岸電系統(tǒng)多回路饋電的安全性和兼容性研究

韓 杰，宋 麗， 袁正煒，夏 進(jìn)

(1．江蘇省鎮(zhèn)江船廠集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.國(guó)家電網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

我國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《港口和船舶岸電管理辦法》自2020年2月1日正式實(shí)施以來(lái)，港航系統(tǒng)正在大力推進(jìn)船舶靠港使用岸電工作。船舶在靠泊港口期間對(duì)低壓岸電容量有較大需求時(shí)應(yīng)采用多回路饋電。多回路饋電與容量的匹配關(guān)系，以及如何滿足其安全性和兼容性，是業(yè)內(nèi)關(guān)注的問(wèn)題。

為確保船舶靠泊港口期間能順利連接岸電，本文首先從交流低壓岸電系統(tǒng)的額定值、多回路饋電的數(shù)量及安全保護(hù)的要求等方面進(jìn)行研究，提出了不同容量應(yīng)采用不同電壓等級(jí)和每回不同電流時(shí)的饋電回路數(shù)量的觀點(diǎn)；其次研究認(rèn)為：岸電系統(tǒng)中的供電方和受電方均需按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 80005-3：2016出版物對(duì)多回路饋電的要求，采用統(tǒng)一的安全控制回路原理和實(shí)行船—岸聯(lián)鎖的有關(guān)規(guī)定，以確保低壓岸電連接的安全性和兼容性，否則，會(huì)出現(xiàn)IEC 80005系列標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)的情況：“Ships that do not apply this standard may find it impossible to connect to compliant shore supplies(不符合本標(biāo)準(zhǔn)的船舶可能會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)法連接到符合要求的岸上供電設(shè)施)，Where deviations from the requirements and recommendations in this standard may be considered for certain designs，the potential effects on compatibility are highlighted(如果某些設(shè)計(jì)違背本標(biāo)準(zhǔn)中的要求和建議，則應(yīng)強(qiáng)調(diào)會(huì)對(duì)兼容性產(chǎn)生潛在的影響)。

1 低壓岸電系統(tǒng)的額定值

國(guó)際、國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)低壓岸電系統(tǒng)劃定了范圍。

IEC 80005-3：2016出版物把電壓等于或大于交流400 V和電壓高達(dá)交流1 000 V、容量高達(dá)1 MVA的岸電系統(tǒng)稱為低壓岸電系統(tǒng)。我國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布的JTS 155—2019規(guī)范規(guī)定：交流岸電系統(tǒng)在電壓為400 V和450 V時(shí)，供電容量小于630 kVA可采用低壓供電方式；供電容量為630～1 600 kVA宜采用高壓供電方式。

中國(guó)船級(jí)社(CCS)發(fā)布的《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2021)要求船用插頭和插座應(yīng)符合國(guó)際和/或國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，并注明交流低壓岸電系統(tǒng)的插接件參見(jiàn)IEC 60309-1出版物系列標(biāo)準(zhǔn)。IEC 60309-5：2017出版物說(shuō)明要求60309的本部分適用于單一類型的插頭、插座-船用連接器和船舶入口(以下稱為附件)，其目的是將船舶連接到IEC 80005-3中所述的船舶岸電供給系統(tǒng)；這些附件的最大額定電流為350 A，最大額定工作電壓不超過(guò)690 V，頻率為50/60 Hz，并給出了350 A附件的觸點(diǎn)布置圖。在GB/T 11918.5—2020標(biāo)準(zhǔn)中，與IEC 60309-5：2017出版物觸點(diǎn)布置相同的有額定值為1 000 V及以下的電流為350 A和250 A兩種規(guī)格。IEC 80005-3：2016出版物規(guī)定：如果在岸側(cè)使用插座，則連接電纜的岸側(cè)端部應(yīng)配備插頭;如果在船側(cè)使用船用入口，則連接電纜的船側(cè)端部應(yīng)安裝船舶連接器。因船—岸兩側(cè)至少有一側(cè)需配置附件，由此說(shuō)明船舶在連接低壓岸電時(shí)，每回饋電線路的額定電流最大為350 A或250 A。

