13 360 TEU集裝箱船電氣系統(tǒng)設計

杜學鵬

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海200240;2.南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通226005)

南通中遠川崎船舶工程有限公司承接了中遠集運股份有限公司8艘13 360 TEU集裝箱船，詳細設計由日本川崎重工和南通中遠川崎船舶工程有限公司聯(lián)合完成，入ABS船級，掛香港旗。

該船為超大型集裝箱船，居住區(qū)在船中部，配置冷藏集裝箱插座1 008個，采用中壓配電系統(tǒng)并安裝了岸電接入系統(tǒng)(AMP)。需要在電氣系統(tǒng)設計中對配電網絡結構、AMP系統(tǒng)型式與布置以及中壓電氣系統(tǒng)保護等方面進行特別考慮和研究［1-3］。

1 配電系統(tǒng)

1.1 電制

該船采用AC6 600 V/60 Hz/3PH為主電源，低壓電源有AC440 V/60 Hz、AC220 V/60 Hz和DC24 V。

1.2 電源

該船配置5臺AC6 600 V、60 Hz、3 PH中壓發(fā)電機組，其中2臺較大的容量為3 000 kW，另外3臺較小的容量為2 500 kW。AC6 600 V電源直接供電給2臺功率較大的艏、艉側推進器馬達，同時通過8臺1 300 kVA、6 600/450 V配電變壓器變壓后向冷藏集裝箱插座供電，另通過2臺4 200 kVA、6 600/450 V配電變壓器變壓后向船內其它設備正常供電。

配置了1臺AC450 V、60 Hz、3 PH的應急發(fā)電機，額定功率為350 kW，供給船上應急負荷。

該船另配置了岸電接入系統(tǒng)(AMP)，可直接從岸上接入AC6 600 V電源至船上的中壓配電盤，以盡量少開船上的柴油發(fā)電機，減少排放、保護環(huán)境。

1.3 配電網絡

高壓主配電盤分2段母排，3臺2 500 kW容量的主發(fā)電機向1號主母排供電，2臺3 000 kW容量的主發(fā)電機向2號主母排供電。艏側推功率較大，達2 700 kW，從1號主母排供電;艉側推功率稍小，為1 070 kW，從2號主母排供電;普通低壓負荷和冷藏箱插座平均對稱從1、2號母排通過AC6 600/440 V變壓器供電。這樣，2個主母排上的負荷大致上與所供電的發(fā)電機容量成比例分配。岸電接入系統(tǒng)在舵機室設置1個AC6.6 kV接入屏，岸電通過此屏引至高壓主配電盤的2號主母排。2個高壓主母排間的連接真空開關在正常供電時處于閉合狀態(tài)。

低壓主配電盤布置在機艙集控室，分2段母排，分別從中壓主配電盤的2個主母排供電，然后給船上普通低壓負荷供電。低壓主配電盤2個母排間的連接空氣開關在正常供電時處于斷開狀態(tài)，當某臺主變壓器發(fā)生故障時，此空氣開關可閉合以保證重要設備的連續(xù)供電，提高電氣系統(tǒng)的冗余度。

另外，由于考慮駕駛室視野問題，本船的居住區(qū)在船中部，與機艙相距較遠，所以為機艙和居住區(qū)分別配置AC440/220的變壓器。

2 船舶岸電接入系統(tǒng)設計

船舶岸電接入系統(tǒng)(alternative marine power supply，AMP)，用于船舶?？扛劭跁r從岸上接入電源供船舶設備使用，避免使用船舶柴油發(fā)電機。

AMP系統(tǒng)的配置要基于港口電源的情況及當?shù)卣囊?，多由船東提出要求后考慮。

AMP系統(tǒng)配置情況有多種選擇，根據電纜卷筒的位置不同，可分為shore-based和ship-based;根據固定方式，可以分為mobile、fixed和bargemounted type(僅針對shore-based);電壓等級不同也有區(qū)分，基本上是6.6 kV和450 V。

該船配置的是ship-based fixed type電纜卷筒，設置了2個電纜卷筒，分別布置在船舶艉部的左右舷，方便船舶無論是左舷靠岸還是右舷靠岸都能夠方便地接入岸電。根據船舶的吃水和電纜卷筒的布置位置高度，卷筒電纜選擇35 m。AC6 600 V電源通過電纜卷筒接至舵機室內的中壓岸電屏，然后饋電至中壓主配電盤。岸電接入功率按5 400 kW考慮，相關的電纜和保護裝置據此選型。在舵機室內分別為左右舷電纜卷筒配置控制屏，以電力控制卷筒電纜的收放。

AMP系統(tǒng)構成見圖1。

圖1 AMP系統(tǒng)

3 中壓配電系統(tǒng)的中性點接地保護設計

該船電力消耗巨大，出于對技術合理性和經濟性方面的考慮，采用AC6 600 V的中壓配電系統(tǒng)。由于電壓等級的提高，設備和人員安全問題愈加突出，需要在設計時進行特別的考慮。

