大型集裝箱船高壓岸電系統(tǒng)的設計與應用

蘆 寧， 胡建君， 陳迪秋

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化系統(tǒng)事業(yè)部， 上海 200135)

0 引 言

近年來，隨著全球氣候變暖和環(huán)境污染等問題日益嚴峻，綠色航運和綠色港口相關(guān)技術(shù)得到越來越多的關(guān)注。與以往的低壓岸電相比，高壓岸電系統(tǒng)(HVSC)能在為船舶提供更多電量的同時使用更少的電纜。以集裝箱船為例，高壓岸電系統(tǒng)使用6.6 kV供電電壓，2根岸電電纜可為船舶提供7.5 MVA的岸電容量，足以滿足該集裝箱船靠港期間的電力需求。同時，由于在使用岸電時船舶所有副機都停止工作，能有效減少廢氣排放對港區(qū)環(huán)境的破壞。

隨著高壓岸電技術(shù)不斷成熟、設備逐步完善，在國家有關(guān)政策的支持下，越來越多的中大型船舶計劃安裝或加裝高壓岸電系統(tǒng)。在該背景下，上海船舶運輸科學研究所牽頭研制國內(nèi)首套適用于大型集裝箱船的高壓岸電系統(tǒng)，并將其加裝在某大型集裝箱船上。

本文主要介紹該系統(tǒng)各組成部分的主要功能和技術(shù)特點，并以洋山港接電測試為例，闡述其操作流程和注意事項。

1 系統(tǒng)設計

高壓岸電系統(tǒng)是指供電電壓在1～15 kV的岸電系統(tǒng)，對于集裝箱船高壓岸電系統(tǒng)的設計,主要參考IEC/ISO/IEEE 80005-1及其附件四的相關(guān)內(nèi)容。

岸電系統(tǒng)可分為岸基供電系統(tǒng)和船載受電系統(tǒng)，其中：岸基供電系統(tǒng)通過變壓器和變頻裝置(若需要)等部件將岸上的電源轉(zhuǎn)換成標準規(guī)定的電壓和頻率，并通過標準的插座將其提供給船舶使用；船載受電系統(tǒng)通過岸電高壓電纜和標準的插座將岸電連接至船舶配電系統(tǒng)。

集裝箱船的高壓岸電系統(tǒng)主要包括電纜管理系統(tǒng)、岸電連接屏、岸電變壓器(若需要)、岸電接入屏和岸電控制系統(tǒng)等，可按照安裝方式分為固定式和移動式2種。在固定式安裝方式下，所有設備都安裝在甲板上或艙室內(nèi)(見圖1)；在移動式安裝方式下，部分主要設備(如電纜管理系統(tǒng)、岸電連接屏和岸電變壓器等)集中安裝在一個集裝箱內(nèi)，當船舶靠泊需使用岸電時，可臨時吊上船舶使用(見圖2)。本文主要對船端固定式高壓岸電系統(tǒng)進行分析。

船舶岸電切換有全船斷電切換和自動同步不斷電切換2種方式，其中：在全船斷電切換方式中，通過斷開船舶發(fā)電機供電，連接岸電，完成船電到岸電的切換，這種方式操作簡單，但在切換過程中會影響船上用電設備的正常工作；在自動同步不斷電切換方式中，自動同步設備首先將船電與岸電同步，然后將負載轉(zhuǎn)移至岸電(靠港)或船電(離港)，轉(zhuǎn)換過程中船舶不斷電，不影響船上各用電設備的正常工作，這種方式會提高系統(tǒng)的復雜度。

應用本文所述高壓岸電系統(tǒng)的目標船為某大型集裝箱船，該船在設計時考慮到高壓岸電系統(tǒng)的安裝需求，預留有電纜管理系統(tǒng)、岸電連接屏和岸電接入屏等設備的安裝空間。該船配備4臺高壓發(fā)電機組，電壓為6.6 kV/60 Hz，單臺發(fā)電機組的功率為3 800 kW。高壓岸電系統(tǒng)的設計功率為6 400 kW，足以滿足該船靠港時對用電功率的需求。由于該船的主配電板為高壓配電板，故不需要安裝變壓器。表1和表2為該系統(tǒng)的主要設備和參數(shù)。圖3為設計并應用于該集裝箱船上的固定式高壓岸電系統(tǒng)的原理示意。

表1 系統(tǒng)主要設備

2 岸電系統(tǒng)設備設計

2.1 電纜管理系統(tǒng)