船舶三相交流低壓電源的標(biāo)準(zhǔn)額定電壓值為400 V、450 V(440 V)、690 V，頻率為50 Hz/60 Hz。由此可計(jì)算出三相交流低壓岸電系統(tǒng)在1 MVA時(shí)的最大工作電流為：400 V/1 443 A，450 V(440 V)/1 283 A(1 312 A)，690 V/837 A；在1.6 MVA時(shí)的最大工作電流為：400 V/2 309 A，450 V(440 V)/2 053 A(2 100 A)，690 V/1 339 A。根據(jù)低壓岸電系統(tǒng)的最大工作電流，可計(jì)算出在不同電壓時(shí)所需要的饋電回路數(shù)量。

2 岸電饋電線的回路數(shù)量

船舶連接低壓岸電時(shí)，只要單回路饋電的電流超過(guò)350 A或250 A，就需要采用多回路饋電。IEC 80005-3：2016出版物規(guī)定：低壓岸電系統(tǒng)最多為5回路饋電;多回路饋電時(shí)，所有類型的船舶應(yīng)使用同一類型的插頭、插座、船用連接器和船用入口。

岸電饋電回路數(shù)量與電力容量要求及電壓的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 岸電饋電回?cái)?shù)量與電力容量需求及電壓的關(guān)系[1]

表1給出的饋電回路數(shù)量是基于每回路額定電流350 A的。按照每回路額定電流分別為250 A和350 A，在不同額定電壓時(shí)連接岸電，當(dāng)容量不超過(guò)1 600 kVA時(shí)，計(jì)算出的饋電回路數(shù)量見(jiàn)表2。

按照表2的饋電回路數(shù)量，可根據(jù)船舶對(duì)岸電的最大需求功率在船載低壓岸電箱中設(shè)置必要的回路數(shù)量；如果港口碼頭也根據(jù)船舶不同的功率需求設(shè)置相應(yīng)容量的低壓接電箱，則投資額將加大，利用率卻很低，而且安全保護(hù)要求也無(wú)法滿足。因此，岸側(cè)只能設(shè)置350 A或250 A這2種規(guī)格的低壓接電箱，而且應(yīng)做到各不同回路數(shù)量(1～5回)的低壓岸電箱都能連接岸電。

表2 每回額定電流不同與電壓不同時(shí)的饋電線回路數(shù)量[3]單位：回

3 多回饋電的安全控制回路原理

多回饋電并不是簡(jiǎn)單地將多根連接岸電的柔性電纜并聯(lián)使用，而是岸側(cè)低壓接電箱與船載低壓岸電箱均需采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全控制回路和統(tǒng)一的船—岸聯(lián)鎖方式。

IEC 80005-3：2016出版物給出的典型低壓岸電系統(tǒng)硬件框圖見(jiàn)圖1。圖1中：5即岸側(cè)接電箱的饋電線斷路器，其欠壓脫扣器見(jiàn)圖2中的3；10即船載低壓岸電箱，其斷路器的欠壓脫扣器見(jiàn)圖2中的5；通常把12的左側(cè)稱為岸電接入控制屏或主配電板中的岸電聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)；6、7、8為電纜管理系統(tǒng)，包括連接岸電的柔性電纜及其卷繞與監(jiān)控裝置。

1—岸側(cè)供電系統(tǒng)；2—岸側(cè)變壓器和中性點(diǎn)接地電阻或/和IT供電系統(tǒng)；3—未集成在岸側(cè)斷路器內(nèi)的岸側(cè)繼電保護(hù)裝置；4—岸側(cè)斷路器；5—岸側(cè)饋電線斷路器；6—岸側(cè)控制器；7—岸側(cè)—船側(cè)連接及接口設(shè)備；8—船側(cè)控制器；9—未集成在船側(cè)連接岸電配電板內(nèi)的繼電保護(hù)裝置；10—船上連接岸電配電板；11—船載變壓器(如適用)；12—船舶開(kāi)關(guān)板。

