基于岸基能源的江漢運河船舶電力供給系統(tǒng)設計

，，

(武漢理工大學 a.國家水運安全工程技術研究中心；b.能源與動力工程學院；c.船舶動力工程技術交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430063)

江漢運河自通航以來，50%以上過往船舶的始發(fā)港和目的港均在江漢運河附近，并且船舶通航數(shù)量及貨運量呈快速增長的趨勢[1]。當前，過往江漢運河的船舶大多采用柴油機為主動力，航行過程中產(chǎn)生大量的廢氣和PM顆粒物[2]，同時還會產(chǎn)生油污水、生活污水以及噪聲，對運河的水質及周邊環(huán)境造成了嚴重的影響。

相比采用傳統(tǒng)的柴油機推進系統(tǒng)船舶，岸基能源船舶由于無廢氣排放、機艙設備少，可大大減少船舶帶來的空氣污染、水污染和噪聲污染。在這方面，德國Steffi渡船通過在水面上方架設一根電線，船外殼與水接觸實現(xiàn)電流的回路來為輪渡提供驅動電力[3-4]。這種方式會造成船體電化學腐蝕，降低船舶使用壽命。美國Canby渡輪采用三線制的輸電方式，通過三腳架結構的受電裝置在架空輸電線上滑動摩擦，將接觸線電能傳輸至渡輪[5]。該三腳架結構的受電裝置無法跨越支柱上的接觸網(wǎng)支持裝置，只能在2根岸基支柱之間的架空接觸網(wǎng)段運行，因而不能滿足岸基能源船舶長距離航行的需求。針對以上問題，國內有方案采取在運河上空架設接觸網(wǎng)、在運河船舶上安裝2根集電桿的方式，通過集電桿壓在線網(wǎng)上，使集電頭直接與接觸導線摩擦，進而從接觸網(wǎng)獲取驅動電力[6-7]。該方案在工程化實施的過程中，存在以下不足：①運河船舶的受電裝置采用硬質集電桿設計，當運河船舶航行于水流波動較大的水域時，集電桿的控制機構存在因響應不及時而導致集電頭脫線的問題；②運河船舶船端受電裝置結構復雜，成本較高；③運河船舶啟動時，會出現(xiàn)因負荷突變導致船舶電網(wǎng)電壓波動，易損壞船舶用電設備。

針對上述不足，以一艘江漢運河1 000 t級散貨船為研究對象，構建基于岸基能源的江漢運河船舶電力供給系統(tǒng)配置形式；設計岸基供電系統(tǒng)與受電連接系統(tǒng)，使船舶能夠可靠地接電；設計運河船舶電力系統(tǒng)，為船舶穩(wěn)定航行提供保障。

1 系統(tǒng)構成

系統(tǒng)主要由岸基供電系統(tǒng)、受電連接系統(tǒng)和船舶電力系統(tǒng)3個部分組成，見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成

1)岸基供電系統(tǒng)。主要由發(fā)電站、牽引變電所和岸基接觸網(wǎng)組成。其作用為將區(qū)域電能傳輸至接觸網(wǎng)供岸基能源船舶使用。

2)受電連接系統(tǒng)。主要由碳輪式集電裝置、柔性輸電線、受電線滑槽支架及快速接口與計費裝置組成。其作用是將岸基接觸網(wǎng)的電傳輸至船舶電能管理系統(tǒng)。

3)船舶電力系統(tǒng)。主要由儲能式供電裝置、電能管理系統(tǒng)及電力負載等組成，其中儲能式供電裝置包括超級電容組和動力電池組，作用是將來自岸基的電能以及船載儲能式供電裝置的電能經(jīng)過濾波、變壓、整流等處理，為運河船舶提供穩(wěn)定的電壓和電流，并為船舶用電設備合理分配電能[8]。

2 岸基供電系統(tǒng)設計

2.1 接觸網(wǎng)架設方案設計

岸基供電接觸網(wǎng)的作用是為船舶提供正常航行所需要的電能。該接觸網(wǎng)主要由鋼支柱、腕臂、接觸懸掛等組成[9]，設計方案見圖2。

圖2 接觸網(wǎng)架設方案總體圖

采用鋼支柱承受接觸網(wǎng)的全部負荷并將其傳遞至陸地[10]。腕臂主要由堅固的鋼質圓管制成[11]。

接觸懸掛是安裝于支柱和定位裝置上的線索及其組成的結構的總稱，由承力索、吊弦、吊桿、軌道外殼及接觸導線等組成，見圖3。其作用是將軌道外殼和接觸導線固定于腕臂并懸吊于運河上空。

圖3 接觸懸掛示意

承力索、吊弦與吊桿為主要采用鋼材料制成的連接與承力件，作用是減少軌道外殼和接觸導線的馳度并將其固定于腕臂。其中吊桿采用“爪”形連接件設計，可避免對軌道外殼造成應力集中現(xiàn)象。