電纜管理系統(tǒng)起到連接船端和岸端供配電的作用，是實現(xiàn)電力傳輸?shù)闹匾O備[1]。電纜管理系統(tǒng)由電纜卷車(含集電器、動力驅(qū)動裝置、卷盤、導纜架、液力傳動裝置、 復合電纜和快速插頭等)及其控制系統(tǒng)組成。為適應海洋環(huán)境，電纜卷筒、導纜架和控制箱等均采用316不銹鋼制造，并噴涂相應的漆面防止銹蝕，整體防護等級達到IP56。高壓電纜卷車主體結(jié)構(gòu)和實物圖分別見圖4和圖5。

表2 岸電系統(tǒng)供電參數(shù)

圖3 船載固定式高壓岸電系統(tǒng)原理示意

設計的電纜管理系統(tǒng)應具有電纜手動和自動收放、電纜恒張力控制、電纜剩余圈數(shù)報警和保護及應急切斷等功能，以滿足安全性需求。

1) 電纜手動和自動收放功能。手動操作模式為定速控制模式，實現(xiàn)電纜勻速收放；自動操作模式為扭矩控制模式，根據(jù)張力的大小實現(xiàn)電纜自動調(diào)節(jié)。

2) 電纜恒張力控制。在使用過程中能自動調(diào)節(jié)電纜的張緊度，無論何種因素導致船體高低位置發(fā)生變化，電纜的張力保持恒定，有效保護電纜。

3) 電纜剩余圈數(shù)報警和保護功能。當電纜釋放過度，卷車上電纜的剩余圈數(shù)小于等于設定報警值時，電纜管理系統(tǒng)發(fā)出聲光報警；當卷車上電纜的剩余圈數(shù)小于等于設置保護值時，電纜管理系統(tǒng)立即發(fā)出分閘指令。

4) 應急切斷：在電纜管理系統(tǒng)操作處所設置應急切斷裝置，用于在緊急情況下切斷岸基供電電源。

高壓岸電電纜采用特殊的電纜，每根電纜包含3根185 mm2動力線、1根95 mm2接地線、6根2.5 mm2控制線纜和6根通信光纖。在選擇電纜長度時，需充分考慮卷車所在的甲板層到碼頭岸電箱的高度和距離，并留有相應的余量。

自主設計和制造的高壓岸電船用高壓插頭(見圖6)滿足IEC 62613-2的相關(guān)要求，最高電壓7.2 kV，最大電流350 A。

圖6 高壓岸電船用高壓插頭

2.2 岸電連接配電板

岸電連接配電板是金屬鎧裝的開關(guān)中置式高壓開關(guān)柜，用于連接兩舷的岸電電纜管理系統(tǒng)，向高壓主配電板供電。該裝置的設計符合IEC 62271—200的要求，具有岸電相序、電壓、電流和頻率等參數(shù)檢查功能，以及數(shù)字式繼電保護、船岸等電位連接保護、手動應急切斷和安全聯(lián)鎖等功能。岸電連接配電板設計為3屏，分別為左舷岸電連接屏、右舷岸電連接屏和岸電供電屏，圖7和圖8分別為岸電連接配電板單線圖和實物圖。

圖7 岸電連接配電板單線圖

圖8 岸電連接配電板實物圖

在岸電連接配電板中，左舷岸電連接屏的電氣原理和器件布局設計與右舷岸電連接屏相同，岸電連接屏上安裝有真空斷路器、繼電保護裝置、電壓互感器、電流互感器和接地開關(guān)等，面板上安裝有電壓表、電流表、頻率表、相序表、電度表、分合閘按鈕指示燈、蜂鳴器、消音按鈕、加熱指示、DC 110 V 電源指示、等電位故障指示、等電位故障復位按鈕、電流轉(zhuǎn)換開關(guān)、電壓/頻率轉(zhuǎn)換開關(guān)、帶電顯示裝置和緊急停止按鈕等。岸電連接屏面板布置圖見圖9。

2.3 岸電接入屏

岸電接入屏安裝在高壓主配電板上，也是金屬鎧裝的開關(guān)中置式高壓開關(guān)柜，用來將岸電電源接入主母排，具有岸電相序、電壓、電流、頻率及用電量等參數(shù)的檢查和測量功能，以及數(shù)字式繼電保護、安全聯(lián)鎖、斷電切換和手動應急切斷等功能。

圖9 岸電連接屏面板布置圖

岸電接入屏面板上安裝有電流表、電壓表、頻率表、相序表、電度表、分合閘開關(guān)、指示燈組和選擇開關(guān)等。屏體內(nèi)部安裝有電壓互感器、電流互感器、真空斷路器、繼電保護裝置和接地開關(guān)等。岸電接入屏單線圖見圖10。