圖2為IEC 80005-3：2016出版物給出的多回饋電的安全控制回路原理示意圖，并規(guī)定：The voltage used in the pilot circuit shall be less than 60 V d.c. or 25 V a.c(安全控制回路的電壓應(yīng)小于直流60 V或交流25 V)；The protection systems shall be provided with battery back-up adequate for at least 30 min(保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)配備至少30 min的備用電池)。按照上述規(guī)定，對(duì)岸側(cè)低壓接電箱可考慮采用變流裝置和電池，以取得一主供、一備用的DC24 V安全控制回路電源向圖2中的1(岸側(cè)控制電源)供電。對(duì)船載低壓岸電箱可由船舶充放電板提供2路DC24 V電源向安全保護(hù)回路供電，一主供、一備用，自動(dòng)切換，向圖2中的2(船側(cè)控制電源)供電。

1—岸側(cè)控制電源；2—船側(cè)控制電源；3—饋電線斷路器欠壓線圈(岸側(cè))；4—岸側(cè)安全電路線圈；5—斷路器欠壓線圈(船側(cè))；6—船側(cè)安全電路線圈；7—岸側(cè)緊急切斷(緊急切斷包括岸側(cè)斷路器和饋線斷路器電氣跳閘)；8—船側(cè)緊急切斷(緊急切斷包括船載斷路器電氣跳閘)；9—船側(cè)手動(dòng)緊急切斷(顯示2個(gè))；10—岸側(cè)手動(dòng)緊急切斷(顯示2個(gè))；11—船舶安全回路跳閘；12—岸側(cè)饋線安全回路跳閘電路；13—岸側(cè)斷路器欠壓線圈；14—船載受電配電板斷路器欠壓線圈；P1～P4—輔助觸點(diǎn)。

圖1的5即岸側(cè)接電箱中的5只饋電線斷路器，其各具有欠壓脫扣線圈(圖2的3)，以實(shí)現(xiàn)每回饋電線路都具有獨(dú)立的控制和保護(hù)；圖1的10即船載岸電箱中5回饋電線路共用的1只連接岸電的斷路器，其欠壓脫扣線圈為圖2中的5，但圖2中船載岸電箱的安全控制電路與岸側(cè)接電箱中對(duì)應(yīng)的各回安全控制電路均進(jìn)行聯(lián)鎖。

IEC 80005-3：2016出版物規(guī)定：在連接期間，任一個(gè)安全回路的斷開(kāi)應(yīng)使岸側(cè)和船側(cè)安全回路同時(shí)跳閘；岸側(cè)斷路器的跳閘應(yīng)斷開(kāi)所有的饋線斷路器；在連接過(guò)程中當(dāng)一個(gè)插頭斷開(kāi)時(shí)，所有岸側(cè)和船側(cè)安全控制回路應(yīng)按以下方式跳閘：

(1)船舶岸電回路應(yīng)跳閘。

(2)岸側(cè)所有饋電線回路應(yīng)通過(guò)觸點(diǎn)11跳閘。

(3)當(dāng)任一根電纜發(fā)生電氣故障時(shí)，所有岸上和船舶安全控制回路應(yīng)跳閘，如下所述：

①故障電纜的饋電斷路器應(yīng)跳閘；

②所有岸上和船舶安全控制回路應(yīng)通過(guò)緊急切斷觸點(diǎn)7和8跳閘；

③若岸側(cè)接電箱饋電斷路器跳閘失敗時(shí)，安全后備保護(hù)裝置應(yīng)斷開(kāi)岸側(cè)斷路器，即圖2中的4應(yīng)動(dòng)作于圖1中的4跳閘；

