超大型集裝箱船低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅曉紅，陸士平，謝宋清，周祎隆，夏 駿

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

電氣與自動(dòng)化

超大型集裝箱船低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅曉紅，陸士平，謝宋清，周祎隆，夏 駿

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

隨著集裝箱船的大型化發(fā)展，傳統(tǒng)的 AC220V低壓配電網(wǎng)絡(luò)已不能滿足船舶大型化帶來(lái)的用電需求。針對(duì)低壓配電系統(tǒng)面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的電壓降問(wèn)題，對(duì)超大型集裝箱船低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析，根據(jù)超大型集裝箱船“雙島”船型布局的特點(diǎn)提出一種分布式低壓配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。對(duì)傳統(tǒng)式和分布式2種低壓配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，在減小電纜壓降、緩解電纜通道擁堵和降低人工成本方面進(jìn)行計(jì)算與分析。經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證，分布式低壓配電系統(tǒng)能有效解決電壓降和電纜通道擁堵等問(wèn)題。分布式系統(tǒng)是超大型集裝箱船低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種有效嘗試，可為今后超大型集裝箱船低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

電氣工程；超大型集裝箱船；低壓配電系統(tǒng)；分布式系統(tǒng)

0 引 言

近年來(lái)，集裝箱船大型化、超大型化已成為一種趨勢(shì)，干線集裝箱的大型化為班輪公司帶來(lái)的規(guī)?；б嬷鸩斤@現(xiàn)，越來(lái)越多的航運(yùn)公司開(kāi)始訂購(gòu)裝箱量超過(guò)10000TEU的超大型集裝箱船[1]。我國(guó)目前在建且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超大型集裝箱船的裝箱量為18000TEU，處于開(kāi)發(fā)階段的超大型集裝箱船的裝箱量超過(guò)22000TEU。如此大型的集裝箱船具備載運(yùn)數(shù)量眾多的冷藏集裝箱的能力，電站龐大，配電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜?？紤]到電網(wǎng)的安全性和可靠性，需作對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)深入研究。

1 集裝箱船配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 中小型集裝箱船配電系統(tǒng)分析

考慮到設(shè)備布置及裝貨便利等因素，中小型集裝箱船普遍采用“單島”式構(gòu)造，即上層建筑位于機(jī)艙正上方。從實(shí)船電氣設(shè)備的空間分布情況來(lái)看，主發(fā)電機(jī)組布置在機(jī)艙區(qū)域，AC220V配電板作為主配電板的組成部分與主配電板一起布置在機(jī)艙集控室內(nèi)；上層建筑內(nèi)集中了絕大部分的單相低壓用電設(shè)備和照明設(shè)備，且裝載冷箱的貨艙內(nèi)有局部照明。因此，此類(lèi)集裝箱船的配電系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的“輻射型”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2]（見(jiàn)圖1）。

圖1為某型4800TEU集裝箱船的配電系統(tǒng)單線圖，此類(lèi)配電系統(tǒng)的特點(diǎn)是離主配電板越“遠(yuǎn)”的供電節(jié)點(diǎn)電壓降越大，尤其是 AC220V配電系統(tǒng)的壓降較為明顯。對(duì)于箱位較少、主尺度不大的中小型集裝箱船來(lái)說(shuō)，空間距離造成的“電氣距離”并不大，低壓AC220V配電系統(tǒng)的最大壓降基本上在設(shè)備所能承受的范圍內(nèi)，設(shè)備依然能正常運(yùn)行。極少數(shù)遠(yuǎn)離配電板的設(shè)備（如艏部前桅上的設(shè)備）通過(guò)加大電纜線徑也能明顯減小電壓降幅度，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

“輻射型”配電網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)特點(diǎn)是機(jī)艙與上層建筑之間的電纜通道內(nèi)電纜數(shù)量眾多，所有上層建筑內(nèi)設(shè)備的供電均來(lái)自于機(jī)艙。但是，由于上層建筑在機(jī)艙正上方，電纜通道內(nèi)的擁堵問(wèn)題在“單島”式構(gòu)造的中小型集裝箱船上并不突出。

1.2 超大型集裝箱船低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)絡(luò)

超大型集裝箱船一般設(shè)計(jì)有眾多冷藏集裝箱（一般為1000～1600FEU）箱位，普遍采用“雙島”[3-4]式構(gòu)造及6.6kV/440V/220V 的三級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)，電站容量超過(guò)10MW（見(jiàn)圖2）。

但是，中壓電站及配電系統(tǒng)僅解決了主干電網(wǎng)存在的短路容量過(guò)大和電纜線徑過(guò)粗等問(wèn)題。對(duì)于低壓AC220V配電網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，船舶主尺度不斷增大帶來(lái)的輸配電問(wèn)題更加突出，中壓電站并不能有效解決低壓AC220V配電系統(tǒng)存在的問(wèn)題。尤其是超大型集裝箱船“雙島”式船體構(gòu)造的產(chǎn)生（即上層建筑位于船舶中前部，不再與機(jī)艙垂直布置），使得上層建筑內(nèi)電氣設(shè)備的AC220V電壓降及抗扭箱（貫穿整個(gè)船體的通道）中的電纜擁堵問(wèn)題更為嚴(yán)峻。

