船舶岸電系統(tǒng)研究綜述

李建科 王金全 金偉一 馬濤

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

1 引言

在全球運輸業(yè)務(wù)急劇增長的情況下，海運相比陸地運輸模式有著明顯的優(yōu)勢，得到迅速發(fā)展，這不僅因為其對基礎(chǔ)設(shè)施需求較小，還因為以往海運很少出現(xiàn)交通阻塞，但海運業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展的同時也對環(huán)境污染的控制造成了巨大壓力。船舶靠港時通常采用輔機供電，而輔機在工作時向空氣中大量排放主要成為二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）的污染物，根據(jù)國際海事組織（IMO）發(fā)布的數(shù)據(jù)，全球以柴油為動力的船舶每年向大氣排放 1000萬噸 NOx和850萬噸SOx，造成嚴重污染[1]；同時，船舶使用柴油電機產(chǎn)生的噪聲也會對環(huán)境造成污染。如何減少污染物的排量以改善港口碼頭的空氣質(zhì)量已經(jīng)成為相關(guān)部門亟待解決的問題。如果船舶靠港期間由陸地電源供電而不用柴油發(fā)電機就可有效解決這一問題；同時能源緊缺造成的國際原油價格的不斷攀升也使得靠港船舶使用燃油發(fā)電的成本不斷升高，采用岸電技術(shù)還可降低船舶運行成本，具有極大的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益[2]。

2 船舶岸電技術(shù)簡介

岸電技術(shù)(shore power technology)是指允許裝有特殊設(shè)備的船舶在泊位期間接入碼頭陸地側(cè)的電網(wǎng)，從岸上獲得其水泵、通訊、通風(fēng)、照明和其他設(shè)施所需的電力，從而關(guān)閉自身的柴油發(fā)動機，減少廢氣的排放量[3-5]。

2.1 發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外都已經(jīng)進行了船舶岸電的設(shè)計與研究。國際一些先進港口（主要以美國洛杉磯港為代表）已經(jīng)采用陸地的電源對靠港船舶供電，效果比較好。如美國洛杉磯港，采用岸電系統(tǒng)之后，NOx、SOx和可吸入顆粒的排放量明顯減少，有效地改善了港口的空氣質(zhì)量。2008年，西門子輸配電集團（PTD）推出新型船岸電系統(tǒng)“Siplink”，2009年6月，英國石油美國公司和美國加州長灘港開放了世界上首座配備岸電系統(tǒng)的油輪碼頭。

國內(nèi)船舶岸電技術(shù)研究還處在起步階段。原交通部2004 年4 月頒布《港口經(jīng)營管理規(guī)定》中提到了港口區(qū)域內(nèi)應(yīng)為船舶提供岸電等服務(wù)，為船舶提供岸電將成為綠色生態(tài)型港口發(fā)展的趨勢；2005年上海港開始立項研究船舶岸電技術(shù)；青島港招商局碼頭進行岸電系統(tǒng)改造后，首先應(yīng)用于局內(nèi)支線的船舶上，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，局內(nèi)支線船舶每年將減排913噸CO2、1.15噸SOX、15.3噸NOX，有效地改善了區(qū)域環(huán)境，對促進低環(huán)保事業(yè)的發(fā)展做出了積極的貢獻。

2.2 系統(tǒng)的一般組成

岸電系統(tǒng)由陸地供電系統(tǒng)（提供岸電）和船舶配電系統(tǒng)（接收岸電）組成，如圖1所示。根據(jù)靠港船舶所采用的電壓等級，岸電系統(tǒng)可分為低壓供電和高壓供電兩種類型。

圖1 船舶連接岸電框圖

陸地供電系統(tǒng)主要包括兩部分：

①岸電插座箱：提供連接船舶電纜的接口；

②電纜操作裝置：用于電纜的搬運和裝卸。

相比而言，船舶岸電系統(tǒng)一般包括三部分：

①插座屏：用來連接來自碼頭的電纜；

②轉(zhuǎn)接屏：將來自插座屏的電源饋送至配電箱，該屏還具有檢測相序、功率和電流等參數(shù)顯示的功能；

③配電箱（大中型船舶）：將岸電電源通過主配電板向整個船舶電網(wǎng)供電。

3 幾個關(guān)鍵技術(shù)探討

3.1 系統(tǒng)線制匹配問題[6]

一般大型港口中心電站進線電壓等級選擇110 kV，中型港口選擇35 kV，小型港口選擇10 kV。通常，大中型港口中心電站經(jīng)總降壓變電所降壓至10 kV后配電給碼頭分變電所。我國10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)普遍采用中性點不接地系統(tǒng)，其優(yōu)點為當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時不必切斷10 kV電源側(cè)斷路器，只需發(fā)出故障報警信號，以便在盡可能短的時間內(nèi)排除故障，避免因斷路器跳閘而導(dǎo)致大面積停電。