④當(dāng)船載岸電箱主斷路器跳閘失敗，安全后備保護(hù)應(yīng)包括打開(kāi)船上主配電板接入岸電的斷路器，即圖2中的6應(yīng)動(dòng)作于圖1中12的左側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘；

⑤連接岸電所需的各回電纜應(yīng)進(jìn)行聯(lián)鎖，多回饋電的任一回、任一側(cè)未連接妥當(dāng)，安全控制回路處于失效狀態(tài)，岸側(cè)低壓接電箱饋電斷路器和船載低壓岸電箱主斷路器均應(yīng)無(wú)法合閘。

多回饋電的安全回路原理能防止船側(cè)或岸側(cè)的附件發(fā)生帶電插拔，并做到只有當(dāng)各回饋電線在船側(cè)和岸側(cè)全部完成連接后才具有接通岸電的條件，確保人身安全。

4 岸電系統(tǒng)的兼容性與技術(shù)改進(jìn)研究

港口的供電設(shè)施和船載受電設(shè)施的兼容性，關(guān)系到能否讓有限的資源發(fā)揮最大的作用，關(guān)系到船舶在不同的港口停泊時(shí)能否順利連接岸電。如果國(guó)際港口的低壓接電箱不符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外船舶或我國(guó)遠(yuǎn)洋船舶符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的低壓岸電箱，在港口停泊時(shí)將無(wú)法連接到岸電。反之也一樣。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求岸港口公共連接設(shè)施應(yīng)具有兼容性，要求安全回路系統(tǒng)應(yīng)允許不同回?cái)?shù)饋電線的船舶在岸上連接。例如：圖1中的5有5只饋電線斷路器，應(yīng)當(dāng)無(wú)需臨時(shí)變更其電路，其中任意1只或多只(5只以內(nèi))饋電線斷路器均能同時(shí)對(duì)1回路或多回路(5回以內(nèi))的船載低壓接電箱饋電，從而在確保安全的同時(shí)，有效地提高港口岸電連接設(shè)施的利用率。

對(duì)已在運(yùn)行中但不符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的船載低壓岸電箱，按圖2所示的安全控制回路進(jìn)行改進(jìn)：除了需在主斷路器欠壓線圈(圖2中的5)上并聯(lián)1只安全繼電器(圖2中的6)進(jìn)行后備保護(hù)外，可以按表2饋電回路數(shù)量增加安全控制與船—岸聯(lián)鎖接口電路，還可按需要在安全控制回路中增加其他繼電保護(hù)和安全互鎖功能。CCS要求船載低壓岸電箱的主斷路器應(yīng)在下列各種情況下無(wú)法合閘或在閉合位置自動(dòng)斷開(kāi)：

(1)等電位連接未建立。

(2)岸電連接插頭/插座的控制電路未接通。

(3)應(yīng)急切斷設(shè)備動(dòng)作。

(4)岸電系統(tǒng)控制和監(jiān)測(cè)線路故障。

(5)電纜管理系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

(6)保護(hù)接地系統(tǒng)故障。

(7)岸電供電電源尚未提供等；以及IEC 80005-3：2016出版物要求低壓岸電連接系統(tǒng)應(yīng)具備的下列各項(xiàng):

①等電位保護(hù)；

②正相序保護(hù)；

③浪涌保護(hù)；

④逆功率保護(hù)(如需要)；

⑤過(guò)/欠電壓和缺相保護(hù)；

⑥過(guò)/欠頻率保護(hù)和在其他處所增加應(yīng)急停止裝置等。

船載低壓岸電箱只要將相關(guān)保護(hù)裝置的故障動(dòng)斷觸點(diǎn)，串聯(lián)在圖2中的9和11之間，即能實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)保護(hù)的要求。對(duì)已在運(yùn)行中的岸側(cè)低壓接電箱(指饋電線每回電流為350 A或250 A者)，如尚未符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，可參照上述方法進(jìn)行技術(shù)改造，增加安全控制回路和船—岸互鎖接口，將各繼電保護(hù)的動(dòng)斷觸點(diǎn)串連在圖2中的7和10之間。

