口岸電電源箱；2—船舶高壓電纜絞車(含電纜管理

3.2 電纜選型

船岸間高壓岸電電纜應符合IEC 80005-1號出版物附錄A或其他接受的標準的規定。

船岸間高壓岸電電纜布置在高壓電纜絞車上，該電纜具有高柔性和高抗拉的特點。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。

(1)通過計算可以確定高壓動力電纜規格，高壓岸電系統電制為AC6 600 V，1 250 kVA，通過公式=1732cos(為功率；為電壓；為電流；cos為功率因數，cos=0.8)，計算出電流值=109.3 A。查閱電纜樣本發現，3×70 mm高壓電纜在環境溫度45 ℃時,電流載流量為169 A，能滿足使用要求。

(2)接地電纜：接地連接的電流承載能力應不小于其他主連接額定電流。查閱電纜樣本后可知，1×50 mm接地電纜在環境溫度45℃ 時電流載流量為196 A，滿足使用要求。

(3)控制電纜：包含應急停止、等電位監測、接地監測等信號，使用4×2.5 mm的控制電纜。

(4)船岸通訊的信號根據IEC 80005-2中相應要求進行設置，這些通訊內容均可通過多模光纖電纜進行信號傳輸，無線通信方式作為冗余。

最終確認船岸間高壓岸電電纜由3×70 mm高壓動力電纜、1×50 mm接地電纜、4×2.5 mm控制電纜、6F0(62.5/125 μm)通訊光纖電纜組成。

船岸間高壓岸電電纜長度為100 m，其中10 m為電纜絞車上預留安全長度，同時該電纜帶有插頭，并與港口岸電插座箱相匹配。

固定敷設的高壓電纜應符合IEC 60092-353和IEC 60092-354出版物或其他等效的標準的規定。船舶上固定敷設的高壓電纜規格為CYJ86/SC 3×70 mm。

高壓岸電系統船端所需低壓電力電纜、控制電纜及通訊電纜型號依據建造規格書要求進行配置。高壓、低壓岸電系統電纜的部分參數見表1。

表1 高壓、低壓岸電系統電纜的部分參數

3.3 短路電流計算

高壓岸電供電期間，船舶配電系統中任何安裝點的預期短路電流不應超過該點斷路器的短路分斷和接通能力。在采用斷電轉移負載的情況下，岸電容量一般小于船舶電站總容量，因此岸電連接期間系統短路電流不會出現超過船舶配電系統最大短路電流的情況。故短路電流計算主要考慮岸電和一臺發電機組短時并聯進行負載轉移時預期短路電流，參照IEC 60909系列出版物計算方法進行，計算軟件采用ETEP 12.6.0版本。

首先確認港口電網短路容量為15 MVA，高壓變壓器額定容量為1 250 kVA、阻抗為6%，高壓岸電工況總消耗功率為880 kW，等效電動機設定為1 100 kVA。通過系統短路電流單線圖(見圖3)確認岸電變壓器原邊、1號發電機組供電斷路器、AC380 V負載斷路器、AC230 V負載斷路器、應急配電板負載斷路器等作為主要計算點，并收集相應線路電纜長度數據。

圖3 高壓岸電系統短路電流單線圖

通過計算軟件得出短路電流計算數值，計算結果顯示：高壓岸電系統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斷和接通能力，滿足規范要求。

4 結論

(1)15 000 t成品油船在港口進行岸電供應時，高壓岸電系統各個設備正常運行，滿足設計要求。

(2)從環境保護上來看，高壓岸電系統的使用避免了船舶停港時使用發電機組，減少了廢氣排放，滿足了綠色港口的建設需求。

(3)從經濟能效上來看，高壓岸電系統的使用可以合理利用電網的削峰填谷，減少了燃油費用，降低了船東運營成本。