大型集裝箱船冷藏集裝箱分區(qū)配電網絡研究

楊海建，李永鵬

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

0 引言

隨著世界集裝箱運輸業(yè)的快速發(fā)展，為了適應各種不同類型貨物運輸?shù)男枰?，出現(xiàn)了許多種類的集裝箱，其中冷藏集裝箱就是專門為運送有溫度要求的貨物而特殊設計的集裝箱。冷藏集裝箱具有一定隔熱性能，能保持一定低溫要求，適用于各類貨物冷藏貯運而進行特殊設計的集裝箱[1]。冷藏集裝箱貨物對運輸質量要求越嚴格，運輸產品的附加值越高。在冷藏貨物的運輸全過程中，運輸距離最遠又最難管理的就是航運這個環(huán)節(jié)[2]。為了提高航運企業(yè)競爭力，減少貨差貨損，就要不斷提高運輸質量，這就對船舶冷藏集裝箱的運輸質量、設備配置及管理水平提出了新的挑戰(zhàn)。

為了將冷藏集裝箱內的溫度維持在特定的范圍之內，絕大多數(shù)的制冷裝置都需要動力電源，需要船內電站為其提供電力。而冷藏集裝箱在船舶運輸過程中，船內電站不僅要給冷藏集裝箱供電，還要給全船其他電氣設備供電。船上配電線路和環(huán)節(jié)眾多，冷藏集裝箱制冷裝置供電一旦中斷，致使制冷裝置不能正常工作，造成貨損貨差，進而造成巨大的經濟損失。雖然目前大多數(shù)自動化程度較高的船舶都配置冷藏集裝箱的工況監(jiān)測系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)測冷藏集裝箱內的溫度，并可通過船員定期巡檢發(fā)現(xiàn)異常，但是如果冷藏集裝箱配電系統(tǒng)在設計之初缺乏必要的冗余度的話，即使發(fā)現(xiàn)斷電故障點，受限于冷藏集裝箱供電電源插座的布置位置、配電回路容量及實船工作環(huán)境條件等，可能在航運過程中不能及時有效地恢復冷藏集裝箱的供電，所以在新船配電網絡系統(tǒng)設計階段就要予以重視和考慮，最大限度地保證供電的連續(xù)性，降低因船內局部供電中斷導致大量冷藏集裝箱不能正常工作的風險。

針對上述問題，本文結合國內某首制2萬箱級超大型集裝箱船冷藏集裝箱布置特點，分別對分區(qū)配電網絡理念、配電系統(tǒng)供電方式、電源變壓器配置、饋電屏設置、饋電屏內電源斷路器框架值決定、冷藏集裝箱電源插座供電分電板設置等方面進行研究，詳細分析整個分區(qū)配電網絡系統(tǒng)設計中的關鍵技術和計算方法，為今后同類型船舶的冷藏集裝箱配電系統(tǒng)設計提供借鑒。

1 分區(qū)配電網絡

1.1 冷藏集裝箱及電源插座布置

某2萬箱級集裝箱船冷藏集裝箱的布置位置見圖1。

圖1 冷藏集裝箱的布置位置示意圖

以配置在上甲板的冷藏集裝箱為例，所有冷藏集裝箱分2層布置在上甲板的最底層，冷藏集裝箱供電電源插座安裝在相應的上甲板綁扎橋上。根據冷藏集裝箱的布置，為同一行的每層冷藏集裝箱配置4組電源插座盒，每組電源插座盒內含3～6個專用電源插座。

1.2 冷藏集裝箱電源插座分區(qū)配電理念

4組冷藏集裝箱電源插座盒通常由1臺高壓電源變壓器及電源配電回路供電。其優(yōu)點是配電系統(tǒng)設計比較簡單，但弊端就是如果此高壓電源變壓器或電源配電回路發(fā)生故障，將造成整層或整個行內的冷藏集裝箱全部失電。

根據上述電源插座配置，如果將同一行的兩層電源插座盒劃分為圖2所示的區(qū)域A、區(qū)域B、區(qū)域C、區(qū)域D，每區(qū)域由1臺高壓變壓器及獨立電源配電回路供電，即使某個區(qū)域供電回路出現(xiàn)故障，其他區(qū)域仍能正常維持電力供應。當有電區(qū)域沒有裝載冷藏集裝箱時，失電區(qū)域的冷藏集裝箱可以通過對冷藏集裝箱外接延伸電纜的方式，連接到臨近有電區(qū)域的電源插座上，從而增加了冷藏集裝箱配電的冗余度和供電的連續(xù)性，同時在碼頭裝載冷藏集裝箱及配載時也更加便利。以此分區(qū)域配電方式作為冷藏集裝箱配電設計的理念和原則，進行配電系統(tǒng)網絡的搭建。