安全控制回路和船—岸聯(lián)鎖的接口必須遵守統(tǒng)一的規(guī)定：安全回路中的P1與P3專門用于對(duì)岸側(cè)接電箱的饋電線斷路器進(jìn)行聯(lián)鎖，安全回路中的P2與P4專門用于對(duì)船載低壓岸電箱的主斷路器進(jìn)行聯(lián)鎖。

只有岸側(cè)低壓接電箱與船載低壓岸電箱的安全控制回路原理一致，船—岸聯(lián)鎖接口統(tǒng)一，才能確保低壓岸電連接系統(tǒng)的安全性和兼容性。

5 多回路饋電應(yīng)注意的問(wèn)題

(1) 柔性電纜及其附件標(biāo)志號(hào)應(yīng)統(tǒng)一。為便于正確接線，要求岸側(cè)低壓接電箱與船載低壓岸電箱所配置的附件或接線端子及柔性電纜的控制芯線，都應(yīng)當(dāng)按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)定的編號(hào)進(jìn)行標(biāo)志。如果港口低壓接電箱上需采用插頭插座，或者船載低壓岸電箱上需采用船用耦合器(船用連接器和船用入口)，其觸點(diǎn)布置應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，附件的主觸點(diǎn)標(biāo)志號(hào)為L(zhǎng)1+L2+L3+E，控制觸點(diǎn)標(biāo)志號(hào)為P1+P2+P3+P4；低壓柔性電纜的主芯線標(biāo)志號(hào)為L(zhǎng)1+L2+L3+N+PE，控制芯線標(biāo)志號(hào)為P1+P2+P3+P4。

(2) 應(yīng)盡可能減少相鄰電路的熱相互作用。如果在多回饋電的船載低壓岸電箱上設(shè)置有多個(gè)船用入口，船用耦合器及其箱內(nèi)主電路在同時(shí)運(yùn)行條件下的載流容量，可能會(huì)受到相鄰設(shè)備及其電路的相互熱影響。為避免船用耦合器發(fā)生過(guò)熱，應(yīng)按IEC 61439-1:2020標(biāo)準(zhǔn)的額定分散系數(shù)(RDF)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定低壓岸電箱的額定電流。如果缺乏RDF計(jì)算的資料，船用入口之間的間距應(yīng)大于50 mm，建議分散系數(shù)取值為0.85。

(3)每臺(tái)岸側(cè)低壓接電箱內(nèi)宜設(shè)置5只饋電線斷路器(見(jiàn)圖1的5)，且規(guī)格應(yīng)相同，以滿足1～5回的船載低壓岸電箱連接岸電。此外，還應(yīng)按照J(rèn)TS 155—2019和CCS的要求，在箱內(nèi)設(shè)置適合柔性電纜連接的接線柱，其標(biāo)志號(hào)與柔性電纜的相同。

6 結(jié)論

(1)船舶對(duì)低壓岸電需求超過(guò)350 A或250 A時(shí)，應(yīng)采用多回路饋電，最多5回；各回饋電線路應(yīng)具備獨(dú)立控制與保護(hù)，同時(shí)要滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和船舶規(guī)范對(duì)安全保護(hù)的要求。

(2)要確保低壓岸電多回路饋電的安全性和兼容性。新設(shè)備制造和老設(shè)備技改都沒(méi)有任何技術(shù)難度，關(guān)鍵在于岸側(cè)低壓接電箱和船載低壓岸電箱的安全控制回路和船—岸聯(lián)鎖的方式，都必須符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一規(guī)定。

(3)如果港口碼頭需同時(shí)向國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)洋船舶提供低壓岸電，因國(guó)內(nèi)船舶的低壓岸電箱每回額定電流可能有2種，則應(yīng)相應(yīng)設(shè)置350 A和250 A這2種規(guī)格的岸側(cè)低壓接電箱，以確保采用不同規(guī)格附件的船載低壓岸電箱能順利連接岸電。