中型集裝箱船配電網電壓等級選擇

周祎隆,夏駿,傅曉紅

(中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011)

為實現正確且快速地選擇中型集裝箱電壓等級,以某實船為例,從實際情況出發,結合多種電壓等級的配電方案進行全面的技術和經濟分析,論證出基于不同容量范圍所對應的電壓等級選擇方案。

1 配電系統電壓等級選擇依據

對于船舶電力系統,常選擇低壓AC 440V,AC 690 V或高壓AC 6600 V作為電力系統額定電壓[1-2]。在中型集裝箱的設計過程中,必須遵循入籍船級社的規范要求,根據實船電站容量、配電網絡架構、配電設備布置空間和短路電流的大小,并參照所選擇的配電板、斷路器及保護裝置制造廠家的產品技術參數,在綜合考慮所有限制約束條件后,最終明確配電系統的電壓等級。

1.1 斷路器性能限制因素

決定配電系統在船上應用的關鍵因素是預期流過相關電路的短路電流大小;用在配電系統中的斷路器的分斷能力和額定接通能力必須與預期的短路電流相適應。

不同船級社對配電系統中用于短路保護的斷路器有不同的要求;中國船級社要求重要設備的有關電路的斷路器其額定運行短路分斷能力(Ics)不低于該斷路器安裝點的預期對稱短路電流(均方根值);而其他國外船級社則要求在配電板主匯流排由匯流排連接裝置(BUS-TIE SWITCH)分成兩部分的情況下,同意接受斷路器的極限分斷能力(Icu)不低于該斷路器安裝點的預期對稱短路電流(均方根);此外,所有可能在短路情況下接通的斷路器或開關其額定接通能力(Icm)應不低于其安裝點的預期短路電流的最大峰值。

在交流低壓配電系統中發電機的保護一般采用空氣斷路器(air circuit breaker,ACB),單臺發電機的額定工作電流和其出線端的預期短路電流大小,會受到空氣斷路器性能的限制。目前主流的船用斷路器制造商生產的空氣斷路器主要性能技術參數見表1。

表1 各品牌空氣斷路器性能指標

以施耐德品牌為例,空氣斷路器的最大框架電流為6 300 A,但實際使用時考慮到斷路器溫升以后會降低容量,空氣斷路器的最大保護整定值只能設置在5 700 A。對于AC 440 V的低壓配電系統而言,單臺發電機的最大輸出功率不能超過3 500 kW。

1.2 匯流排容量限制因素

為保證船舶配電系統能夠安全穩定的運行,SOLAS規范在Part D,Sec41,4中明確要求,如果船舶推進必需依靠主電源時,當主發電機組的總裝機功率超過3 MW,則主匯流排應至少分成2段,通常應由可拆裝的連接件或其他認可的裝置加以連接,并應盡實際可能將各發電機組和其他雙套設備均等地連接在各分段上。

決定配電板匯流排容量除需要考慮系統預期的短路電流以外,還有匯流排連接斷路器或裝置允許的額定工作電流。對于大容量的低壓配電系統來說匯流排連接斷路器或裝置大多采用空氣斷路器。以施耐德公司制造的具有經過完全型式認可的MB301型船用低壓配電板為例,選擇單水平銅母排,考慮環境溫度為45℃的情況下,配電板的匯流排技術參數見表2。

表2 施耐德單水平銅母排性能指標

依據表2中數據,如果考慮AC 440 V電力系統,全船發電機組對稱安裝在匯流排左右屏上,總發電機組的最大輸出功率不要超過8 MW,并且要求在設計時盡量使得匯流排左右屏上負載均衡,以降低流過母聯斷路器和匯流排上不同分段的最大電流值。

當電站總容量超過8 MW,為滿足配電板電動應力和熱應力的要求,可以設計雙母聯斷路器的雙水平銅母排。仍以施耐德公司的MB301型船用低壓配電板為例,選擇雙水平銅母排,考慮環境溫度為45℃的情況下,配電板的匯流排技術參數見表3。

表3 施耐德雙水平銅母排性能指標

依據表3中數據,仍然考慮AC 440 V電力系統,全船發電機組對稱安裝在匯流排左右屏上,總發電機組的最大輸出功率不要超過10 MW,并且要求將艏側推的聯絡開關調整至匯流排連接斷路器旁,在設計時根據實際使用工況盡量使得匯流排左右屏上負載均衡,以降低流過母聯斷路器和匯流排上不同分段的最大電流值。

2 低壓配電系統容量極限

對于載運800～1 000只冷藏集裝箱的6 000～7 000 TEU中型集裝箱船來說,通常采用4臺交流發電機組作為主電站,在滿足船用負荷使用且發電機組負荷率不超過90%的情況下,船舶電站總功率可選擇為10 MW。

2.1 AC 440 V低壓配電系統

如果電力系統使用AC 440 V的電壓等級,其主匯流排預期交流短路對稱分量有效值估算如下。

(1)

