超大型集裝箱船冷箱配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

傅曉紅，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）

超大型集裝箱船冷箱配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

傅曉紅，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）

分析輻射型、內(nèi)環(huán)式和外環(huán)式等3種集裝箱船冷箱配電系統(tǒng)，從可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安裝尺寸等3個(gè)方面闡述每種冷箱配電系統(tǒng)的特點(diǎn)。引入陸用母排技術(shù)的概念，在質(zhì)量、電壓降、熱量損失、短路承受能力及安裝施工等方面對(duì)母排和電纜進(jìn)行比較，對(duì)母排在冷箱配電系統(tǒng)中應(yīng)用的可能性進(jìn)行前瞻性研究。

超大型集裝箱船；冷藏集裝箱；配電系統(tǒng)；母排

0 引 言

近年來(lái)集裝箱船大型化愈演愈烈，從10000TEU[1]發(fā)展到18000TEU，再到現(xiàn)在的21000TEU，中國(guó)、日本和韓國(guó)在超大型集裝箱船的設(shè)計(jì)與建造上各顯其能，訂單量逐年攀升。超大型集裝箱船均裝載有數(shù)量眾多的冷藏集裝箱（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“冷箱”），數(shù)量在1000個(gè)左右。由于需要給數(shù)量龐大的冷箱供電，使得超大型集裝箱船的冷箱配電設(shè)計(jì)成為有別于其他船型的一個(gè)特點(diǎn)，同時(shí)保證冷箱配電系統(tǒng)的安全性和可靠性成為配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

1 超大型集裝箱船冷箱配電系統(tǒng)的型式

目前，國(guó)際上對(duì)冷藏集裝箱的供電通常采用輻射型[2]供電、內(nèi)環(huán)式供電和外環(huán)式供電等3種方式。

1.1 輻射型供電

輻射型供電方式是由中壓配電板直接向冷箱變壓器供電，再經(jīng)冷箱分電箱向冷箱供電。由于其初次投資成本較低，應(yīng)用較為廣泛。輻射型供電的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，易于進(jìn)行故障檢查和維護(hù)保養(yǎng)，目前我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的超大型集裝箱船均采用這種冷箱配電方式。圖1為典型的輻射型供電系統(tǒng)。

1.2 環(huán)形供電

近幾年，冷箱供電開(kāi)始借鑒城市電網(wǎng)供電模式[3]，采用環(huán)形供電方式。環(huán)形供電是把各冷箱變壓器適當(dāng)?shù)亟M合起來(lái)，由中壓配電板左右饋電屏向兩邊供電，形成環(huán)路。環(huán)形供電又可分成內(nèi)環(huán)式供電和外環(huán)式供電2種方式。圖2為典型的內(nèi)環(huán)式供電系統(tǒng)。

采用環(huán)形供電方式時(shí)環(huán)數(shù)根據(jù)冷箱的數(shù)量來(lái)確定。內(nèi)環(huán)式供電系統(tǒng)的冷箱中壓配電板安裝在機(jī)艙內(nèi)專(zhuān)用的中壓設(shè)備艙室里，冷箱變壓器和冷箱分電箱安裝在上甲板下面的通道內(nèi)。受通道內(nèi)空間的限制，每個(gè)冷箱變壓器的容量選擇范圍有限，考慮到變壓器安裝和維修空間，一般選擇的容量在1000kVA左右。

外環(huán)式供電方式采用的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更接近城市供電環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)[4]，環(huán)路中的冷箱中壓環(huán)網(wǎng)柜、冷箱變壓器和冷箱分電箱均安裝在上甲板下面的通道內(nèi)。同樣，受通道空間的限制，冷箱變壓器容量的選擇方法與內(nèi)環(huán)式供電方式相同。此外，由于冷箱中壓環(huán)網(wǎng)柜安裝在通道內(nèi)，為提高人員的安全性，此類(lèi)中壓環(huán)網(wǎng)柜均設(shè)置有吸弧裝置，避免故障時(shí)對(duì)周?chē)藛T造成傷害。外環(huán)式供電系統(tǒng)根據(jù)冷箱的數(shù)量分成單環(huán)、雙環(huán)和多環(huán)供電。圖3為典型的外環(huán)式供電系統(tǒng)。