傳統(tǒng)的船舶低壓電力系統(tǒng)采用中性點不接地方式，即中性點絕緣。此種方式工藝簡單、經濟，發(fā)生單相故障時的供電可靠性也高。但當一相接地時，非故障相的對地電壓升高，以及發(fā)生弧光接地時也會造成電壓升高，這些過電壓會對設備的絕緣造成威脅，在中高壓配電系統(tǒng)中很少采用。該船采用高阻抗接地方式，基本原理見圖2。

這種接地方式在兩各主母排上分別設置接地變壓器，通過接地變壓器二次側電阻檢測出接地電流。單相接地故障時的接地電流可以通過ET二次測電阻進行調節(jié)，可以獲得選擇性保護，切斷故障回路。各饋電回路設置接地方向繼電器，防止因各回路對地電容電流引起繼電器誤動作。此種方式在保持供電連續(xù)性的同時，可以在一定程度上抑制單相接地故障時的異常電壓。

圖2 高電阻接地方式

4 冷藏集裝箱插座、貨艙風機及貨艙區(qū)域照明的供電網絡

4.1 冷藏集裝箱插座供電網絡

該船共配置了1 008個冷藏集裝箱插座，分布從2號貨艙到10號貨艙(共10個貨艙)，均布置在甲板上。插座數(shù)量多、分布廣，如何合理設計其供電網絡和布置，直接影響到供電的連續(xù)性和船廠的經濟成本。

由于冷藏集裝箱插座數(shù)量多、電力消耗巨大，為其設計單獨的配電網絡。為降低單個回路故障時的影響范圍及考慮配電電纜的成本，該船采用分區(qū)域多輻射回路供電網絡。從中壓主配電盤引出8路電源通過AC6 600/450 V、1 300 kVA變壓器供給8個冷藏箱饋電屏，左右舷各4個，對稱布置。從8個冷藏箱饋電屏在配電給若干個冷藏箱分配電板，這些分配電板也是左右舷對稱布置，各自覆蓋一定區(qū)域。同時每個饋電屏和分配電板均是雙母排供電，在單一故障情況下，可避免某局部區(qū)域的冷藏集裝箱全部失電。配電網絡簡圖見圖3。

圖3 冷藏集裝箱插座配電網絡

4.2 貨艙風機及貨艙區(qū)域照明的供電網絡

該船共有10個貨艙，每個貨艙大約有2～4個風機。如果單獨為每個風機供電的話，配電電纜的數(shù)量將會很多，施工量大且成本較高。故設計時將貨艙風機的供電分成2組，居住區(qū)前面的4個貨艙組成1組，從居住區(qū)內送出1路總電源至4號貨艙處組合啟動器。一方面給4號貨艙的風機供電;另一方面配電至3號貨艙的組合啟動器，依次類推，逐級配電，直至1號貨艙的風機。另外6個貨艙組成1組，從機艙內的配電盤送出1路總電源至9號貨艙處組合啟動器，一方面給9號貨艙的風機供電;另一方面配電至8號和10號貨艙的組合啟動器，8號貨艙啟動器再逐級配電，直至5號貨艙的風機。為保證單一故障不影響某個貨艙完全失去通風，每個組合啟動器均設置2個主母排，分別給貨艙左右側的風機供電。

關于貨艙內和綁扎橋上照明配電，和貨艙風機具有類似的特點，故同樣設計兩組供電方式。考慮配電輻射的區(qū)域相同，該船將此用途的照明分配電板和上述的貨艙風機組合啟動器設計成一體式，減少了電氣屏的數(shù)量，便于布置和施工。

5 結論

該13 360 TEU集裝箱船由于電站容量龐大，采用了6 600 V中壓配電系統(tǒng)，由于電壓的升高，電氣安全方面需要特別考慮，采用高阻抗接地方式，既能保證供電連續(xù)性，又能在一定程度上抑制單相接地故障時的異常電壓。針對龐大的配電網絡，設計合適的網絡結構，即兼顧配電安全和穩(wěn)定性，又可最大程度地降低造船成本。該船的電氣系統(tǒng)設計方案圖紙得到ABS船級社和船東的認可，順利進入生產建造階段。

大型集裝箱船由于具有規(guī)模優(yōu)勢，能夠降低單箱運營成本、提高經濟效益，受到越來越多的船東的青睞。此次設計過程中積累的寶貴經驗可為今后設計同類型船舶或具有類似特點的船舶提供參考。

［1］彭傳圣.靠港集裝箱船岸電技術的應用［J］.集裝箱化，2011(8):21-24.

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

［3］王 鵬.船舶中壓電力系統(tǒng)中性點接地方式研究［J］.船舶，2007(3):49-54.