交流高壓岸電系統(tǒng)的安全與保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

王 星 昱

（中國船級社上海分社，上海 200135）

0 引 言

交流高壓岸電系統(tǒng)是指船舶靠港期間向船舶供電的設(shè)備，包括船載裝置和岸基裝置，港口向船舶配電系統(tǒng)供電的電源額定電壓在1～15kV之間。

交流高壓岸電系統(tǒng)的應(yīng)用，帶來了幾個(gè)典型的好處。一是減排，避免了船舶靠泊期間采用停泊機(jī)組供電；二是節(jié)約成本，岸電的成本大大小于船舶自身柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電的成本，而且在一些港口也替代了使用低硫燃料的工作，降低了運(yùn)營和管理成本；三是減噪，消除了停泊機(jī)組運(yùn)行的噪聲污染，改善了船員工作環(huán)境[1]；四是節(jié)能，陸地發(fā)電設(shè)備效率高于船舶發(fā)電機(jī)組；五是靈活，可以實(shí)現(xiàn)不斷電轉(zhuǎn)換，也適應(yīng)了船舶大型化和用電負(fù)荷變化的潮流[2]。

本文通過對典型船舶的交流高壓岸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究了該系統(tǒng)的安全與保護(hù)要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基本要求

國際海事組織海洋環(huán)境委員會(huì)于2008年10月提出了一系列船舶減排目標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)劃。國際電工協(xié)會(huì)也結(jié)合歐盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出了靠港船舶接岸電的標(biāo)準(zhǔn)[3]。CCS（中國船級社）在2011年發(fā)布了船舶高壓岸電系統(tǒng)檢驗(yàn)原則，并在《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2013年修改通報(bào)中對交流高壓岸電系統(tǒng)做了規(guī)定。

上述文件對系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備和試驗(yàn)等方面提出了要求。如船舶第一次到達(dá)某港口，在連接岸電之前，應(yīng)對船舶連接岸電進(jìn)行評估，考慮岸電電壓、頻率、容量和短路兼容性[4]。船舶和碼頭間應(yīng)建立等電位連接，并且該連接不應(yīng)改變船舶配電系統(tǒng)的接地原理[5]。

1.2 短路電流評估

短路評估時(shí)，需考慮岸電和船舶電源饋送的預(yù)期短路電流，可采取并網(wǎng)連接轉(zhuǎn)移負(fù)載期間限制運(yùn)行船舶發(fā)電機(jī)組數(shù)量，和/或限制岸電供電電源輸入至船舶配電系統(tǒng)的短路電流的措施，以限制連接岸電時(shí)的預(yù)期短路電流。

目前各大船級社認(rèn)可的短路電流計(jì)算均采用IEC61363標(biāo)準(zhǔn)，但是，當(dāng)船舶連接高壓岸電時(shí)，IEC61363標(biāo)準(zhǔn)所提供的方法已經(jīng)不再適用，這時(shí)需采用陸上電網(wǎng)短路電流計(jì)算通用的IEC60909標(biāo)準(zhǔn)，而采用該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算船舶接入高壓岸電時(shí)的短路電流也已經(jīng)得到了中國船級社的認(rèn)可[6]。

1.3 典型系統(tǒng)

一條5萬dwt散貨船，船舶電制為AC400V，裝卸貨工況下所需功率約為800kW，碼頭電制為AC6000V。高壓上船后經(jīng)變壓器降壓后供船舶使用。采用短時(shí)并聯(lián)的方式轉(zhuǎn)移負(fù)載。系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 高壓岸電系統(tǒng)示意

2 岸基裝置設(shè)計(jì)

岸基裝置主要由碼頭側(cè)變壓器、高壓配電柜、碼頭岸電插座箱及其控制保護(hù)裝置組成。

變壓器在發(fā)生過載、短路、過電壓、欠電壓和逆功時(shí)，變壓器二次側(cè)的斷路器應(yīng)可靠斷開。所以在保護(hù)裝置中設(shè)置了欠壓、逆功、過流、接地故障、過電壓和方向性過流保護(hù)，并將斷路器故障分?jǐn)嗟男盘柊l(fā)送到船上。

高壓配電柜本身設(shè)計(jì)了五防聯(lián)鎖，包括防止誤合分?jǐn)嗦菲?；防止帶?fù)荷拉、合隔離開關(guān)；防止帶電合接地開關(guān)；防止帶接地開關(guān)合斷路器；防止誤入帶電間隙。另外還設(shè)置了應(yīng)急切斷和安全聯(lián)鎖功能。

應(yīng)急切斷包括自動(dòng)切斷和手動(dòng)切斷。根據(jù)規(guī)范的要求在發(fā)生如下情況時(shí)激活自動(dòng)切斷：1) 等電位連接斷開；2) 電纜管理系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號；3) 岸電系統(tǒng)控制盒監(jiān)測線路故障；4) 岸電連接插頭帶電拔出。特別注意的是，在發(fā)生應(yīng)急切斷后，必須人工復(fù)位后斷路器才能再次閉合。

安全聯(lián)鎖除了開關(guān)柜自身的機(jī)械五防聯(lián)鎖外，還設(shè)置了與外部信號的電氣聯(lián)鎖。這些外部信號如等電位連接、岸電供電電源、岸電連接插頭插座的控制極電路、控制監(jiān)測電路、保護(hù)接地系統(tǒng)發(fā)生故障或未建立時(shí)，或者電纜管理系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警、應(yīng)急切斷激活、船上岸電連接配電柜接地開關(guān)閉合時(shí)，都不能閉合或立刻斷開碼頭側(cè)高壓斷路器。隔離開關(guān)在如下幾種情況下也不能閉合：船側(cè)或碼頭側(cè)其中一只接地開關(guān)閉合；船岸間連接線路故障；岸電連接插頭插座的控制極電路未閉合；等電位連接未建立。接地開關(guān)只能在這幾種情況下打開：岸電連接插頭插座的控制極電路閉合，船岸間建立了通訊連接，船岸系統(tǒng)等級協(xié)調(diào)，并且緊急切斷未激活。