2 3種冷箱配電方式的比較分析

2.1 可靠性分析

通過(guò)對(duì)輻射型供電、內(nèi)環(huán)式供電和外環(huán)式供電等3種不同的冷箱供電方式的供電可靠性比較，可明顯看出內(nèi)環(huán)式供電和外環(huán)式供電的可靠性要比輻射型供電高。

輻射型供電方式具有簡(jiǎn)明直觀的特點(diǎn)，每個(gè)冷箱都由中壓饋電屏通過(guò)中壓冷箱變壓器、冷箱區(qū)配電板和冷箱分電箱供電，供電的可靠性直接受中壓饋電屏的影響，一旦某種故障致使中壓饋電屏上的斷路器跳閘，就會(huì)使冷箱供電中斷。

環(huán)形供電可彌補(bǔ)上述不足。環(huán)形供電由中壓配電板左、右2個(gè)中壓饋電屏供電，每個(gè)中壓饋電屏的斷路器按100%冷箱負(fù)荷計(jì)算；平時(shí)在環(huán)路的中間斷開(kāi)，冷箱負(fù)荷分別由左、右2個(gè)中壓饋電屏供電；任何一個(gè)中壓饋電屏的斷路器若發(fā)生故障而跳閘，全部冷箱依然可由另一個(gè)中壓饋電屏的斷路器供電，從而提高冷箱供電的可靠性。內(nèi)環(huán)式供電或外環(huán)式供電在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中處于“開(kāi)環(huán)”狀態(tài)，系統(tǒng)保護(hù)功能并不復(fù)雜，發(fā)生單點(diǎn)故障后可自動(dòng)斷開(kāi)故障回路，保證非故障支路正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)供電功能[5]。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

以1400個(gè)40ft冷箱為例。

1 ) 在圖1所示的輻射型供電系統(tǒng)中，1400只集裝箱由中壓配電板經(jīng)6臺(tái)2700kVA的冷箱變壓器直接供電。根據(jù)冷箱的具體布置位置，按照就近配電的原則將2臺(tái)冷箱變壓器安裝在機(jī)艙的變壓器間內(nèi)，將另外4臺(tái)冷箱變壓器安裝在上層建筑下方的變壓器間內(nèi)。

2 ) 在圖2所示的內(nèi)環(huán)式供電系統(tǒng)中，通過(guò)中壓主配電板上的饋電屏及3塊冷箱中壓配電板向18臺(tái)冷箱變壓器（1100kVA）供電。3塊冷箱中壓配電板安裝在機(jī)艙的中壓配電板間內(nèi)，與中壓主配電板放在一起，18臺(tái)冷箱變壓器及冷箱分電箱安裝在上甲板下方兩舷的通道內(nèi)。

3 ) 在圖3所示的外環(huán)式供電系統(tǒng)中，通過(guò)中壓主配電板上的饋電屏及9個(gè)中壓環(huán)網(wǎng)柜向18臺(tái)冷箱變壓器（1100kVA）供電。9個(gè)中壓環(huán)網(wǎng)柜、18臺(tái)冷箱變壓器及冷箱分電箱安裝在上甲板下方兩舷的通道內(nèi)。

表1列出3種供電系統(tǒng)設(shè)備的配置情況。

表1 3種供電系統(tǒng)設(shè)備的配置情況

從配置情況看，3種供電方式的區(qū)別很大，內(nèi)環(huán)式供電和外環(huán)式供電配電板的初次投資成本上升比較明顯，且外環(huán)式供電的初次投資成本最大。但是，由于內(nèi)環(huán)式供電系統(tǒng)和外環(huán)式供電系統(tǒng)中冷箱變壓器、環(huán)網(wǎng)柜及冷箱分電箱就近安裝在上甲板下方的通道內(nèi)，原由冷箱區(qū)配電板到冷箱分電箱的440V低壓電纜中有相當(dāng)一部分變成6.6kV的中壓電纜，載流量降低，低壓電纜敷設(shè)長(zhǎng)度及數(shù)量大大減少，這部分降低的成本也是相當(dāng)可觀的。