由于岸電接入屏為實船預留加裝設計，因此需充分考慮諸多因素，包括：面板元器件的布置和設計風格盡量與原船相契合以符合船員的使用習慣；重要器件的選型滿足船級社規(guī)范的要求并持有相應證書；充分考慮安裝的適應性和便利性、內(nèi)部元器件布置的靈活規(guī)范性，以便于安裝、維修和更換等。岸電接入屏面板布置圖見圖11。

岸電接入屏的保護功能包括過流保護、過壓保護、欠壓保護、過頻保護、欠頻保護、逆功保護和接地故障保護等。相關(guān)的保護策略和參數(shù)都是根據(jù)實船的相關(guān)應用數(shù)據(jù)、參數(shù)和保護要求，經(jīng)過嚴格的計算和測試得到的。

按照設計方案設計的高壓岸電接入屏在外觀、結(jié)構(gòu)、功能和性能等方面均滿足實船應用需求，使用效果良好。

2.4 高壓岸電控制系統(tǒng)

高壓岸電控制系統(tǒng)主要用來實現(xiàn)高壓岸電應用過程中的自動控制和監(jiān)控，其核心硬件主要是可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)和數(shù)據(jù)采集處理模塊，通過軟件實現(xiàn)相應的控制算法，使系統(tǒng)具有以下功能。

1) 測量和指示船載發(fā)電機組及岸電電源的電壓、頻率和功率等狀態(tài)信息；

2) “一鍵靠港”和“一鍵離港”控制，自動進行船、岸電力系統(tǒng)并網(wǎng)和負載轉(zhuǎn)移；

3) 手動進行船、岸電力系統(tǒng)并網(wǎng)和負載轉(zhuǎn)移；

4) 手動進行船舶發(fā)電機組間的并網(wǎng)和負載轉(zhuǎn)移；

5) 指示岸電系統(tǒng)運的行狀態(tài)和報警狀態(tài)；

6) 指示船舶發(fā)電機組的運行狀態(tài)和報警狀態(tài)。

7) 手動緊急切除岸電電源；

8) 船岸通信，滿足IEC/IEEE 80005-2的要求。

岸電控制系統(tǒng)控制器的核心是控制軟件，在軟件設計上按照功能劃分，采用模塊化設計方式，有利于軟件的需求分析、分工合作和后期集成測試等。高壓岸電控制系統(tǒng)軟件組成架構(gòu)見圖12。

岸電控制系統(tǒng)可根據(jù)實船情況進行安裝，若為新造船，一般安裝在主配點板內(nèi)。為滿足船舶加裝岸電系統(tǒng)的需求，提高控制系統(tǒng)安裝的通用性和靈活性，將岸電控制系統(tǒng)設計為獨立控制柜形式。岸電控制屏面板上安裝有電壓、頻率等二次儀表，以及狀態(tài)指示和報警燈組、操作旋鈕和開關(guān)等，內(nèi)部安裝有電源、控制繼電器、變送器和PLC等器件。岸電控制屏面板布置圖見圖13。

3 高壓岸電系統(tǒng)實船供電試驗

為檢驗該高壓岸電系統(tǒng)在某大型集裝箱船上加裝的成功性，于2017年4月4日在洋山深水港冠東碼頭對該船進行6.6 kV高壓岸電實船供電試驗。試驗中，岸電系統(tǒng)持續(xù)供電16 h，最大供電功率為1.5 MW。對于相關(guān)高壓岸電設備的實船安裝施工，可參考劉峰等[2]給出的方法。

3.1 高壓岸電系統(tǒng)的供電操作流程

該供電試驗由上海船舶運輸科學研究所高壓岸電系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)人員與碼頭方岸電供電服務工程師共同完成。圖14為高壓岸電系統(tǒng)供電試驗場景和試驗記錄。由于是第一次在該碼頭進行岸電試接工作，雙方就該船的高壓岸電系統(tǒng)和碼頭供電系統(tǒng)的基本情況進行了初步溝通，在確定供電的電壓、頻率、船舶需求功率和安全回路等信息無誤之后，開始接電相關(guān)工作，具體步驟如下。

3.1.1 船電轉(zhuǎn)岸電

3.1.1.1 切換之前的檢查

檢查岸電連接屏中的VCB(Vacuum Circuit Breaker)是否均處于搖出狀態(tài)，接地開關(guān)是否可靠接地。配合碼頭工程師對安全回路進行測試，確認碼頭側(cè)開關(guān)位于搖出位置，接地開關(guān)可靠接地。

圖14 高壓岸電系統(tǒng)供電試驗和場景試驗記錄

3.1.1.2 岸電電纜插頭與岸端岸電箱連接

打開電纜卷車防護門，放下導纜架，用遙控器操作卷盤旋轉(zhuǎn)，慢慢放下電纜至岸上。待相關(guān)人員完成電纜插頭與插座箱的連接和電纜的固定之后，將控制模式切換為“自動模式”。圖15為高壓岸電電纜連接場景。