碼頭岸電插座箱和船上設(shè)備中的電纜管理系統(tǒng)配套使用，有合適的防護(hù)等級，插座連接便捷可靠，插座設(shè)計(jì)成插接時(shí)PE極先接觸，然后是控制極接觸，最后是主回路三極接觸，分開時(shí)順序相反。

3 船載裝置設(shè)計(jì)

船載裝置包括插頭、岸電電纜和電纜管理系統(tǒng)、岸電連接配電柜、船載變壓器、岸電接入控制屏。這些設(shè)備的特點(diǎn)是：

1）岸電電纜需要經(jīng)常彎曲、移動(dòng)并承受一定的拉力，所以選用乙丙橡膠絕緣、五類導(dǎo)體的電纜，并通過彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證。其長度應(yīng)滿足在潮汐和船舶靠泊工況下足夠連接到岸與船舶之間的連接點(diǎn)；

2）電纜管理系統(tǒng)的功能和安全性能。功能方面，應(yīng)能保持電纜有最佳長度，避免電纜松弛或過緊；配備一種獨(dú)立于控制系統(tǒng)的裝置，用來監(jiān)測電纜最大張力并控制電纜長度；能夠回收和安置電纜；在電纜或?qū)Ь€連接的接線端上排除傳遞機(jī)械應(yīng)力的可能性。安全性能方面，需保證電纜承受的機(jī)械應(yīng)力不超過允許的設(shè)計(jì)值，電纜出現(xiàn)過度拉伸時(shí)，迅速斷開岸電連接斷路器，必要時(shí)從合適的位置斷開電纜避免絞車等設(shè)備的損壞。張力和長度設(shè)置了先預(yù)警后報(bào)警同時(shí)跳閘的安全功能；

3）岸電連接配電柜設(shè)置了保護(hù)裝置。當(dāng)發(fā)生過流、接地故障、過電壓、欠壓、過頻、欠頻時(shí)先預(yù)警后報(bào)警同時(shí)跳閘；當(dāng)發(fā)生短路、逆功、方向性過流時(shí)跳閘并報(bào)警；檢測相序，通過報(bào)警和聯(lián)鎖來保護(hù)相序。該配電柜的安全聯(lián)鎖和應(yīng)急切斷功能設(shè)置與岸基裝置的高壓配電柜相同；

4）船載變壓器在主副繞組間設(shè)置了接地屏蔽；

5）岸電接入控制屏上設(shè)置了同步裝置、雙頻表、雙壓表、電流表、相序表，并限制并網(wǎng)連接轉(zhuǎn)移負(fù)載期間運(yùn)行的船上發(fā)電機(jī)組數(shù)量。

4 等電位連接

由于船舶和碼頭間存在一定的電阻，在發(fā)生接地故障時(shí)，在遠(yuǎn)離故障點(diǎn)的地方也會(huì)產(chǎn)生一定的電位差，存在電擊風(fēng)險(xiǎn)。通過岸電電纜中的一根芯線來建立船舶與碼頭間的等電位連接，保障人身和設(shè)備安全。等電位連接見圖2。

岸電采用的是6kV高阻接地系統(tǒng)，船舶電網(wǎng)采用的是400V不接地系統(tǒng)。高壓岸電上船后通過6kV/400V的降壓變壓器隔離，沒有改變船舶配電系統(tǒng)的接地原理。

另外，降壓變壓器在初級和次級繞組間設(shè)置了接地屏蔽，滿足了CCS鋼規(guī)第4篇第2章第14節(jié)對過電壓保護(hù)的要求。

圖2 等電位連接示意

5 結(jié) 語

由于環(huán)保要求的提高，加之經(jīng)濟(jì)性和靈活性，交流高壓岸電系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

通過對一條典型船舶高壓岸電系統(tǒng)岸基裝置等的具體設(shè)計(jì)，研究了高壓岸電系統(tǒng)的安全與保護(hù)的要求與設(shè)置。特別是在安全聯(lián)鎖方面，通過電氣和機(jī)械聯(lián)鎖的組合，滿足規(guī)范和功能的要求。此外，通過設(shè)計(jì)合適的等電位連接方案，保障人身和設(shè)備安全。

[1] 劉洪波，董志強(qiáng)，林結(jié)慶. 碼頭船用岸電供電系統(tǒng)技術(shù)[J]. 水運(yùn)工程，2011, (9): 181-184.

[2] 黃細(xì)霞，包起帆，葛中雄，等. 典型港口岸電比較及對中國港口岸電的啟示[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保，2009, (4): 2-5.

[3] 陳 夢，陳 剛，王利鵑. 船舶高壓岸電系統(tǒng)組成及相關(guān)短路研究[J]. 港口科技，2011, (8): 61-63.

[4] 中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].

[5] IEC/ISO/IEEE 80005-1 Ed.1 Cold Ironing Part 1: High Voltage Shore Connection (HVSC) Systems- General Requirements [S].

[6] 王正甲，謝立新，萬 芳. 高壓岸電在散貨船上的應(yīng)用研究[J]. 船舶與海洋工程，2012, (4): 41-45.