2.3 設(shè)備安裝空間分析

對(duì)于輻射型供電系統(tǒng)，除了冷箱分電箱就近安裝在上甲板下方左右舷的通道內(nèi)，冷箱區(qū)配電板和冷箱變壓器均安裝在機(jī)艙或上層建筑下方的變壓器間內(nèi)，這種布置方式較為常見(jiàn)，易于同其他機(jī)艙設(shè)備協(xié)調(diào)安裝位置。

對(duì)于超大型集裝箱船，為在控制船型尺度的同時(shí)載運(yùn)更多的集裝箱，機(jī)艙布局較為緊湊。采用內(nèi)環(huán)式供電系統(tǒng)時(shí)需將冷箱中壓配電板安裝在機(jī)艙內(nèi)，而將冷箱變壓器和冷箱分電箱就近分散安裝在上甲板下方左右舷的通道內(nèi)；外環(huán)供電系統(tǒng)沒(méi)有占用機(jī)艙空間的冷箱中壓配電板，其中壓環(huán)網(wǎng)柜、冷箱變壓器及冷箱分電箱均就近分散布置在上甲板下方左右舷的通道內(nèi)，可為機(jī)艙的布置提供更多可能。但是，這2種方案的設(shè)備布置較為特殊，需在總體布局上進(jìn)行協(xié)調(diào)，這主要是由中壓冷箱配電板、中壓環(huán)網(wǎng)柜和中壓冷箱變壓器的尺寸引起的。表2給出需綜合考慮安裝空間的設(shè)備尺寸。

表2 環(huán)網(wǎng)設(shè)備尺寸

2.4 3種冷箱配電系統(tǒng)分析小結(jié)

目前國(guó)際上應(yīng)用最多的供電方式還是輻射型供電，選擇這種供電方式的主要原因是造船成本相對(duì)較低。與內(nèi)環(huán)式供電系統(tǒng)相比，外環(huán)式供電系統(tǒng)中所有的中壓環(huán)網(wǎng)柜和冷箱變壓器均分散布置在通道內(nèi)，不占用機(jī)艙內(nèi)的空間，且供電冗余度更高。但是，由于中壓環(huán)網(wǎng)柜的價(jià)格較高，目前冷箱數(shù)量較多的船舶多采用內(nèi)環(huán)式供電系統(tǒng)，尤其是冷箱數(shù)量在1000只左右的超大型集裝箱船，只要配置和運(yùn)行得當(dāng)，內(nèi)環(huán)式供電方式可獲得較高的供電可靠性。

3 新型的冷箱配電方式

在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，設(shè)備與設(shè)備之間的電力傳輸主要依靠電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)，不同規(guī)格的電纜承載電流的能力是不同的，對(duì)于電壓等級(jí)相同的電力電纜，截面積越大，載流量就越大?？紤]到電纜施工過(guò)程中允許的彎曲半徑和硬度，一般AC440V電力電纜選用的規(guī)格多為3×95mm2，最大不超過(guò)3×120mm2。超大型集裝箱船載運(yùn)的冷箱數(shù)量多，若考慮成本因素，則優(yōu)先選用輻射型配電系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是初次投資成本比環(huán)形配電系統(tǒng)小，但會(huì)在貫穿全船的通道內(nèi)出現(xiàn)大量冷箱配電電纜，這對(duì)電纜通道的空間提出了更高的要求。

以一艘1000FEU集裝箱船為例，其冷箱配電系統(tǒng)采用輻射型，配置6臺(tái)2200kVA的冷箱變壓器。冷箱變壓器及中壓主配電板分別布置在機(jī)艙中的變壓器間和中壓配電板間。由于冷箱遍及全船，這就意味著采用傳統(tǒng)的輻射型配電系統(tǒng)，會(huì)在兩舷的通道內(nèi)聚集大量的冷箱供電電纜，這必然會(huì)造成電纜通道擁堵。對(duì)于上層建筑和機(jī)艙分別位于船中前部和艉部的“雙島式”船型而言，擁堵問(wèn)題更為嚴(yán)峻。

母排供電是當(dāng)前逐漸受到關(guān)注的一種供電技術(shù)，其在陸用配電系統(tǒng)中的應(yīng)用已相當(dāng)成熟，在大型豪華郵輪的照明配電中應(yīng)用較廣，具有大電流、小尺寸的優(yōu)點(diǎn)。例如，一臺(tái)2200kVA的冷箱變壓器，AC450V側(cè)與冷箱區(qū)配電板之間需要15根3×120mm2的電纜，需要寬度為900mm的電纜托架，而選用4000A的母排需要的安裝寬度僅為566mm。

