船載高壓岸電箱的選擇

陳 猛，張 林，帥網(wǎng)蘭，夏 進(jìn)

(1.新大洋造船有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225107；2.陸軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局駐哈爾濱地區(qū)第二軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150000；3.江蘇省鎮(zhèn)江船廠集團(tuán)公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

船舶靠泊港口期間停止船載發(fā)電機(jī)運(yùn)行，由港口向船舶提供岸電，是有利于保護(hù)環(huán)境的一項(xiàng)重要措施。但是，當(dāng)船舶對(duì)岸電容量需求較大時(shí)，如果由低壓岸電供電，則需要提供相當(dāng)大的電流才能滿足容量需求，而連接岸電的柔性電纜在傳輸大電流時(shí)需要有相應(yīng)的導(dǎo)電能力。

例如，某船所需岸電容量為2 000 kVA，當(dāng)采用三相0.4 kV的電壓供電時(shí)，電流約為2 886 A，至少需要由10根主線芯為3×120 mm的柔性電纜連接岸電。按照IEC 80005-3出版物《港口公用連接設(shè)施 第3部分：低壓岸電連接(LVSC)系統(tǒng)—一般要求》規(guī)定：在LVSC系統(tǒng)中采用多回路連接岸電時(shí)，最大容量為1 000 kVA，使用的柔性電纜數(shù)量電壓400 V時(shí)為5根，電壓690 V時(shí)為3根，因此該船在符合岸電國際標(biāo)準(zhǔn)的港口將無法連接岸電。

如果將上例改為由三相10.5 kV的電壓供電，電流約為110 A，連接岸電只需要1根主線芯3×70 mm的柔性電纜就已足夠，其線路功率損耗和銅材用量均可降低95%以上，且操作方便。

從應(yīng)用實(shí)例可見，船舶對(duì)岸電容量需求較大時(shí)，采用高壓岸電有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

我國交通運(yùn)輸部發(fā)布的JTS155—2019《碼頭岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》提出：港口碼頭岸電設(shè)施向船舶供電容量小于630 kVA時(shí)，可采用低壓供電方式；供電容量為630～1 600 kVA時(shí)，宜采用高壓供電方式；供電容量大于1 600 kVA時(shí)，應(yīng)采用高壓供電方式。IEC/ISO/IEEE 80005-1:2022《港口公用連接設(shè)施 第1部分：高壓岸電連接(HVSC)系統(tǒng)—一般要求》把HVSC系統(tǒng)的范圍定為標(biāo)稱電壓交流1 kV以上、小于等于15 kV，容量為1 000 kVA以上。上述規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)船舶連接高壓岸電劃定了合理的容量與電壓等級(jí)的范圍。

船舶靠港連接低壓岸電，只要求船載低壓岸電箱的額定電壓()、額定頻率()與港口供電設(shè)施的額定值匹配，額定連續(xù)電流()能滿足船舶電力負(fù)載的需要且容量和連接岸電的柔性電纜根數(shù)不超過規(guī)定，低壓岸電箱就具備一定的通用性。而船舶靠港連接高壓岸電時(shí)，除了要符合上述要求外，船載高壓岸電箱的基本特性、不同類型船舶的岸電接入方式與主電路的絕緣水平和電流強(qiáng)度等技術(shù)要素應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)HVSC系統(tǒng)的有關(guān)要求。在HVSC系統(tǒng)中，船載高壓岸電箱既是船舶連接岸電的受電設(shè)施，又是向船舶提供外來電源的供電設(shè)施，因此必須重視高壓岸電箱設(shè)計(jì)和選用的研究。

隨著船舶對(duì)岸電容量需求不斷增加，港口采用高壓岸電向船舶供電的方式將逐漸普遍。為此，本文在設(shè)計(jì)和選用高壓岸電箱時(shí)，首先研究其基本特性、不同類型船舶的岸電入口配置、系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的等級(jí)以及額定絕緣水平和額定短路強(qiáng)度等技術(shù)要素符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；其次，根據(jù)船舶主電站的電壓等級(jí)決定船載高壓岸電箱的用途及電纜管理系統(tǒng)的位置及船舶連接岸電的方式，選擇適合的安裝方案，使港口高壓岸電順利向船舶供電。

1 基本特性與岸電接入方式

中國船級(jí)社(CCS)在《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范(2021)》(下文簡稱《海規(guī)》)第8篇第19章中，把船上連接高壓岸電的受電設(shè)施稱為“岸電連接配電柜(板)”，這和IEC80005-1出版物的術(shù)語“On-board shore connection switchboard”相一致，在業(yè)內(nèi)通常將其稱為船載高壓岸電箱。

