基于海工船的科考船配電系統(tǒng)改裝

摘? ? 要：本文探討了由近海工程支持船改裝為具有科考能力的配電系統(tǒng)設計、配置及工程實施方法。通過分析兩型船配電系統(tǒng)差異性，并根據科考船的實際需求進行了系統(tǒng)設計和改造。改造后的配電系統(tǒng)能夠滿足科考船的高可靠性、穩(wěn)定性和靈活性的要求。本次改造為其它類似科考船的新建和改造提供了有益的參考和借鑒。

關鍵詞：科考船；配電系統(tǒng)；改造

中圖分類號：TB472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Renovation Technology of Power Distribution System for Scientific Research Ship Converted from Offshore Vessel

XIE Xinghuan

（ Jiangmen Hangtong Shipbuilding Co.， Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.， Ltd.，? Jiangmen 529145 ）

Abstract： This article explores the process of transforming the power distribution system of an offshore engineering support ship into a power distribution system suitable for scientific research ship. By analyzing their differences， the system design and modification are carried out according to the actual needs of scientific research ship. The renovated power distribution system can meet the high reliability， stability and flexibility requirements of scientific research ship. The successful implementation of this renovation provides useful reference and inspiration for the construction and renovation of other similar scientific research ships.

Key words： scientific research ship; power distribution system; renovate

1? ? ?前言

新建造一艘科考船成本高、周期長，采用現(xiàn)有船舶改裝成科考船是一條優(yōu)選途徑。本項目改裝船是一型近海工程支持船，原為海洋結構物海上安裝、檢驗、維修以及水下機器人作業(yè)提供多功能支持，并兼作近海作業(yè)的海上設施、船舶供應物資和食品等補給，具有浮油回收、對外消防、動力定位等多種功能，配備直升機起降場地、結構、存放、消防、供油等設施，適宜改裝。

基于該型船的配電系統(tǒng)無法滿足科考船的需求，對其配電系統(tǒng)進行改造，以適應科考船的需求。其改造后可獨立開展海工作業(yè)和海洋科考，具有水文調查、地質調查、大氣調查科考能力和重物調運能力。

2? ? ?配電系統(tǒng)差異性分析

改裝前需對所需科考船與改裝船現(xiàn)有配置的差異進行分析，以有利于減少改裝工作量，節(jié)約成本和縮短工期。原船配電系統(tǒng)滿足DP2要求，其冗余度方面符合使用要求，電站管理系統(tǒng)功能完善，能滿足全自動控制的要求，具有優(yōu)化的負荷分配能力，符合科考船配電設備用電的基本要求。

科考船和海洋平臺工作船因為用途不一樣，其配電系統(tǒng)存在差異，主要有以下幾個方面：

1）配電系統(tǒng)交流供電方式不同。原海工船上的供電和配電系統(tǒng)為交流三相三線制絕緣系統(tǒng)，而部分科考設備需要使用中性點接地的交流三相四線系統(tǒng)；交流電源電制方面原海工船上的電制為AC440 V 60 Hz，AC220 V 60 Hz，而科考船設備的電制為AC380 V 50 Hz，AC220 V 50 Hz，需要安裝變壓器、大功率變頻設備進行相應的轉換才能滿足科考設備用電的要求；

2）靈活性要求不同。海工船舶針對性強，所需功能為固定式。而科考船因為實驗項目存在階段性和可變性，需要搭載移動型設備，因此，須在主甲板預留較多大功率的開關；

3）電源質量要求不同。科考船的用電設備功率大，而且精密儀器多，對電網諧波要求更高，需要配備大功率AFE變頻器。AFE變頻器具備低諧波高效能的作用，以滿足精密科考儀器使用[1]。

3? ? 改造流程規(guī)劃

為節(jié)約改造成本，盡可能在不改變原配電板外形尺寸的基礎上，需要合理規(guī)劃配電板上的開關布局、布置各分電箱的位置。配電系統(tǒng)改造設計的主要流程：

1）統(tǒng)計需要增加、刪減的設備數(shù)量和功率；

2）進行電力負荷分析和短路電流計算，確定配電板的改造方案；

3）進行配電開關布置的規(guī)劃處理，對配電開關進行處理：

（1）現(xiàn)有的備用開關框架電流和額定電流容量足夠的就用備用開關；

（2）現(xiàn)有的備用開關額定容量不足，但是框架電流可以滿足的，就更換相同框架且額定電流滿足要求的開關，以保證安裝空間足夠；

（3）配電板上開關的布置要按從大到小的原則，優(yōu)先考慮布置空氣斷路器的位置，再布置塑殼斷路器；

（4）剩余的配電開關則布置增加一屏配電板。注意新增的配電屏在高度和寬度尺寸方面做好控制。

4? ? 改造設計及實施

4.1? 主配電板改造

本船主配電系統(tǒng)改造工程需增加以下設備，見表1。

原船主配電板有12屏，集控室區(qū)域需要新增1臺空調。新增配電板采用分配電板的型式，從原配電板的NP1屏供電。

經過綜合分析后，需要對主配電板進行改造：

1）拆除原配電板的第一屏（NP1屏）上半屏所有負載開關，開關根據具體情況移到第一屏下部分和第二屏的備用開關，多余開關移到新配電板，第一屏（NP1屏）的上半屏安裝1個4 000 AF的聯(lián)絡開關，給新配電板供電；