港口碼頭地區(qū)由于單相用電負荷量大，通常采用三相四線加保護線 TN-C-S低壓供電系統(tǒng)，可直接從系統(tǒng)獲取單相220 V電源，非常經(jīng)濟；但由于船舶交流供電系統(tǒng)對供電可靠性和連續(xù)性要求很高，大都采用三相三線制IT系統(tǒng)供電，因此當船舶靠港時，由于供電系統(tǒng)線制不匹配，不能直接連接岸電電源，必須對陸地供電系統(tǒng)進行改造，既能滿足港口單相照明系統(tǒng)的用電需求，又能向不同線制的船舶供電。

然而，船電采用IT系統(tǒng)，岸電是TN系統(tǒng)，岸電同時以TN系統(tǒng)向其他岸電設(shè)備供電，由岸電TN系統(tǒng)向船舶供電時，不可避免地會出現(xiàn)一些問題，容易引發(fā)電擊、電氣火災(zāi)、設(shè)備絕緣擊穿等安全問題。對于低壓供電系統(tǒng)，若采用圖 2所示的供電系統(tǒng)，經(jīng)變壓器降壓后，既能滿足陸地側(cè)的單相和三相設(shè)備的電力需求，又能滿足低壓船舶系統(tǒng)對電力的需求；對于高壓系統(tǒng)，需要單獨設(shè)置變壓器，將高壓變?yōu)楹线m的電壓向船舶供電。

3.2 相序檢測

三相交流電源的相序?qū)δ承┰O(shè)備有直接的影響，相序不同，三相電動機的轉(zhuǎn)動方向就不同；相序有錯，電度表的計量就不準確[7]。船舶電力系統(tǒng)連接岸電電源時必須保證船電相序與岸電相序相同，否則會影響船舶電氣設(shè)備的正常運行。根據(jù)晶體管的導(dǎo)通和截止條件，文獻[7]介紹了一種基于雙極型晶體管的相序指示器，同時介紹了基于相序指示器的三相電源相序檢測電路和自動矯正電路。通過這種裝置可以判別出岸電和船電的相序，若兩者不一致可進行校正，保證船電與岸電相序的一致性。

圖2 船舶岸電系統(tǒng)圖

3.3 交流岸電電壓穩(wěn)定

負荷的變化可引起電源電壓的變化，導(dǎo)致岸電系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，這種岸電電壓的變化進一步可能導(dǎo)致船舶電氣設(shè)備損壞，特別是控制電源設(shè)備中的控制電源變壓器以及電源模塊容易損壞，因此，如何實現(xiàn)交流岸電電壓穩(wěn)定是系統(tǒng)設(shè)計人員必須考慮的問題之一。通常采用的方案是使用原邊帶多抽頭的有載調(diào)壓變壓器，配上有載分接開關(guān)，通過開關(guān)的分接變換操作，可使變壓器在帶負載條件下改變變壓器線圈匝數(shù)，即改變變比以達到調(diào)壓的目的，這種調(diào)壓方式被稱為有級調(diào)壓方式。文獻[8]推薦了一個經(jīng)濟性較好的方案，即采用自動補償式電力穩(wěn)壓裝置，通過加裝一個相當于原變壓器20%的補償裝置，來完成輸出電壓的補償，以達到輸出電壓穩(wěn)定的目的。同時，該裝置還具有穩(wěn)壓精度高、可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)的優(yōu)點，完全可以滿足船舶電網(wǎng)品質(zhì)要求[8]。

3.4 船舶岸電的電力傳輸方式

岸電系統(tǒng)的電力傳輸方式與碼頭供電電壓、傳輸距離、船舶需求電功率等因數(shù)有關(guān)，根據(jù)不同情況，可選用不同的傳輸方式：

1）直接連接。船舶和岸電采用相同電制時，例如采用變壓器將岸電變?yōu)槿嗳€制IT系統(tǒng)，由碼頭配電裝置直接對船舶提供岸電，這種方式適合于小型船舶且近距離的輸電。

2）駁船電力輸送。對于大型國際性的港口，碼頭空間有限，大型船舶靠港時需處于深水區(qū)，岸電傳輸導(dǎo)線比較長，并且各種型號的船舶所需求的電壓也不同，要求港口針對不同的船舶能提供不同的電壓，為解決這些問題，將電力變換裝置放置于駁船上，通過駁船向靠港船舶供電，以擴充港口空間和降低低壓傳輸電纜的長度。例如中國中海集團的集裝箱船“新?lián)P州”和“新南通”號靠岸時將岸電插塞插在緊靠碼頭的一條裝有相關(guān)連接設(shè)備的駁船上。