(1)船載高壓岸電箱應(yīng)為金屬鎧裝封閉結(jié)構(gòu)，箱殼內(nèi)裝有固定式或可移開式(抽出式)的部件,但不包括充油或充氣的部件。箱體設(shè)有4個(gè)隔室，其結(jié)構(gòu)應(yīng)能限制內(nèi)部電弧的影響。各隔室功能如下，但不限于此:

①母線室：設(shè)置在箱體上后部，安裝電流互感器和出線電纜或匯流排；

②主開關(guān)室(手車室)：設(shè)置在箱體中部，安裝主斷路器(手車);

③電纜室：設(shè)置在箱體下部，安裝隔離開關(guān)(接地開關(guān))、避雷器、電壓互感器、進(jìn)線電纜；

④儀表室：設(shè)置在箱體前上部，安裝繼電器、操作開關(guān)、儀表、信號(hào)裝置等。

(2)船載高壓岸電箱的基本特性應(yīng)滿足以下有關(guān)規(guī)定:

①運(yùn)行連續(xù)性損失類別(LSC):當(dāng)打開可接近的高壓隔室時(shí)，保持其他高壓隔室和/或功能單元通電的可能性；獨(dú)立式安裝時(shí)按《海規(guī)》第8篇第 19.3.2.1規(guī)定，LSC為 LSC1類;組合式安裝時(shí)按IEC60092-503:2021《船舶電氣裝置—第503部分：特殊特性—電壓范圍為1 kV以上至36 kV及以下》出版物第7.2.1的規(guī)定，LSC為LSC2B類; LSC可根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，按船級(jí)社允許的其他類別；

②隔板的等級(jí): PM；

③內(nèi)部電弧分類等級(jí)(IAC)：按IEC 60092-503:2021出版物第7.2.5的規(guī)定，高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備應(yīng)符合IEC 62271-200:2021《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第200部分 交流額定電壓 1 kV 以上至 52 kV 金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》出版物的內(nèi)部電弧分類等級(jí)(IAC)AFLR級(jí)，僅限于授權(quán)人員可觸及前部、后部和側(cè)面; 在母線室、主開關(guān)室(手車室)、電纜室設(shè)有泄壓裝置，當(dāng)內(nèi)部電弧故障造成箱內(nèi)氣壓上升達(dá)到一定壓力時(shí)，能自動(dòng)打開泄壓通道在箱體頂部泄放壓力;IAC可按船級(jí)社允許的其他分類等級(jí)；

④外殼防護(hù)等級(jí): 滿足在艙室內(nèi)安裝使用的要求為IP4X;隔室之間的防護(hù)等級(jí)(箱門打開后)為IP2X; 隔板和活門的防護(hù)等級(jí)至少能達(dá)到IP2X；

⑤相序: 按IEC/ISO/IEEE 80005-1:2022出版物第5.1的規(guī)定，輸入與輸出三相電壓的相序均應(yīng)為正相序L1-L2-L3或A-B-C或R-S-T。

在HVSC系統(tǒng)中，安裝在港口碼頭岸電供電點(diǎn)的供電設(shè)施是港口高壓接電箱，安裝在船舶岸電受電點(diǎn)的受電設(shè)施是船載高壓岸電箱，兩者之間由電纜管理系統(tǒng)進(jìn)行連接，見圖1。

圖1 高壓岸電連接(HVSC)系統(tǒng)示意圖

不同類型船舶連接高壓岸電時(shí)對(duì)岸電標(biāo)稱電壓和頻率有不同的要求，船上的岸電接入方式由電纜管理系統(tǒng)的位置所決定。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)的具體要求，歸納見表1。

表1 各類型船舶連接高壓岸電的系統(tǒng)標(biāo)稱電壓與岸電接入方式

實(shí)踐證明，連接岸電的柔性電纜與端子固定連接比插接安全可靠性高，成本約低90%。當(dāng)交流高壓岸電系統(tǒng)需要配置附件時(shí)，應(yīng)按《海規(guī)》第19.3.6.1的規(guī)定，選用符合IEC 62613-1 出版物《船舶高壓岸電系統(tǒng)用插頭、插座和耦合器第 1 部分—通用要求》和IEC 62613-2 出版物《船舶高壓岸電系統(tǒng)用插頭、插座和耦合器第 2 部分—不同類型船舶的附件的尺寸互換性要求》的附件，其規(guī)格為7.2 kV，350 A；12 kV，350 A/500 A。