2）對于150 t吊機的兩路供電?？紤]第一路由新配電板供電，第二路拆除原配電板的第十一屏（NP11屏）的800 AF的斷路器（供電給原100 t吊機），安裝1個2 000 A的ACB，供電給150 t吊機分配箱2，配置相應的控制回路。將拆下來的800 A開關用于尾部變頻器（440 60 Hz/380 V 50 Hz）供電，配置相應的控制回路；

3）將原配電板中容量300 A岸電進線斷路器更換為630 A插入式斷路器，在原主配電板（NP11）上增加三相電壓、電流表，電壓、電流互感器及轉換開關等；

4）其余設備布置在新增配電板或者原備用開關供電；

5）新增3屏配電板要求底部進線，前后維護，新增配電板尺寸控制在2 000 mm寬×800 mm深×2010 mm高以內；

6）配電板廠家對各電站管理系統(tǒng)（PMS）進行更新，PMS提供吊機重載問詢功能。4臺柴油發(fā)電機組可自動并網運行，并在動力定位工作站顯示。

主甲板艉部（440 V 60 Hz）移動設備分電箱1#/2#供電的2個1250 AF的斷路器與150 t吊機使用工況可以兼容，其可從150? t吊機的分配箱進行電源分接，以控制配電板尺寸。

4.2? ?電力負荷核算

經計算，本船最大負荷工況需要4臺柴油發(fā)電機并車，其用電負荷產生了變化。為此，需要重新進行短路電流計算和保護電器選擇性分析，對主配電板母排容量及各斷路器進行重新校核。

最大短路電流應計及對應于船舶最大負載工況[2]，短路電流計算拓補結構圖如圖1所示。通過CCS計算軟件COMPASS計算在4臺發(fā)電機并車并網運行時各短路點的短路電流值。

將短路電流的計算結果對比原船斷路器的額定分斷能力Ics（kA）和額定合閘能力Icm（kA），發(fā)現(xiàn)4臺主發(fā)電機主開關處（A1、A2、A3、A4）短路電流峰值Ip（kA）均大于NW20H1斷路器的額定短路接通能力（Icm）143 kA。為此，需更換斷路器才能滿足要求，而其余斷路器符合要求。通過查找施耐德的斷路器手冊型號為“NW20H2”的開關Icm值為220 kA能滿足需求，且抽屜尺寸大小一致，不影響配電板安裝空間，所以選擇NW20H2作為新的主開關。

同時，對配電板匯流排進行校核，判斷其匯流排等元件的電動力穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。經過測算第一屏和第十一屏的母排的電流容量需要增加，按計算結果進行銅排更換。

4.3? ?區(qū)域配電裝置設置

為適應海上的多功能作業(yè)和實驗多樣性的需求，光電纜絞車集裝箱、鋼纜絞車集裝箱、ROV及其它移動科考作業(yè)實驗設備都為整體移動式安裝，可根據不同項目靈活調換。為用電靈活方便，需要在露天設置大功率的固定式440 V 60 Hz和380 V 50 Hz分配電箱。

4.3.1 露天區(qū)域380V分電箱

為滿足AC380 V用電設備的功率需求，需要增加一臺容量為500 kVA的440 V 60 Hz/380 V 50 Hz的變頻器進行電源變換。在變頻器選型時需要對電網的諧波影響進行重點考慮。經過綜合考慮采用有源前端（AFE）變頻器，整流和逆變單元都帶LCL慮波器，可以有效降低電源端的諧波干擾，確保對于電網側諧波電壓影響<5%。

新增設備尺寸控制是改裝船考慮的重點之一。變頻柜外形太大無法布置，為此采用變頻柜拆屏布置，分為變頻電源柜和輸出開關柜。

布置于主甲板預處理區(qū)左、上甲板左、主甲板艉部左舷和右舷的4個380 V分電箱從輸出開關柜處取電。艉部移動設備分電箱在布置時考慮到減小后期設備吊裝對箱體的沖撞風險，布置在艉部防撞墻保護區(qū)域內。