3）采用不同的供電電壓。當陸地岸電系統(tǒng)和船舶岸電系統(tǒng)采用不同的電制時，根據(jù)船舶電壓的不同可分為兩類：一是對于低壓船舶系統(tǒng)，陸地岸電經(jīng)過變頻、降壓后，以低壓方式通過連接電纜對船舶供電；二是對于高壓大型集裝箱船舶，陸地電源經(jīng)變頻后以高壓的形式向船舶供電。

3.5 其它問題

船舶在接用岸電的過程中，除了上述主要技術(shù)問題，還存在船舶岸電功率的確定、岸電連接點的選擇、碼頭連接電纜的管理等問題，現(xiàn)代船舶一般都有電力監(jiān)控及保護系統(tǒng)，因此使用岸電供電要做好與船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)兼容的技術(shù)措施。同時，隨著非線性設(shè)備的增多，電網(wǎng)中諧波含量逐漸增加，在接用岸電時有必要對陸地側(cè)的電網(wǎng)進行諧波分析并加以抑制，以免影響船舶所帶電子儀器的靈敏性。

4 系統(tǒng)可靠性分析[9]

港口對岸電系統(tǒng)供電的可靠性要求很高，在設(shè)計船舶岸電系統(tǒng)時要把系統(tǒng)的高可靠性作為設(shè)計的中心環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的可靠性設(shè)計首先是設(shè)備選擇問題，必須選用有可靠的質(zhì)量保證體系的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的經(jīng)相關(guān)檢驗部門認可的設(shè)備；同時，為消除隨機的故障對系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)應(yīng)有必要的備用及應(yīng)急措施，包括備用電源和應(yīng)急電源、備用或應(yīng)急線路、設(shè)備等，保證系統(tǒng)能夠正常運行。

5 設(shè)備防潮技術(shù)

受海邊高溫、高濕、高鹽霧惡劣環(huán)境影響，港口碼頭地區(qū)相對濕度偏高，電氣設(shè)備易受潮及變形，鍍層剝落，海水鹽霧的侵襲、霉菌的生長和油霧及灰塵粘結(jié)，都會使絕緣下降，工作性能受到影響。特別是低壓供電系統(tǒng)不僅回路多、線路長，而且用電設(shè)備多樣，敷設(shè)形式多樣，為了保證供電系統(tǒng)的可靠、安全、連續(xù)運行，要求電氣設(shè)備具有較好的防潮及絕緣性能。

我國港口碼頭電氣設(shè)備大都采用“油封法”或者高防護等級配電柜防潮，但兩者都有局限，前者只能對個別設(shè)備進行防潮，如斷路器，卻不能保護所有的設(shè)備；后者不能完全隔絕潮氣進入柜體內(nèi)部，在工程實踐中，根據(jù)具體情況，一般采用多種防潮方法配合使用，以達到最佳防潮效果。

6 結(jié)束語

船舶岸電技術(shù)可以在船舶靠港期間向船舶提供電能，進而減小船舶輔機帶來的大氣和噪聲等污染，文中分析了船舶岸電技術(shù)的幾個關(guān)鍵技術(shù)并對系統(tǒng)的可靠性進行闡述，對理解系統(tǒng)的工作原理及組成結(jié)構(gòu)有很大的幫助。

[1] 苗鳳娟. 防治到港船舶污染的岸電技術(shù)研究[D]. 上海:上海海事大學(xué),2006.

[2] 周振南. 船舶連接岸電系統(tǒng)簡介[J]. 船舶設(shè)計通訊,2007(2):64～66.

[3] 鄭華耀. 船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)[M]. 大連:大連海事大學(xué)出版社,2004.

[4] 吳志良. 港口供電及自動化系統(tǒng)[M]. 大連:大連海事大學(xué)出版社,2003.

[5] 李學(xué)文, 孫可平. 船舶接用岸電技術(shù)研究[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報,2006,27(3):10～14.

[6] 戴天祥. 船舶電力系統(tǒng)設(shè)計電制的選擇[J]. 船舶設(shè)計技術(shù)交流,2004(1):33～34.

[7] 李建新, 宋永東, 金印彬. 三相電源相序的檢測與自動矯正[J]. 電工技術(shù), 2005(9):97～98.

[8] 楊金成, 徐正喜. 艦船交流岸電電源剖析[J]. 中國造船,2005,46(1):50～54.

[9] 劉俊清. 船舶電氣系統(tǒng)可靠性設(shè)計研究[J]. 湖南交通科技,2005,31(1):104～106.