輸入端為高壓20 kV船舶岸電系統(tǒng)的方案探討

摘 要：防止環(huán)境污染和節(jié)能減排是目前世界上迫切需要解決的問題，在航運行業(yè)中充當主角的集裝箱輪、油輪、散貨輪、郵輪等船舶都面臨著這兩大問題。船舶航運污染已成為繼機動車尾氣污染、工業(yè)企業(yè)排放污染之后第三大大氣污染來源，對于船運口岸來說使用岸電系統(tǒng)技術已是一種必然趨勢。由于港口碼頭配電系統(tǒng)的限制，系統(tǒng)的高壓輸入端通常為10 kV或者6 kV，高壓20 kV輸入的船舶岸電系統(tǒng)并不常見，針對某高壓輸入端為20 kV的船舶岸電系統(tǒng)提出一套可行的實施方案。結果可為同類項目提供參考。

關鍵詞：航運污染; 船舶岸電系統(tǒng); 配電系統(tǒng); 高壓

中圖分類號： TU855文獻標志碼： A 文章編號： 1674-8417（2024）09-0046-06

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.09.009

0 引 言

某沿海城市港區(qū)擁有岸線近90 km，港區(qū)包含千噸級以上碼頭泊位23個，其中萬噸級泊位共有7個，碼頭最大靠泊能力為5萬t級。目前高潮位時維護水深35 000 t級貨船可乘潮通過。2016年，該港口新建5萬t航道項目，新建設港區(qū)碼頭占地170.4公頃，總投資31億元，新建6個泊位，其中：4個5萬t散貨泊位、1個2萬t級（兼靠5萬t）多用途泊位、1個2 t噸級（兼靠5萬t）重裝泊位，以及綜合配套區(qū)、堆場區(qū)、倉庫區(qū)、商貿市場交易區(qū)和辦公區(qū)、生活區(qū)等，年可形成吞吐量3 300萬t，20萬個標準集裝箱。該新建港區(qū)的配電系統(tǒng)電壓等級為20 kV，整個船舶岸電系統(tǒng)的輸入電壓等級也為20 kV，和碼頭常見的高壓輸入端為10 kV或6 kV的船舶岸電系統(tǒng)不同，因此本文針對該船舶岸電系統(tǒng)的實際情況設計一個有效的可實施方案。

1 船舶岸電系統(tǒng)

1.1 船舶岸電系統(tǒng)概述及優(yōu)點

船舶在港口碼頭?？炕蛘咴诖瑥S維修時，過去通常采用柴油發(fā)電機供電的方式。船舶采用柴油發(fā)電機發(fā)電的模式會存在許多問題：① 柴油發(fā)電機發(fā)電供電時，會產生過量電能，而這些電能由于無法有效存儲，從而造成浪費;② 柴油發(fā)電機運行過程中的排放會造成大量的廢氣污染;③ 船舶在?？繒r采用柴油發(fā)電機發(fā)電會產生大量的噪聲，影響船上或周邊人員的休息。為了解決船舶停靠在碼頭柴油發(fā)電機所帶來的諸多問題，現(xiàn)在停靠后用電設備（如吊裝機、船用電機、冷庫、照明和船舶日常用電等）的供電已改由碼頭的岸電系統(tǒng)提供。在國際上關于船舶岸基供電最早于2006年提出，并制訂了相關的岸電電源標準，得到了廣泛的推廣和應用。在國內，岸電電源技術是交通運輸部于“十二五”期間提出并推廣的，但是受資金和技術等的影響，近幾年才廣泛地應用。近年來交通運輸部明確提出全面加強碼頭港口岸電建設，要求全國主要港口90%的港作船舶、公務船舶靠泊使用岸電，50%的集裝箱、客滾和郵輪專業(yè)化碼頭具備向船舶供應岸電的能力。港口碼頭采用船舶岸電技術具有如下優(yōu)點：① 船舶停港靠岸后，停止柴油發(fā)電機運行，有效地減少廢氣排放，達到減排的效果;② 柴油發(fā)電機發(fā)電的效率低，電能浪費嚴重，采用岸上電源供電后可以使得用電效率大幅提高;③ 關閉柴油發(fā)電機運轉，可以消除發(fā)電機運行過程中所產生的噪聲污染［1］。

1.2 船舶岸電系統(tǒng)的方案及配置

大部分大型船舶的電源頻率為60 Hz，小型船舶和國內少數大型船舶的電源頻率是50 Hz，而我國的電網頻率為50 Hz，為了適合不同船舶岸電輸送的要求，這就需要船舶岸電系統(tǒng)要有 50 Hz和60 Hz 雙頻輸出。如采用60 Hz電動機作為發(fā)電機用來向船舶提供電源，輸出功率和供電效率都無法達到要求，因此對于通常容量達到兆瓦級的大型船舶的電力輸送而言，電動機是無法做到的?，F(xiàn)在的船舶岸電系統(tǒng)通常采用變頻電源供電輸出的方式來解決上述的問題，變頻電源由于電壓等級的不同，通常分為高壓變頻器方式和低壓變頻器兩種，每種變頻器的輸出又有高壓輸出和低壓輸出兩種，根據變頻器的分類和輸出電壓等級，船舶岸電系統(tǒng)組成通常有5種方案。方案一如圖1所示。方案二如圖2所示。方案三如圖3所示。方案四如圖4所示。方案五如圖5所示。