軌道式供電裝置由軌道外殼、接觸導線和絕緣材料組成，見圖4。軌道外殼由聚苯醚材料制成，具有強度高、電絕緣性好、密度低的特點。其作用為：①為在其內部鋪設的接觸導線和集電裝置提供支撐；②減少接觸導線的馳度；③采用對稱式鋪設接觸導線設計，使集電裝置在接觸導線上取電時受力均勻；④便于集電裝置的拆卸。2根同極性的裸露接觸導線由純銅材料制成，鋪設于軌道外殼內，作用是供碳輪式集電裝置滑動取電；絕緣材料設置在接觸導線與鋼制外殼之間。軌道式供電裝置配合柔性受電連接裝置使用，使船舶能夠穩(wěn)定接電。

圖4 軌道式供電裝置組成

2.2 接觸網(wǎng)電壓等級選擇

2.2.1 接觸網(wǎng)負載分析

1)運河運行船舶總數(shù)量。由于江漢運河兩端有船閘，運河同時運行的最多船舶數(shù)量為江漢運河船閘滿負荷運行時通過船閘的船舶數(shù)量。江漢運河的主力船型為1 000 t級散貨船，船舶總長為65 m、寬度為12.8 m。船舶在進入或出運河前，必須先通過運河兩端的千噸級船閘(有效尺度為長180 m、寬23 m)，船舶通過船閘所需時間為50 min(約0.83 h)。由船舶和船閘參數(shù)可知，單座千噸級船閘最多可同時容納2艘1 000 t級散貨船。以下按每次開閘進入2艘1 000 t級散貨船計算。

當?shù)谝慌瑥拇l駛出時，第二批船開始進入船閘。船舶在正常航行時的安全船距Z為4～6倍船長，取5倍船長計算、即325 m。則第二批船通過船閘時，第一批船與第二批船之間的最小距離Smin為

Smin=Vt-2L-Z

(1)

式中：V為船舶航速，km/h；L為船舶總長，m。

將表1中數(shù)據(jù)代入式(1)求得S為9 505 m，遠大于安全船距的要求。所以，在運河船閘持續(xù)運行的情況下，長度為67 km的運河中最多同時存在7批14艘1 000 t級散貨船。

2)運河船舶平均用電量。1 000 t級散貨船在江漢運河上的通常航行速度為12 km/h左右，該航速下對應的主機功率約為額定功率的60%、發(fā)電機的功率約為10 kW。單艘運河船舶航速為12 km/h時，所需總功率為318.7 kW。

因此，接觸網(wǎng)的總負載即接觸網(wǎng)為14艘運河船舶提供的總功率。

P=318.7 kW/艘×14艘=4 461.8 kW。

2.2.2 接觸網(wǎng)電壓等級選擇

根據(jù)國家標準(GB50061-2010)《66 kV及以下架空電力線路設計規(guī)范》的規(guī)定，線路電壓為3 kV以下、3～10 kV、35～66 kV的配電線路與通航河流的基本要求為：接觸線至常年最高通航水位最小垂直安全距離均為6 m，距離最高航行水位時的船舶上層建筑的最小垂直安全距離分別為1.0、1.5和2.0 m。江漢運河橋梁的通航凈高為8.5 m，通航凈高大于接觸線安全距離6 m的要求?？蛰d的運河船舶在穿過橋區(qū)時，凈空高度為6.6 m，其上層建筑至高處與接觸線的垂直距離約為1.9 m，滿足規(guī)程3～10 kV安全距離為1.5 m的要求。單向交流輸電線的功率P與電壓U、電流I的關系為

P=UIcosφ

(2)

式中：cosφ為功率因數(shù)，高壓供電線纜的功率因數(shù)取0.9。

由式(2)可求得與不同電壓對應的電流值，見表1。

表1 接觸網(wǎng)電壓與電流信息

由表1可知，線路的電壓值越高，電流越小。當接觸網(wǎng)電壓為6 kV時，電流為826 A，而根據(jù)國家鐵路局發(fā)布的行業(yè)標準(TB/T 2809—2005)《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》規(guī)定，當前銅及銅銀合金接觸線的最大載流量為800 A，故電壓等級為6 kV不滿足條件。當接觸網(wǎng)電壓為7～10 kV時，電流為496～708 A。由于接觸導線的功率損失與電流的二次方呈正比關系，為了減少功率損失，電流選擇較小值。該選擇還有利于減小線纜的橫截面積和降低初期的投資成本。由于接觸網(wǎng)提供的總功率不變，當電流選擇較小值時，電壓應選擇較大值。綜上所述，接觸網(wǎng)電壓選擇10 kV，電流為496 A。

3 受電連接系統(tǒng)設計

受電連接系統(tǒng)由4個部分組成，見圖5。

圖5 受電連接系統(tǒng)

3.1 新型碳輪式集電裝置

新型碳輪式集電裝置的作用為將接觸網(wǎng)上的電能傳導至柔性輸電線船舶。該裝置主要由碳輪、碳輪軸承、中間軸、導線桿、以及拆卸導桿組成。該裝置與軌道式供電裝置裝配見圖6，組成見圖7。

