低壓船舶岸電供電系統(tǒng)方案研究

馬濤 王金全 金偉一 李建科

（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，浙江寧波 315020）

1 引言

按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)港口碼頭大都采用三相四線加保護(hù)線的 TN-S制供電系統(tǒng)，而船舶多以三相三線制IT系統(tǒng)為主[1]。船舶交流供電系統(tǒng)采用的三相三線制IT系統(tǒng)，供電連續(xù)性高，當(dāng)船舶供電系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，可在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)供電，但投資較大[2]。港口低壓供電系統(tǒng)采用的是三相四線加保護(hù)線的 TN-S系統(tǒng)。投資小但其供電連續(xù)性不高。目前國(guó)內(nèi)外港口碼頭多采用 TN-S供電系統(tǒng)做為低壓船舶岸電系統(tǒng)，即將船舶直接接入港口供電系統(tǒng)。但供電可靠性不高。本文提出帶相應(yīng)高精度絕緣監(jiān)測(cè)裝置的三相四線制 IT系統(tǒng)方案即三相三線制IT系統(tǒng)配出中性線。該系統(tǒng)供電連續(xù)性高，且能直接獲得220 V電源供給用電設(shè)備。目前三相四線制IT系統(tǒng)在南極觀察站[3]歐洲地區(qū)一些公用系統(tǒng)[4]及我國(guó)陜西省臨猗縣黃家莊已有應(yīng)用[5]。

2 船舶岸電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

船舶岸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hù)線電源，提高設(shè)備利用率，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。本小節(jié)提出兩種設(shè)計(jì)方案。

2.1 系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)斷路器接地

船舶岸電系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)斷路器接地，其工作電氣原理圖如圖1所示。系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)低壓斷路器QF4接地，QF3、QF4與QF5互鎖。沒(méi)有船舶時(shí)，QF4合閘，為港口碼頭提供標(biāo)準(zhǔn)的三相四線加保護(hù)線的TN-S系統(tǒng)電源。船舶靠岸時(shí)，斷開(kāi)QF6，解除船舶自帶絕緣監(jiān)測(cè)裝置。QF4分閘，斷開(kāi)系統(tǒng)中性點(diǎn)接地?cái)嗦菲?，形成中性點(diǎn)浮空的船舶岸電三相四線制IT系統(tǒng)。QF5合閘，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)，QF3合閘，船舶引接IT電源。正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可兼容碼頭負(fù)荷和船舶負(fù)荷供電；系統(tǒng)發(fā)生單線接地故障時(shí)，中性點(diǎn)浮空，故障回路電流小，系統(tǒng)能持續(xù)運(yùn)行，通過(guò)系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置報(bào)警，提醒維護(hù)管理人員及時(shí)處理，可保證系統(tǒng)供電的可靠性和連續(xù)性。

2.2 系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地

船舶岸電系統(tǒng)中性點(diǎn)和保護(hù)線之間串接大電阻R，即構(gòu)成中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地的供電系統(tǒng)，如圖2所示，其中QF3、QF4與QF6互鎖。

系統(tǒng)單獨(dú)向碼頭供電時(shí)，斷路器QF4合閘，大電阻R被短接，向碼頭提供標(biāo)準(zhǔn)的中性點(diǎn)直接接地的TN-S系統(tǒng)電源。

當(dāng)系統(tǒng)兼容船舶與碼頭供電時(shí)，斷路器 QF3合閘，QF4與 QF6分閘，形成中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地的三相四線制IT系統(tǒng)。

圖1 變壓器中性點(diǎn)經(jīng)斷路器接地電氣原理圖

圖2 變壓器中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地電氣原理圖

系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生單相接地時(shí)，電阻R起到抑制中性點(diǎn)漂移的作用；系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，可以限制接地相的接地電流。正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可兼容碼頭負(fù)荷和船用負(fù)荷供電；系統(tǒng)發(fā)生單線接地時(shí)，由于接地大電阻的限流作用，故障回路電流小，系統(tǒng)亦能持續(xù)運(yùn)行，采用接地監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，可提醒維護(hù)管理人員及時(shí)處理，保證系統(tǒng)供電的可靠性和連續(xù)性。為了降低系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)設(shè)備外殼的對(duì)地電壓和流過(guò)人體的電流，阻值可取 110 Ω[6]。

3 船舶岸電系統(tǒng)模型建立

船舶岸電三相四線制 IT系統(tǒng)模型如圖 3所示。模型系統(tǒng)中包括理想三相電源、一個(gè)一級(jí)配電柜、一個(gè)連接船舶專(zhuān)用的二級(jí)配電柜、一個(gè)碼頭專(zhuān)用的二級(jí)配電柜，船舶三相負(fù)荷、碼頭三相負(fù)荷、三個(gè)單相純電阻負(fù)荷。系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式分兩種，閉合斷路器表示中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地，斷開(kāi)斷路器QF表示中性點(diǎn)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(guān)參數(shù)為：三相交流電源，線電壓380 V，頻率50 Hz，A相電勢(shì)初相角為0°。