2 絕緣水平和短路強(qiáng)度

船載高壓岸電箱的應(yīng)按設(shè)備的最高電壓()確定，即等于系統(tǒng)的最高電壓()。設(shè)備主電路的額定絕緣電壓()應(yīng)等于或大于，其絕緣水平主要由額定短時(shí)工頻耐受電壓()和額定雷電沖擊耐受電壓()來表示。船載高壓岸電箱的額定連續(xù)電流()需按大于或等于船舶使用岸電的負(fù)載額定電流()進(jìn)行選擇。主電路應(yīng)能承受預(yù)期的短路電流產(chǎn)生的熱應(yīng)力及電動(dòng)應(yīng)力，其短路強(qiáng)度主要由額定短時(shí)耐受電流()和額定峰值耐受電流 ()來表示。因高壓斷路器是主電路中的控制與限流設(shè)備，要求其額定開斷能力()等于或大于的有效值，在設(shè)備銘牌中，和兩者一般只標(biāo)示其中之一。通常高壓斷路器的額定值(、、或、)即為船載高壓岸電箱銘牌上標(biāo)注的額定值。

在船載高壓岸電箱設(shè)計(jì)和選用時(shí)，應(yīng)按系統(tǒng)(設(shè)備)和船舶使用岸電時(shí)的來確定高壓斷路器的額定值和，同時(shí)應(yīng)確定絕緣水平和短路強(qiáng)度的額定值、、或、。根據(jù)IEC/ISO/IEEE 80005-1:2022出版物對(duì)不同類型船舶連接岸電的電氣參數(shù)要求和IEC 60092-503:2021出版物的有關(guān)規(guī)定，將上述額定值歸納為表2與表3。

表2 船載高壓岸電箱主電路的額定絕緣水平

表3 各類型船舶連接高壓岸電時(shí)主電路的短路強(qiáng)度限值

3 用途與安裝方案

船載高壓岸電箱在HVSC系統(tǒng)中是連接岸電電源的受電設(shè)施，又是向船舶提供外來電源的供電設(shè)施，在船上有2種安裝方案:獨(dú)立式或組合式。

當(dāng)船舶主電站為高壓電力系統(tǒng)時(shí)，且額定電壓、額定頻率與港口碼頭高壓岸電的額定值相一致，船載高壓岸電箱的安裝方案可以采用獨(dú)立式或組合式，其用途是向高壓主配電板饋電。當(dāng)船舶主電站為低壓電力系統(tǒng)時(shí)，船載高壓岸電箱的安裝方案只可以采用獨(dú)立式，其用途是控制降壓變壓器。

3.1 獨(dú)立式安裝

船載高壓岸電箱獨(dú)立式安裝時(shí)，通常設(shè)置在船上便于連接岸電的艙室內(nèi)。由于外形尺寸不受特別限制，可采用固定式或移開式(抽出式)。電纜可下進(jìn)下出，下進(jìn)上出或上進(jìn)下出。安裝時(shí)，可將一次系統(tǒng)的高壓斷路器、隔離開關(guān)(接地開關(guān))、限流熔斷器、電壓互感器、電流互感器、避雷器、船用入口(如果有)等設(shè)備都安裝在箱殼內(nèi)。

按船舶電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)不同，獨(dú)立式安裝的高壓岸電箱有2種用途：一種是對(duì)饋電線進(jìn)行控制和保護(hù)，另一種是對(duì)變壓器進(jìn)行控制和保護(hù)。按電纜管理系統(tǒng)的所在位置不同，船載高壓岸電箱的進(jìn)線方式有2種：一種是固定連接，另一種是安裝船用入口供船用連接器插接。

當(dāng)船舶主電站為高壓電力系統(tǒng)且額定值與港口岸電一致時(shí)，船載高壓岸電箱的用途是對(duì)連接到船舶高壓主配電板的饋電線路進(jìn)行控制和保護(hù);如果電纜管理系統(tǒng)設(shè)置在港口碼頭，系統(tǒng)布置見圖2。

XP—高壓船用入口；F—避雷器；E—高壓帶電顯示器；FU—限流熔斷器；TV—電壓互感器；QS—隔離開關(guān)(帶地刀)；QF—高壓斷路器；TA—電流互感器。

圖2中柔性電纜的岸側(cè)端部和電纜管理系統(tǒng)固定連接，在其船側(cè)端部安裝有船用連接器；高壓岸電箱為固定式，其進(jìn)線側(cè)安裝有船用入口(XP)，供船用連接器插接。