圖6 集電裝置與軌道式供電裝置裝配示意

圖7 新型碳輪式集電裝置示意

其中碳輪的作用為將接觸線網(wǎng)的電流傳至柔性輸電線，同時承受柔性輸電線等的重力。該裝置具體工作過程為：岸基接觸網(wǎng)上的火線與零線分別與碳輪接觸，將電能通過碳輪傳導至碳輪軸承，再由碳輪軸承和中間軸將電能傳輸至導線桿內的柔性輸電線。

3.2 柔性輸電線

新型碳輪式集電裝置和船舶之間采用柔性輸電線設計，作用是將碳輪式集電裝置傳來的電能傳輸至船舶。相比之前的岸基能源船舶設計方案中的硬質集電桿[10]，柔性輸電線的優(yōu)點是受水位、水流波動影響較小。此外，船舶與接觸網(wǎng)采用柔性連接可降低接觸線網(wǎng)對船舶的反作用力，從而減小船舶航行阻力，降低船舶能耗。

3.3 受電線滑槽支架

受電線滑槽支架主要由支架、滑塊及承力掛鉤組成，見圖8。其中支架設置于船舶頂層，可豎直方向調節(jié)高度，以適應航道水位的變化。支架上部開設滑軌，滑軌上配有2個滑塊，每個滑塊上部配有承力掛鉤，2個承力掛鉤分別承載零線和火線的部分重力，以減少柔性線對軌道外殼的受力。2個滑塊之間用一根桿子連接，以使2根輸電線橫向保持一定距離?；瑝K沿滑軌在船舶橫向水平移動，以適應船舶相對接觸網(wǎng)在船舶橫向的偏移。該裝置的作用主要有：①降低水位變化對柔性線及碳輪式集電裝置的影響；②降低船舶偏移過大對柔性線及碳輪式集電裝置的影響；③減小柔性輸電線對接觸網(wǎng)的作用力。

圖8 受電線滑槽支架組成

3.4 快速接口與計費裝置

快速接口與計費裝置的作用：①將受電連接系統(tǒng)的柔性輸電線傳來的電能接入船舶；②實現(xiàn)船舶使用接觸網(wǎng)供電量的度量與計費；③實現(xiàn)運河船舶快速地連接與斷開。該裝置主要由專用插頭與插卡式智能電表組成，其中智能電表由船體的卡槽固定，電表輸出端采用了類似于航空接口的專用插頭，其作用是便于該裝置與船舶快速連接和脫開，見圖9。具體工作過程為：電能通過柔性線進入電表輸入端，然后通過電表輸出端至船舶配電箱。

圖9 快速接口與計費裝置組成示意

如果岸基能源船舶通過不同的電費計費區(qū)域，即跨區(qū)域航行時，可在計費裝置上加設北斗定位模塊，能夠對船舶進行精準定位及監(jiān)控。將北斗定位模塊與智能電表結合能夠精準地實現(xiàn)在不同計費航區(qū)的實時電量計費和繳費。

3.5 集電裝置的拆卸裝置

當船舶出現(xiàn)故障或集電裝置出現(xiàn)故障時，為了不影響航線上其他船舶的正常航行，需要將集電裝置與接觸網(wǎng)脫離。針對新型碳輪式集電裝置設計一種拆卸桿。該拆卸桿頂部開設有六角螺栓孔，與拆卸導桿處的六角螺桿配合使用，見圖10。

圖10 拆卸桿與集電裝置配合

當船舶或者接觸網(wǎng)故障時，通過使用拆卸桿將碳輪式集電裝置拆下，船舶依靠儲能式供電裝置繼續(xù)航行。此外，在拆卸桿頭部增加了“漏斗”型引導設計，便于工作人員安全及快速地進行拆卸操作。

4 供電及電能管理設計

4.1 儲能式供電裝置

儲能式供電裝置由超級電容組和動力電池組構成。超級電容是通過極化電解質來儲能的一種電化學元件，具有超強的大電流放電能力和快速的充放電性能。岸基能源船舶在啟動時需要較大的電流，如果直接從岸基電網(wǎng)供電，會出現(xiàn)因負荷突變導致電網(wǎng)電壓波動。如果采用超級電容供電，不僅可以提供啟動所需要的大電流，而且還可以減緩船舶啟動時負荷突變對電網(wǎng)的影響，增強船舶的制動性能。而當接觸網(wǎng)故障時，則需采用動力電池組為岸基能源船舶提供動力來源。

4.2 電能管理系統(tǒng)

電能管理系統(tǒng)是一個綜合性的運河船舶管理系統(tǒng)，具有管理、監(jiān)測、控制與保護等功能[15]。其作用為：①對來自接觸網(wǎng)、船載儲能式供電裝置的電能進行穩(wěn)壓等處理后，將處理過的電能分配至船舶用電設備；②對電能按照照明用電、動力用電、空調用電及其他用電等分別計量，為船東的電能審計及節(jié)能提供依據(jù)；③合理調配負荷，實現(xiàn)優(yōu)化運行和有效節(jié)約電能。