圖2 冷藏集裝箱分區(qū)域供電概念圖

2 冷藏集裝箱配電系統(tǒng)設計

2.1 前后部獨立供電方式

通常高壓電源變壓器布置在船舶后部的機艙內。該2萬箱級集裝箱船全船長度達到400 m，眾多冷藏集裝箱沿船長方向均勻分布在上甲板上，如果布置在船舶前部的冷藏集裝箱也由安裝在機艙內的高壓電源變壓器供電的話，勢必會導致冷藏集裝箱電源配電線路過長，帶來較大的電路壓降。為滿足美國船級社對線路電壓降不超過6%的要求，不得不增大配電回路電纜的截面積或增加電纜的數(shù)量，電纜用量成本因此上升；同時遠距離的電路敷設會增加船廠制造現(xiàn)場施工部門電路敷設的工作量和難度，增加船廠施工的人工成本。

綜合上述因素，如果將冷藏集裝箱沿船長方向分為前、后兩部分，采用前、后部分別獨立供電的思路：布置在船舶前半部的冷藏集裝箱由就近布置的高壓電源變壓器供電，布置在船舶后半部的冷藏集裝箱仍由安裝在機艙內的高壓電源變壓器供電。該方案就可以有效解決上述問題。

2.2 前后部冷藏集裝箱配電系統(tǒng)主要設備

2.2.1 冷藏集裝箱電源變壓器

大型集裝箱船內的電力系統(tǒng)電壓通常采用交流6 600 V，冷藏集裝箱電源插座為交流440 V，因此設置專用的冷藏集裝箱供電變壓器。 結合冷藏集裝箱電源插座的分布情況、變壓器的選型成本及上述分區(qū)配電的理念，前后部各配置了4臺高壓變壓器，安裝于生活區(qū)下的污水處理間內及機艙內，用于給前部冷藏集裝箱供電。

單臺高壓變壓器容量可參考式(1)計算：

(1)

式中：PTr為高壓變壓器容量，kVA；PRef為單個冷藏集裝箱的額定功率，kW；Pf為冷藏集裝箱內電氣設備的功率因數(shù)；Pcs為由此變壓器供電的冷藏集裝箱數(shù)；D為平均差異系數(shù)(通常取值為0.65)；M為裕量系數(shù)(根據具體項目要求而定)。

2.2.2 冷藏集裝箱饋電屏

以配電系統(tǒng)總的線路電纜最短為原則，設置4個饋電屏(RP1、RP2、RS1、RS2)，分布于船舶左右舷的下甲板通道內。每個饋電屏內都設置2段母排，每段母排分別由不同的高壓變壓器供電，從而在電源分配上實現(xiàn)了配電線路的交叉冗余配置。

臨近高壓電源變壓器布置的RP2、RS2號饋電屏直接與冷藏集裝箱電源變壓器副邊相連；遠離變壓器布置的RP1、RS1號饋電屏由RP2、RS2號饋電屏中轉供電。這樣的設計能節(jié)約電源電纜用量及制造現(xiàn)場敷設施工量，降低總成本。

同時需要注意的是，安裝在下甲板通道內的冷藏集裝箱饋電屏通常設計成自立式，而下甲板通道內布置有很多管線和主電路。因此，設計時要充分考慮饋電屏的現(xiàn)場安裝及維護空間等，必要時需要對饋電屏的尺寸及屏內設備布置進行修改。

2.2.3 饋電屏內斷路器的設計

饋電屏內設置若干個供電回路，每個供電回路的斷路器連接1個冷藏集裝箱電源插座供電分電板，使得每個斷路器通常會為30～50個冷藏集裝箱提供電力。計算此斷路器的框架值，通常按照所有連接在其上的冷藏集裝箱全部同時使用的情況來進行計算。這種計算方法使得單個斷路器的框架值會選擇得很大，或者需要減少單個斷路器上所連接的冷藏集裝箱數(shù)量，進而配置更多數(shù)量的斷路器。因此，在滿足實際使用需要的前提下，降低斷路器配置成本是電氣配電設計的難點。

根據目前市場上幾個主流集裝箱船在多個典型航線上的實船統(tǒng)計數(shù)據，從冷藏集裝箱實際使用的角度分析，船上裝載的眾多冷藏集裝箱的使用相互不干涉、相互之間完全獨立操作，運行的數(shù)量是隨機的或相對隨機的，整體近似符合正態(tài)分布規(guī)律。典型標準正態(tài)分布的函數(shù)公式見式(2)[3]，其對應的分布曲線見圖3。