當(dāng)船舶主電站為低壓電力系統(tǒng)時(shí)，船載高壓岸電箱的用途是對(duì)變壓器進(jìn)行控制和保護(hù)，由變壓器的低壓側(cè)向船舶低壓主配電板饋電。如果電纜管理系統(tǒng)設(shè)置在船上，系統(tǒng)布置見圖3。

F—避雷器；E—高壓帶電顯示器；FU—限流熔斷器；TV—電壓互感器；QS—隔離開關(guān)(帶地刀)；QF—高壓斷路器；TA—電流互感器。

圖3中高壓岸電箱為移開式(抽出式)，其進(jìn)線側(cè)用高壓電纜和電纜管理系統(tǒng)固定連接，柔性電纜的岸側(cè)端部安裝有高壓插頭，擬和岸側(cè)高壓岸電接電箱上的高壓插座插接。

3.2 組合式安裝

船載高壓岸電箱組合式安裝時(shí)，可成為船舶高壓主配電板的組成部分，一般為電纜下進(jìn)、母排上出，其箱體結(jié)構(gòu)型式、高度與深度宜和高壓主配電板相一致。為了能將系統(tǒng)的電氣設(shè)備一次性安裝在同一箱殼內(nèi)，箱體寬度可適當(dāng)加大尺寸。組合式安裝的高壓岸電箱上如需配備高壓船用入口，為了便于連接岸電，可另外附帶高壓船用入口箱，安裝在船上適合連接岸電的場所。

如果電纜管理系統(tǒng)設(shè)置在船上，柔性電纜的岸側(cè)端部應(yīng)安裝高壓插頭。系統(tǒng)布置見圖4，圖中高壓主配電板左側(cè)的高壓岸電箱為移開式(抽出式)，其進(jìn)線側(cè)用高壓電纜和電纜管理系統(tǒng)固定連接。

F—避雷器；E—高壓帶電顯示器；FU—限流熔斷器；TV—電壓互感器；QS—隔離開關(guān)(帶地刀)；QF—高壓斷路器；TA—電流互感器。

如果電纜管理系統(tǒng)設(shè)置在港口碼頭，船上需設(shè)置船用入口，系統(tǒng)布置見圖5。圖中，高壓主配電板右側(cè)的高壓岸電箱為固定式，隔離開關(guān)(QS)為三工位(斷開、接通、接地)。為方便岸電連接，高壓岸電箱附帶船用入口箱安裝在船上便于連接岸電的處所，供柔性電纜船側(cè)端部的船用連接器插接，其出線側(cè)用高壓電纜和高壓岸電箱的進(jìn)線端子固定連接。

XP—高壓船用入口；F—避雷器；E—高壓帶電顯示器；FU—限流熔斷器；TV—電壓互感器；QS—隔離開關(guān)(帶地刀)；QF—高壓斷路器；TA—電流互感器。

根據(jù)船舶靠泊碼頭時(shí)的實(shí)際情況需要，高壓岸電箱可附帶2只船用入口箱，分別安裝在船舶左舷和右舷，在船用入口箱中可增加高壓熔斷器(FU)對(duì)連接電纜進(jìn)行短路保護(hù)，系統(tǒng)布置見圖6。圖6中的高壓岸電箱為移開式(抽出式)，其進(jìn)線側(cè)分別用高壓電纜和2只船用入口箱固定連接。

XP—高壓船用入口；F—避雷器；E—高壓帶電顯示器；FU—限流熔斷器；TV—電壓互感器；QS—隔離開關(guān)(帶地刀)；QF—高壓斷路器；TA—電流互感器。

4 結(jié)論

(1)船載高壓岸電箱的基本特性和額定值是安全運(yùn)行的保障，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和選用時(shí)，其技術(shù)要素應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

(2)在HVSC系統(tǒng)中，標(biāo)稱電壓與頻率以及額定絕緣水平與短路強(qiáng)度的限值，應(yīng)滿足不同類型船舶的要求。船舶連接岸電的方式，由電纜管理系統(tǒng)的位置所決定; 船載高壓岸電箱的用途，由船舶主電站的電壓等級(jí)所決定;并據(jù)此選擇適合的安裝方案。固定式或移開式(抽出式)船載高壓岸電箱各有特點(diǎn)，需根據(jù)安裝方案和船上安裝處所的具體條件進(jìn)行確定。

(3)圖2至圖6為高壓岸電箱在電纜管理系統(tǒng)的不同位置、用途時(shí)的布置。通常避雷器、電壓互感器及其限流熔斷器設(shè)置在進(jìn)線側(cè)，電流互感器設(shè)置在出線側(cè)，可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。