根據計算結果可知,配電系統的預期短路電流達到100.2 kA,以此可預估預期短路電流最大峰值將達到300 kA左右,已經接近各品牌空氣斷路器的額定接通能力的極限值。

以大連船舶重工集團建造的6 600 TEU集裝箱為例,該船配置4臺AC450 V,2 500 kW發電機組,經計算,4臺發電機出線端短路點對稱短路電流和峰值短路電流分別為94.2和272.4 kA,艏側推饋電端短路點對稱短路電流和峰值短路電流分別為112.3和328.3 kA,與估算結果基本一致。

2.2 AC 690 V低壓配電系統

如果電力系統使用AC 690 V的電壓等級,按照式(1)計算其主匯流排預期交流短路對稱分量有效值為65.4 kA。雖然發電機額定電流降低,主匯流排短路電流下降。但是受到空氣斷路器極限分斷能力的限制,空氣斷路器極限分斷能力不超過100 kA及額定接通能力不超過220 kA,在保證整個配電系統供電可靠性和安全性的前提下,整體電站容量增加并不突出。考慮匯流排水平母排容量最大不超過7 300 A、電站選擇AC 690 V電制最大容量不超過14 MW。

目前國內設計的多型電站容量在9～12 MW科考公務船,采用的是AC 690 V低壓配電系統。

3 高低壓配電系統比較

選擇AC 6 600 V高壓交流電力系統也是當中型集裝箱船電站容量處于AC 440V電壓等級臨界值時的一種解決方案。高壓電力系統可以大大減小短路電流的水平,降低配電系統對斷路器及保護裝置分斷能力的要求[4]。而且短路電流的顯著降低,對斷路器短路耐受能力要求也相應降低。為選擇更為合理的設計方案,必須從技術和經濟性對AC 690 V和AC 6 600 V 2種電壓等級的系統進行全面比較論證。

3.1 高低壓配電系統拓撲差異

以某型7 000 TEU“雙島”型集裝箱船為例,全船電站由4臺2 500 kW、4 009.5 A柴油發電機組組成,其艏側推電機功率為2 500 kW。此電站容量如果電力系統采用AC 690 V電壓等級,按照輻射型的690 V/440 V/220 V三級配電網絡架構進行設計[5],具體電力單線見圖1。

圖1 交流690 V電力系統單線圖

若采用AC 6 600 V電壓等級,調整發電機的輸出電壓等級,其他按照輻射型的6 600 V/440 V/220 V三級配電網絡架構進行設計。通過對比可知,高低壓配電系統差異主要有:①為減少至艏側推電機的電纜數量及其敷設工作量,在AC 690 V配電系統中使用了AC 690/6 600 V的升壓變壓器與艏側推起動器連接;②為滿足高壓岸電的接入需求,在AC 690 V配電系統中使用了AC 6 600/690 V的降壓變壓器與主配電板岸電接入屏連接。兩種方案具體配電板控制屏、發電機組、變壓器、電源設備進出線電纜配置和實際布置差異對比見表4～7。

表4 兩種配電系統配電板對比

表5 兩種配電系統變壓器對比

表6 兩種配電系統電纜對比

表7 高低壓配電系統布置差異 mm

3.2 高低壓配電系統重量和價格差異

根據表4～7高低配電系統設備配置的區別,對兩種電力系統在前期設計中尤為關注的設備重量和價格因素進行比較分析,具體見表8、9。

表8 高低壓配電系統重量差異 t

表9 高低壓配電系統價格差異 萬元

結合表8～9可知,對于7 000 TEU集裝箱,選擇低壓AC 690 V配電系統初投資成本和設備尺寸重量比使用高壓AC 6 600 V配電系統都有所增加。從經濟性和控制空船重量角度而言,并沒有達到預期的目標。所以,AC 690 V電壓等級并不適合當電站容量達到或超過了低壓AC 440 V配電系統的限制時選擇使用。

4 結論

1)當電站容量小于8 MW時,選擇AC 440 V低壓配電系統、配電板選用單水平銅母排的成熟方案,即可滿足電力系統需求;當電站容量接近10 MW時,選擇AC 440 V低壓配電系統、配電板需選用雙水平銅母排的方案,并在前期設計過程中,需要重點關注對兩段匯流排進行合理負荷分配以及艏側推接入匯流排安裝點的選擇;當電站容量大于10 MW時,選擇AC 6 600 V高壓配電系統更為適宜,而且對于港口高壓岸電的接入使用也比低壓系統更為便利。

2)當電站容量大于10 MW時,如果仍想采用低壓配電系統達到經濟性的目標,則首先應該采取措施降低系統預期產生的短路電流。在滿足船級社規范限制和船東實際使用要求,并保證不降低整個配電系統供電安全可靠性的前提下,今后的設計應關注采取系統控制比較復雜的分區供電形式對系統中并聯運行的發電機數量進行限制。