船舶三相負(fù)荷有功功率180 kW，功率因數(shù)為0.8滯后；

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

電纜線路：船舶供電電纜300 m，岸電一二級(jí)配電線路150 m，二級(jí)配電箱至負(fù)荷線路150 m,詳細(xì)電纜參數(shù)參見(jiàn)表1。

圖3 船舶岸電三相四線制IT系統(tǒng)模型圖

表1 交聯(lián)聚氯乙烯電纜線路參數(shù)[8，9，10]

根據(jù)所選參數(shù)設(shè)置，建立系統(tǒng)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(cè)量?jī)x表；Line1～9表示傳輸線路，Load1～6表示負(fù)荷，Load7表示110 Ω接地電阻；Breaker0～12表示斷路器，不同的斷路器開(kāi)斷，表示系統(tǒng)處于不同運(yùn)行狀態(tài)。

4 系統(tǒng)模型仿真分析

船舶接入岸電，船舶獲得電壓（船舶專(zhuān)用配電柜母線相電壓）；船舶斷開(kāi)岸電，船舶電壓降為零。對(duì)船舶接入岸電前后母線電壓（一級(jí)配電柜母線相電壓）及船舶電壓變化情況進(jìn)行仿真，分析中性點(diǎn)浮空或經(jīng)大電阻接地兩種方式的船舶岸電系統(tǒng)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(tǒng)電壓電流如表2所示。其中中性點(diǎn)浮空或經(jīng)大電阻接地兩種方式的船舶岸電系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)基本相同。

由表2可知，船舶接入岸電前后，中性點(diǎn)電壓為零，說(shuō)明系統(tǒng)中性點(diǎn)不發(fā)生偏移；母線電壓降低，且船舶電壓降超過(guò)10%，應(yīng)采用有載調(diào)壓措施進(jìn)行穩(wěn)壓，或在船舶接入岸電前后，適當(dāng)調(diào)高變壓器輸出電壓，以滿(mǎn)足用電設(shè)備供電質(zhì)量要求。

（1） 斷路器Breaker0斷開(kāi)，中性點(diǎn)浮空的船舶岸電系統(tǒng)

圖4 船舶岸電三相四線制IT系統(tǒng)仿真模型圖

表2 船舶接入/斷開(kāi)岸電前后系統(tǒng)參數(shù)值

系統(tǒng)中性點(diǎn)浮空，船舶接入/斷開(kāi)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(kāi)，表示船舶斷開(kāi)岸電連接，母線電壓恢復(fù)成船舶負(fù)荷接入前波形，說(shuō)明船舶接入/斷開(kāi)岸電，系統(tǒng)電壓有變化，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，且不會(huì)產(chǎn)生大的沖擊和波形畸變，采取有載調(diào)壓變壓器即可實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，不影響正常運(yùn)行。

系統(tǒng)中性點(diǎn)浮空，船舶接入/斷開(kāi)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(shè)備能正常運(yùn)行；0.15 s，斷路器Breaker1斷開(kāi)，表示船舶斷開(kāi)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(kāi)岸電母線電壓波形

圖6 船舶連接/斷開(kāi)岸電船舶電壓波形

因船舶負(fù)載為感性負(fù)載，而傳輸線路存在對(duì)地電容，所以當(dāng)船舶斷開(kāi)岸電后，其電壓存在短時(shí)振蕩衰減過(guò)程。顯然，中性點(diǎn)浮空的船舶岸電系統(tǒng)能兼容船舶與碼頭供電。

（2） 斷路器Breaker0閉合，中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地的船舶岸電系統(tǒng)

斷路器Breaker0閉合時(shí)，船舶接入斷開(kāi)岸電時(shí)母線電壓波形和船舶電壓波形和斷路器Breaker0斷開(kāi)時(shí)情況相似，在此不贅述。

上述仿真分析表明，中性點(diǎn)浮空或經(jīng)大電阻接地兩種方式的船舶岸電系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)船舶和碼頭同時(shí)兼容供電。

5 結(jié)語(yǔ)

由于船舶采用的是三相三線制 IT系統(tǒng)供電而港口碼頭多采用三相四線加保護(hù)線的 TN-S制供電系統(tǒng)。對(duì)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(tǒng)其供電連續(xù)性不高，且運(yùn)行成本較高。本文提出的船舶岸電系統(tǒng)方案能較高效率解決此問(wèn)題，且供電連續(xù)性高，運(yùn)行成本低，但對(duì)于其絕緣監(jiān)測(cè)要求相對(duì)較高。

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