現(xiàn)在的船舶岸電系統(tǒng)通常選用方案五的配置方式。由港口碼頭的高壓配電室通過電纜引入至由船舶岸電系統(tǒng)設備組成的變電所或集裝箱的10 kV高壓柜，再經過高壓變頻電源柜進行變頻和變壓處理，輸出成碼頭船舶所需要的頻率和相應的電壓后，再通過隔離變壓器后由高壓出線柜輸送至碼頭岸邊的岸電連接箱，通過高壓電纜快速連接器，將船舶上改造好或船舶建造時裝有的超柔性電纜卷盤上的高壓電纜直接和岸電連接箱相連接，最后船上的變壓器將輸送來的電源電壓降到船用額定電壓后對船上負載進行供電［2］。

2 高壓20 kV輸入岸電系統(tǒng)的問題

2.1 高壓20 kV輸入岸電系統(tǒng)

在船舶靠港停泊期間停止使用船舶發(fā)電系統(tǒng)，通過岸基變頻電源將20 kV/50 Hz的工業(yè)電源轉換成船用電源供電，滿足6.6 kV/60 Hz或6 kV/50 Hz的船舶各種電氣設備的用電需求，變頻電源容量滿足1 000 kVA容量需求，同時在碼頭前沿配套提供兩套岸基電源高壓插座箱，并通過電纜將特定電源為靠港船舶供電。本項目岸電系統(tǒng)采用高壓上船方式，岸電電源裝置設備整體安裝在已建的配電房內。岸電系統(tǒng)設計應滿足一艘5萬t級干散貨船舶靠泊作業(yè)期間的用電需求，向單個泊位船舶供電額定容量不小于1 000 kVA。船舶在?？科陂g關閉柴油發(fā)電機供電，與港口碼頭的岸電電源無縫連接，并可通過岸電控制系統(tǒng)一鍵啟動和停止;岸電電源系統(tǒng)可進行當地監(jiān)控管理;岸電電源符合節(jié)能、環(huán)保、安全等要求，具備較高的過載能力及規(guī)范的安全保護系統(tǒng)，預留整體并聯(lián)擴容的接口系統(tǒng)。整套岸電系統(tǒng)包括電源輸入輸出及轉換系統(tǒng)，船岸連接系統(tǒng)，設備在線檢測控制系統(tǒng)等部分，系統(tǒng)具備船岸供電之間無縫切換，并具有實時數據采集、保護和通信功能［3］。

2.2 系統(tǒng)組成和設備清單

本項目岸電系統(tǒng)的組成如下：① 船舶岸電電源裝置（含變壓變頻設備、電源品質改進設備、進出兩組主變壓器、6.6 kV開關柜、整體并聯(lián)擴容接口軟硬件等）;② 岸基電源高壓插座箱（每套含兩組船用電源供電和控制的插座及連接部件）及外部安裝鋼板外殼;③ 變壓變頻電源裝置就地監(jiān)控保護和遠程監(jiān)控保護系統(tǒng)及其控制電纜、光纜通信線路，及以上控制電纜及光纜的敷設安裝在本供貨范圍內;④ 岸電系統(tǒng)相關的輔助裝置;⑤ 由同一變電所內20 kV饋電柜至岸電電源裝置20 kV電力電纜及岸電電源裝置至碼頭前沿岸電插座箱的6.6 kV高壓電纜采購及敷設安裝;⑥ 供貨范圍包括上述系統(tǒng)和設備的設計、制造、出廠檢驗及測試、運輸交貨、安裝成套、調試、培訓、質保服務等，應統(tǒng)籌考慮設備的兼容性和系統(tǒng)性，確保該系統(tǒng)建成后按照本規(guī)格書的要求正常投入運轉［4］。通過該項目的系統(tǒng)組成，生成主要設備的清單。主要設備清單如圖6所示。圖6 主要設備清單

2.3 該項目系統(tǒng)的主要問題

為滿足該項目船舶供電系統(tǒng)的特殊要求，該岸基供電系統(tǒng)需要具備以下特性：① 岸電供電設備必須滿足國際標準，能夠滿足國內國際大部分船舶的岸電連接;② 綜合考慮供電接點數量、