4.3.2水下設備升壓變壓器

設置1臺容量300 kVA水下設備升壓變壓器，原邊AC380 V 3Φ、50 Hz，副邊AC1500 V/2000 V/2600 V/2800 V，3100 V/3200 V/3300 V/4100 V/4200 V/4300 V，3Φ 50 Hz，絕緣F。變壓器原邊從變頻開關柜供電。為防止變壓器合閘時的涌流，升壓變壓器設置預充磁變壓器和相應的聯(lián)鎖保護功能。安裝水下升壓變壓器可滿足各等級高電壓的試驗設備的使用。

4.3.3 露天區(qū)域440 V分電箱

1號和2號主甲板尾部（440 V 60 Hz）移動設備分電箱內都帶1 250接線柱630/400/250/160/100/32各1個，適合各功率的設備取電。艉部移動設備分電箱布置在艉部防撞墻保護區(qū)域內，可防吊裝作業(yè)沖撞。

上甲板專用分電箱 UDDB設置上甲板FR77艙壁，分電箱內開關框架至少包含630/400/250/160 AF開關各1個，50 AF開關5個。

4.3.4廚房分電箱

為更加有效地減少電磁干擾，對廚房設備的供電增加1臺容量160 kVA，440 V/440 V，60 Hz（副邊帶440 V/380 V繞組）三繞組三相廚房隔離變壓器，將原廚房設備分電箱NP1（440 V）改成廚房設備分配電板。增加1臺容量約50 kVA，440 V/230 V，60 Hz三相廚房隔離變壓器，并增設1個220 V廚房設備分電箱。隔離變壓器的增加使得整個配電系統(tǒng)有良好的電磁屏蔽性能，保證科考設備供電穩(wěn)定和可靠。

4.3.5實驗室分電箱

設置1臺容量50 kVA、440 V/380 V/60 Hz三相四線制實驗室變壓器，為實驗室380 V/220 V設備供電，分電箱內每個供電回路設置有效漏電保護裝置。

設置1臺容量20 kVA的實驗室UPS，輸入三相三線AC440 V/60 Hz電源，輸出三相四線AC220 V/60 Hz，為實驗室220 V設備供電，分電箱內所有負載開關均帶獨立的漏電保護。

4.4? ?應急配電板改造

根據用電設備的變更情況，調整、更換配電屏上的部分饋電開關的型式和供電對象：

1）應急配電板上將 100 AF開關替換為160 AF，給150? t吊機的63 kW應急操作泵啟動箱供電；

2）AC220 V配電屏增加1個3P 16 A/63 AF 的開關供電至液位測量主控制箱；

3）AC220 V配電屏增加1個3P 50 A/63 AF 的開關供電至1號應急AC220 V分電箱（新增）；

4）新增加1個32 A/63 AF3P開關供電給駕駛室AC220V分電箱（新增）；

5）新增加1個40 A/63 AF 3P開關供電給集控室外1號AC220 V分電箱（新增）。

4.5? ?岸電箱改造

配備4根長150 m的3×95 mm2符合相關規(guī)范要求的柔性電纜作為岸電電纜。岸電電纜連接碼頭岸電的一端采用專用插頭，岸電箱設置630 A主開關，具有斷相報警、相序自動轉換等功能，帶分時計費式電表。改造后的岸電系統(tǒng)加大了容量，滿足海事局最新的規(guī)范要求，并滿足船上中央空調系統(tǒng)供電。

5? ? 結束語

經歷改造，得到以下經驗：

1）配電系統(tǒng)改造工程可采用先大后小，先主干后分支的方式。在實施的時候先從主配電板的改造著手，采用層層遞進的方式，可保證改造工程有序進行；

2）前期規(guī)劃、準備工作很重要。加強與船東溝通，在改造實施過程中需要兼顧與現(xiàn)有系統(tǒng)匹配性及現(xiàn)有船上空間限制。為保證用電負荷分配合理，滿足科考設備用電需求，需制定詳細的改造技術方案，包括新設備的選型、布線規(guī)劃、安裝調試等；

3）宜盡可能在不改變原來配電板結構的情況下，合理規(guī)劃布置配電板的開關、獨立分電箱、變壓器和變頻器等位置；

4）科考船對配電系統(tǒng)的諧波控制要求高，通過合理地選擇變頻器的濾波性能和適當設置隔離變壓器，可有效地減小諧波對系統(tǒng)的影響，提高其性能和安全性。

參考文獻

[1]吳剛，黃維.海洋綜合科考船設計[M]．上海：上海交通大學出版社，2018.

[2]鋼質海船入級規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社，2021.

作者簡介：謝行煥（1985- ），男，工程師。主要從事船舶、工程及裝備的電氣研發(fā)設計工作。

收稿日期：2023-12-10