圖15 高壓岸電電纜連接場景

3.1.1.3 緊急切斷測試

在供電之前，必須對岸電系統(tǒng)的緊急切斷功能進行測試。船端技術(shù)人員配合岸端服務工程師分別按下位于電纜卷車、岸電連接屏、岸電接入屏和岸電控制系統(tǒng)等部位的緊急切斷按鈕，在岸端確認緊急切斷有效之后，進入下一階段。

3.1.1.4 岸端供電和檢查

將岸電供電側(cè)(左舷/右舷)對應的接地開關(guān)斷開，并將開關(guān)置于工作位置，通知碼頭供電。在岸電連接屏上檢查岸電相序、電壓和頻率等參數(shù)的取值是否正確，若無問題，操作開關(guān)合閘。圖16為岸電連接屏岸電參數(shù)顯示。

3.1.1.5 使用岸電

船電切換至岸電有斷電切換和不斷電切換2種模式，此次測試采用不斷電切換模式。不斷電切換模式又分為手動模式和自動模式2種，均通過岸電與船電同步并網(wǎng)實現(xiàn)。圖17為在岸電控制屏上切換岸電場景。

在操作之前先確認當前只有1臺發(fā)電機在工作，然后將主配電板上的發(fā)電機控制模式切換為手動模式，并檢查岸電接入屏上“允許合閘”燈是否已點亮。

1) 在手動模式下，岸電與發(fā)電機的同步過程基本上與2臺發(fā)電機組之間的手動同步過程相同，但只有船舶發(fā)電機輸出頻率可調(diào)節(jié)，操作規(guī)則可參考船舶發(fā)電機組手動同步操作規(guī)則。

2) 在自動模式下，整個轉(zhuǎn)換過程可通過按下岸電控制系統(tǒng)上的按鍵完成。岸電管理系統(tǒng)自動進行岸電與船電并網(wǎng)、負載轉(zhuǎn)移、發(fā)電機開關(guān)斷開和停機等一系列操作。岸電與船電并網(wǎng)和負載轉(zhuǎn)移的時間應盡量短，系統(tǒng)參數(shù)可設置，若在到達規(guī)定時間之后仍未完成負載轉(zhuǎn)移，岸電控制系統(tǒng)將自動切除岸電電源。

3.1.2 岸電轉(zhuǎn)船電

在由岸電切換至船電之前，確保船舶用電負荷少于1臺發(fā)電機組額定負荷的80%，并啟動1臺發(fā)電機組。與船電轉(zhuǎn)岸電相同，“手動模式”和”自動模式”均完成同步測試；在負載轉(zhuǎn)移完成之后，切除岸電，轉(zhuǎn)為船用發(fā)電機供電，整個過程中船舶供電未中斷。隨后按照以下步驟完成岸電系統(tǒng)的復位工作:

1) 在得到岸電操作人員確認的情況下，用急停按鈕斷開岸端VCB；

2) 岸電操作人員將岸電電纜插頭與岸電箱分離；

3) 遙控操作電纜卷車收回岸電電纜，待電纜完全收回之后，收回導纜架，并關(guān)閉防護門。

3.2 注意事項

在岸電測試過程中，需特別注意以下要點:

1) 在連接岸電之前，必須做好相關(guān)準備工作，且在整個操作過程中需有2位專業(yè)人員相互監(jiān)督；

2) 船端負責人確保與岸端人員充分溝通，在保證船舶用電設備安全的前提下，在獲得輪機長的確認之后，方可轉(zhuǎn)換岸電；

3) 在采用岸電供電時，應嚴格控制船舶用電負荷，避免出現(xiàn)過載情況[3]，且有一臺發(fā)電機始終處于備用狀態(tài)；

4) 在采用岸電供電時，應有人員值班，定時檢查甲板上和機艙內(nèi)的岸電設備，尤其重點檢查電纜卷車及其管理系統(tǒng)、電纜張力控制是否正常；

5) 在恢復船舶供電之后，仔細檢查高壓岸電設備，確保其恢復到相關(guān)狀態(tài)，并可供下次使用。

4 結(jié) 語

在高壓岸電系統(tǒng)運行測試的16 h內(nèi)，有效節(jié)省燃油3.3 t，減少CO2、SOx和NOx等氣體排放10 t，減少了噪聲污染，達到了預期的效果。該高壓岸電系統(tǒng)的實船試驗成功驗證了系統(tǒng)和設備設計的合理性，顯著提高了經(jīng)濟效益，響應了國家治理環(huán)境污染的目標，對提高超大型集裝箱船關(guān)鍵設備的國產(chǎn)化水平具有積極意義。