Φ(z)—陰影面積。

(2)

圖3中的陰影部分面積Φ(z)為橫軸變量x數(shù)值大于z值時，可能發(fā)生的概率之和。基于此數(shù)學模型，結合冷藏集裝箱在船舶上使用的實際需要，對于所有連接到單個斷路器的冷藏集裝箱，定義單路斷路器能在99.9%以上的場合為所有冷藏集裝箱提供電力，以此作為設計目標。通過查閱正態(tài)分布數(shù)值查詢表[4]，獲取不同概率下z的數(shù)值，得出上述目標要求概率對應的z值為3.08，對應的正態(tài)分布的包絡曲線示意圖見圖4。當橫軸變量數(shù)值大于3.08時，其對應的縱軸數(shù)值小于1%，包絡曲線與橫軸圍成的陰影部分面積大約99.9%。

圖4 正態(tài)分布的包絡曲線示意圖[3]

結合上述分析，對于決定單路斷路器選型時所供電的冷藏集裝箱數(shù)量，可以通過式(3)得到：

NA=NTD+zσ

(3)

式中：NA為斷路器實際所供電的冷藏集裝箱數(shù)量；NT為斷路器連接的所有冷藏集裝箱數(shù)量；z為從正態(tài)分布函數(shù)曲線上得到的數(shù)值，此處為3.08；σ為標準偏差，在D=0.65時，σ與NT的關系見表1。

表1 σ與NT的對應關系

通過上述計算，最終得到了斷路器提供電力的冷藏集裝箱數(shù)量，據此經過進一步簡單的功率計算就可決定斷路器的選型。

2.2.4 冷藏集裝箱電源插座供電分電板

根據具體區(qū)域內的冷藏集裝箱電源插座數(shù)量及分布，設置若干個供電分電板，安裝于船舶左右舷的下甲板通道內。每個分電板內同樣配置2段母排，每段母排由1個高壓電源變壓器及饋電屏內的1個單獨的斷路器供電。

從供電分電板到冷藏箱電源插座盒間的電源電纜線路，以盡量短為原則，在分電板內設置若干個供電回路。每個供電回路的塑殼式斷路器連接1個冷藏集裝箱電源插座盒，斷路器的框架值設計時按照這個插座盒所連的所有冷藏集裝箱全部運行考慮。同時斷路器選型時要充分考慮與上級饋電屏內斷路器的上下級協(xié)調保護。

以19/18行布置的冷藏集裝箱配電回路為例，分電板與冷藏集裝箱插座間的線路圖分別見圖5、圖6。從圖中可以看出，19/18行的冷藏集裝箱分別由兩側分電板上的4個母排供電。

圖5 19/18行右舷冷藏集裝箱供電線路圖

圖6 19/18行左舷冷藏集裝箱供電線路圖

通過上述配置可以看出，整個配電回路從高壓電源變壓器→饋電屏→分電板→冷藏集裝箱插座，實現(xiàn)了各配電環(huán)節(jié)分區(qū)域、多回路輻射、網絡交叉供電，提高了整個供電回路的冗余度和可靠性。雖然配電系統(tǒng)設計及配電網絡顯得比較復雜，但通過合理的搭建配電網絡構成，綜合分析設備選型、布置優(yōu)化、現(xiàn)場施工等，較好地實現(xiàn)了冷藏集裝箱分區(qū)配電的設計理念。交船后，該設計方案得到了船東的充分肯定。

3 結論

(1)冷藏集裝箱電源插座分區(qū)配電理念構建。將船上同一行的冷藏集裝箱電源插座盒劃分為若干個相鄰的區(qū)域，確定分區(qū)供電的配置原則。

(2)前后部獨立供電方式的方案規(guī)劃。結合船舶實際長度、冷藏箱的布置要求、電壓降計算、電纜物量成本及制造現(xiàn)場施工難度等各方面情況，確定采用前、后部分別獨立供電的總體思路。

(3)對前后部冷藏集裝箱配電系統(tǒng)主要設備，按照上述原則、思路和冷藏集裝箱電力需求，進行配電網絡內各節(jié)點設備的規(guī)格決定，并引入正態(tài)分布數(shù)學函數(shù)模型來決定饋電屏內斷路器的選型。通過設置若干冷藏集裝箱電源插座供電分電板，實現(xiàn)多回路輻射、網絡交叉供電。

(4)通過系列船交船后船東多個航次的實船營運反饋，證實了該設計方案的實用性及可靠性。