這里提出以下3種母排替代方案。

1 ) 方案一（S1）：冷箱配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)保持不變，僅將原有的電力電纜替換成母排。

2 ) 方案二（S2）：等容量母排，母排容量由各臺(tái)冷箱變壓器所帶冷箱的數(shù)量確定；在冷箱變壓器的輸出端和末端采用等容量母排，根據(jù)全船1000FEU集裝箱的實(shí)際分布情況計(jì)算，只有4000A和3200A這2種規(guī)格（見(jiàn)圖6）。

3) 方案三（S3）：并聯(lián)母排，母排容量根據(jù)冷箱變壓器所帶冷箱的數(shù)量確定；離冷箱變壓器越遠(yuǎn)，母排容量越低，采用2500A，2000A和1250A等3種規(guī)格。

通過(guò)計(jì)算可得到輻射型供電的方案質(zhì)量、3種母排方案的母排質(zhì)量及各方案質(zhì)量比較結(jié)果（見(jiàn)表3～表5）。由此可見(jiàn)，無(wú)論采用哪種母排方案，都能減少約30%的質(zhì)量，有助于進(jìn)一步降低CO2排放量。

表3 輻射型供電的方案電纜質(zhì)量

表4 3種母排替代方案的母排質(zhì)量

表5 輻射型供電方案與母排方案質(zhì)量比較結(jié)果

此外，母排是標(biāo)準(zhǔn)件，有不同的規(guī)格，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行拼接，安裝便利，特別適用于模塊化施工?？上仍诜侄沃蓄A(yù)裝，在分段合攏時(shí)進(jìn)行拼接，能提高施工工藝的標(biāo)準(zhǔn)化及效率。

圖4～圖6為我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的某海洋平臺(tái)上安裝的母排，安裝過(guò)程簡(jiǎn)單、易于操作，對(duì)施工人員的技術(shù)要求較低。

綜合以上計(jì)算分析，得到輻射型供電用電纜與母排替代方案的特點(diǎn)比較（見(jiàn)表6）。

表6 輻射型供電與母排替代方案的特點(diǎn)比較

由此可見(jiàn)，母排在集裝箱船上應(yīng)用是有前景的。參考母排在陸地和豪華郵輪上的成熟應(yīng)用，考慮到集裝箱船船體在滿(mǎn)載時(shí)相比空載荷有形變的特殊性，在設(shè)計(jì)母排時(shí)也考慮船體振動(dòng)及變形的影響，保證船舶供配電系統(tǒng)能在最?lèi)毫拥暮r下正常運(yùn)作。

4 結(jié) 語(yǔ)

盡管現(xiàn)在超大型集裝箱船冷箱配電系統(tǒng)出于成本考慮，大多采用輻射型供電方式和內(nèi)環(huán)式供電方式，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和制造工藝的日益成熟，必然會(huì)有更經(jīng)濟(jì)、更節(jié)省空間、更安全可靠的配電系統(tǒng)應(yīng)用到冷箱供電系統(tǒng)中。在不久的將來(lái)，外環(huán)式配電和母排的應(yīng)用會(huì)給船舶配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)一場(chǎng)變革。

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[2] 施億生，謝紹惠.船舶電站[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1981.

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Design Analysis on the Power Distribution System for Reefer Containers of Very Large Container Vessel

FU Xiao-hong，XIE Song-qing，ZHOU Yi-long，XIA Jun

（Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China）

This paper analyzes three power distribution systems i.e.radial type, inner-ring type and outer-ring type for the reefer containers onboard containerships, and elaborates the characteristics of each reefer power distribution system from three aspects of reliability, efficiency and installation dimensions.The concept of bus-way technology is introduced, and comparisons between bus-way and cables are made in terms of weight, voltage drop, heat loss, ability to withstand short circuit and installation.It is a prospective study on the feasibility of bus-way application in reefer container power distribution system.

very large container ship; reefer containership; power distribution system; bus-way

U665.1

A

2095-4069 (2017) 04-0056-07

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.012

2016-09-13

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（[2013]173號(hào)）

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