為更直觀地反映這種變化，這里給出“雙島”式構(gòu)造的18000TEU集裝箱船的2個(gè)末端負(fù)載的壓降實(shí)例，采用傳統(tǒng)低壓電網(wǎng)架構(gòu)（見(jiàn)表1）。

圖1 傳統(tǒng)“輻射型”配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 傳統(tǒng)三級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表1 傳統(tǒng)低壓電網(wǎng)架構(gòu)下的電壓降

AC220V網(wǎng)絡(luò)的電壓降計(jì)算式[5]為

式(1)中： uΔ為線路百分比電壓降，%；R為電纜 20℃時(shí)的電阻，Ω/km，此處根據(jù)某種電纜樣本，取值20；I為負(fù)載線電流，A；L為電纜長(zhǎng)度，m；S為電纜截面積，mm2。分路電纜內(nèi)流經(jīng)電流1.9A為加權(quán)平均值。

表1中，燈具D為2×40W熒光燈，所在照明分路為9L6，分路實(shí)際載流量為2.78A，上級(jí)饋電裝置為9L照明分電箱，9L照明分電箱與AC220V饋電屏間的電纜長(zhǎng)度為215m，9L照明分電箱的總進(jìn)線電流為77A，燈具D經(jīng)過(guò)9L6分路后通過(guò)9L進(jìn)入集控室的AC220V饋電屏（見(jiàn)圖3）。燈具D與9L分電箱間的電纜長(zhǎng)度為 28m。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計(jì)算得到從AC220V主配電板至燈具 D的總電壓降百分比為9.25%。表1中1號(hào)充放電板的電壓降計(jì)算方法與燈具D相同，該回路總電壓降百分比為11.96%。

圖3 燈具D及充放電板饋電線路

由表1可知，這2項(xiàng)終端負(fù)載的總電壓降數(shù)值偏大，無(wú)法滿足船級(jí)社關(guān)于穩(wěn)態(tài)電壓降≤6%的規(guī)定（各船級(jí)社均有此類(lèi)條款）。因此，若繼續(xù)保持傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不變，則需要修改電纜規(guī)格，加大電纜線徑。以表1中的2個(gè)回路為例，若以≤6%電壓降作為限制條件，則2個(gè)回路的分路電纜線徑必須增大到70mm2和6mm2。當(dāng)然，對(duì)于燈具D所在回路，也可通過(guò)同時(shí)放大總線和分線電纜線徑來(lái)降低壓降。

由此可見(jiàn)，對(duì)于“雙島”式構(gòu)造或舯部以前布置較多低壓電器的船舶，傳統(tǒng)型電網(wǎng)架構(gòu)帶來(lái)的電纜消耗較大，不利于造船成本的控制。此外，“雙島”式超大型集裝箱船的抗扭箱內(nèi)敷設(shè)有輪機(jī)管系和電纜托架，但抗扭箱空間通常設(shè)計(jì)得較為狹窄，電纜托架的布置困難較大，大截面穿艙件開(kāi)孔不易定位，放樣平衡工作量龐大，敷設(shè)電纜作業(yè)制約因素較多。

這里以某型18000TEU集裝箱船為例進(jìn)行分析，其船體橫剖面見(jiàn)圖4。

圖4 某型18000TEU集裝箱船船體橫剖面

該船抗扭箱通道寬2.6m，高約10m，托架燒焊在內(nèi)側(cè)壁上，高低壓電纜分別布設(shè)在不同的導(dǎo)板層上，動(dòng)力電纜與信號(hào)電纜的間隔＞50mm，船廠排線采用多層組合托架形式，托架面寬度為800mm。經(jīng)初步估算，若采用傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)進(jìn)行饋電，則左右兩側(cè)通道內(nèi)有約60000mm2的電纜量，是實(shí)船通道內(nèi)電纜總量的120%（實(shí)船采用分布式配電架構(gòu)）。這無(wú)疑會(huì)給本已困難重重的電纜敷設(shè)工作帶來(lái)更大的壓力，且現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)大截面、長(zhǎng)距離的電纜排布需要更多的人力和物力成本。

1.2.2 分布式低壓配電網(wǎng)絡(luò)

針對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來(lái)的電壓降和電纜擁堵等問(wèn)題，某型“雙島”式18000TEU集裝箱船采用了低壓配電網(wǎng)絡(luò)“分區(qū)饋電”的模式，即分布式配電系統(tǒng)（見(jiàn)圖5）。

與傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)相比，分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最大的不同在于多設(shè)置了2個(gè)主變壓器和1個(gè)AC220V饋電屏。該饋電屏與集控室內(nèi)的主配電板分開(kāi)布置，安放在“前島”（上層建筑）下方的冷箱變壓器室內(nèi)，供電范圍涵蓋“前島”、舯部以前的貨艙及周邊區(qū)域的照明和其他低壓電氣設(shè)備。為保證供電安全，使用 2臺(tái)容量為200kVA的變壓器互為備用，并分別從主配電板1號(hào)AC440V饋電屏和2號(hào)AC440V饋電屏取電，2個(gè)進(jìn)線開(kāi)關(guān)帶機(jī)械聯(lián)鎖。從實(shí)船配電情況來(lái)看，絕大多數(shù)分路電纜長(zhǎng)度的減少量超過(guò)150m，這一變化對(duì)控制電壓降和壓縮電纜長(zhǎng)度均十分有利。這意味著原來(lái)需要從艉部機(jī)艙穿越抗扭箱進(jìn)入“前島”的電纜轉(zhuǎn)變?yōu)橹髋潆姲迮c艏部1號(hào)和2號(hào)主變壓器之間的電纜，抗扭箱內(nèi)的電纜數(shù)量急劇減少，通道擁堵情況得到大幅度改善。

在成本投入方面，變壓器和饋電屏的增加會(huì)使采購(gòu)成本有所上升，但與減少的電纜用量和人工成本相比，低壓配電系統(tǒng)總成本反而會(huì)下降。值得一提的是，采用分布式電網(wǎng)架構(gòu)之后上層建筑及舯部以前貨艙區(qū)域的電壓降問(wèn)題得到了根本上的解決。為便于對(duì)2種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行比較，仍以燈具D和1號(hào)充放電板回路作為研究對(duì)象，采用分布式低壓配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（見(jiàn)表2）。

圖5 分布式低壓配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表2 分布式低壓配電網(wǎng)絡(luò)電壓降計(jì)算

表2中，燈具D的最后分路保持不變，9L照明分電箱改由AC220V艏部配電板取電，總進(jìn)線電流維持77A不變。根據(jù)實(shí)船放樣，在模型空間中得到燈具D與9L之間的距離為28m，9L與AC220V艏部配電板之間的距離為76m，這些電纜長(zhǎng)度已考慮接線預(yù)留量等因素。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，得到從配電板至燈具的總電壓降百分比為3.69%；而1號(hào)充放電板的電壓降百分比為4.63%。這2組數(shù)據(jù)表明，采用分布式配電設(shè)計(jì)后這2個(gè)負(fù)載終端的電壓均能滿足規(guī)范對(duì)配電系統(tǒng)電壓降的要求，可更好地保證設(shè)備正常運(yùn)行。

2 結(jié) 語(yǔ)

目前我國(guó)自主研發(fā)的超大型集裝箱船的裝箱量已超過(guò)20000TEU，綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)等因素，集裝箱船大型化趨勢(shì)日益明顯，配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和創(chuàng)新只有緊跟發(fā)展趨勢(shì)才能為20000TEU以上的巨型集裝箱船提供安全、穩(wěn)定的電力供應(yīng)。環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)和母排供電技術(shù)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用將為集裝箱船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的發(fā)展。

[1] 侯立平. 節(jié)能型集裝箱船型研究[J]. 船舶與海洋工程，2013, 29 (3)∶ 27-29.

[2] 施億生，謝紹惠. 船舶電站[M]. 武漢：長(zhǎng)江船舶設(shè)計(jì)院，1981.

[3] 徐敏，王旌生. 超大型集裝箱船特殊布置結(jié)構(gòu)直接建模計(jì)算評(píng)估法[J]. 船舶與海洋工程，2014, 30 (3)∶ 53-56.

[4] 余建偉，尹遜濱. 9200TEU集裝箱船穩(wěn)性研究[J]. 船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2013 (4)∶ 41-44.

[5] 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司，中國(guó)造船工程學(xué)會(huì). 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（電氣分冊(cè)）[M]. 3版. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

Design of Low Voltage Power Distribution System for Very Large Container Ship

FU Xiao-hong，LU Shi-ping，XIE Song-qing，ZHOU Yi-long，XIA Jun
（Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China）

With the development of large scale container ships, the traditional AC220V low voltage power distribution network can no longer meet the requirements of very large vessel, and the problem of voltage drop is becoming more and more serious. Therefore, technical and economical analysis on the low voltage power distribution of Very Large Container Ship (VLCS) is carried out, and a distributed low voltage power distribution network framework is proposed based on the “twin islands” arrangement of VLCS. Comparison and analysis on the traditional and the distributed low voltage power distributions network frameworks are performed in detail with calculations on the reduction of cable voltage drop, alleviation of cable channel congestion and reduction of manual cost. The trial onboard validates that the distributed type of low voltage power distribution system can effectively solve the problems of voltage drop and cable channel congestion, which could be referred by the subsequent low voltage power distribution system design for VLCS. Key words: electrical engineering; very large container vessel; low voltage power distribution system; distributed system

U674.13+1；U665

A

2095-4069 (2017) 02-0035-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.02.006

2016-01-06

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（工信部聯(lián)裝[2016] 25號(hào)）

傅曉紅，女，高級(jí)工程師，1979年生。2004年上海交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)碩士研究生畢業(yè)，現(xiàn)從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。