安裝位置、供電容量、線路敷設等因素;③ 岸電

系統(tǒng)20 kV進線具備后期容量擴展的硬件及軟件接口，可與未來新增的岸電變頻電源并聯(lián)運行;④ 滿足頻率50/60 Hz以及電壓6.6/6 kV的調節(jié)，保證輸出頻率和輸出電壓的穩(wěn)定;⑤ 對岸上電網和船舶內網無諧波干擾影響;⑥ 具有相序檢測及告警功能，確保連接船舶與岸電系統(tǒng)的相序一致;⑦ 具備缺相、短路、連鎖等各種保護，可靠安全供電;⑧ 安裝國家認可的電能檢測儀表，測量精度不低于0.2級，保證測量的準確性，并可以通過監(jiān)控系統(tǒng)對數據進行分析整理;⑨ 適應碼頭的惡劣環(huán)境，高壓插接岸電箱需要達到IP65防護等級以上;⑩ 岸電采用配電房布置方式，應符合配電室內安裝尺寸要求［5］。通過對相關碼頭岸電系統(tǒng)的設計實施經驗，可以總結出該項目在設計實施過程中的主要問題有：① 該項目變頻電源的高壓輸入電源為20 kV，該電壓等級的變頻電源并不常見，對變頻電源的要求相應更高;② 該項目的控制系統(tǒng)需要全面監(jiān)控配電柜、變壓器、變頻器、岸電箱等設備的數據和狀態(tài)，并可以在控制系統(tǒng)中通過一鍵啟動的方式將船舶所需電源傳輸上船;③ 由于項目位于港口碼頭，會長期受到高濕、高鹽以及高溫的影響，同時整個系統(tǒng)電纜的長線路和多回路會極易造成線路上電纜的老化、破損，從而引起單相接地故障。

3 輸入端為20 kV岸電系統(tǒng)的實施

3.1 項目的深化設計

根據用戶對該項目的需求，以及項目的主要設備清單，一次系統(tǒng)圖如圖7所示，配電室設備布置圖如圖8所示，碼頭的岸電箱布置圖如圖9所示。

3.2 針對項目相關技術問題的處理方案

3.2.1 輸入側為高壓20 kV的變頻電源

岸基供電系統(tǒng)容量根據船舶用電負荷進行設計，考慮裕量后變頻電源容量設定為1 600 kVA，額定輸入電壓為20 kV，額定頻率為50 Hz。高壓上船：額定輸出電壓為AC 6.6 kV（6 kV），額定頻率為60 Hz（50 Hz）。根據現(xiàn)場需求，變頻電源主回路方案如圖10所示。

由圖10所知，在此方案中，高壓變頻電源包括移相變壓器、功率柜+控制柜、輸出限流電抗柜;移相變壓器配置：原邊三相輸入額定電壓20 kV，50 Hz，帶有±5%調壓，副邊三相輸出共18組，每組空載額定電壓為AC 690，輔助輸出一組三相繞組，空載電壓為AC 400 V，實時檢測變壓器柜溫度，保證變壓器可靠運行。變壓器柜為風冷;功率柜配置：每相6個功率單元串聯(lián)，每個功率單元電氣性能一致，可以互換，單元串聯(lián)輸出電壓6 kV及6.6 kV;控制柜配置：采用觸摸屏顯示和操作，控制系統(tǒng)雙路電源互為備用供電。

3.2.2 系統(tǒng)監(jiān)控及一鍵啟動

該項目采用PWRControl-PMS智能配電監(jiān)控系統(tǒng)（岸電專用型）。該系統(tǒng)除了具備常規(guī)的設備通信、數據信號采集以外，還通過人機交互系統(tǒng)增加了多個畫面處理和數據分析功能，并通過人機界面的按鈕實現(xiàn)整個系統(tǒng)的設備自檢和一鍵啟動。某港口碼頭岸電系統(tǒng)一次圖如圖11所示。報表查詢數如圖12所示。船岸連接狀態(tài)圖如圖13所示。

如圖13所示，可對系統(tǒng)所有設備進行自檢，并通過一鍵啟動和一鍵停止按鈕啟動和停止系統(tǒng)。

3.2.3 在系統(tǒng)的中性點側安裝電阻柜

為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運行，在中性點側安裝接地電阻柜來對系統(tǒng)進行保護。系統(tǒng)采用中性點接地電阻柜主要有兩個優(yōu)點，首先可以有效抑制系統(tǒng)過壓，其次可以通過接地短路產生的大電流迅速第一時間切斷故障回路。中性點接地電阻如圖14所示。

4 結 語

近年來，國家在內河和沿海的港口碼頭加大了船舶岸電電源系統(tǒng)的建設力度，各種容量、各種電壓等級的船舶岸電系統(tǒng)層出不窮，但是系統(tǒng)為高壓20 kV輸入的船舶岸電系統(tǒng)并不常見。

本文以某沿海碼頭高壓20 kV輸入的船舶岸電系統(tǒng)為例，結合碼頭岸電系統(tǒng)的標準和技術，針對該項目的主要相關問題，提出了一套針對該類系統(tǒng)的方案。但是，船舶岸電系統(tǒng)的項目由于用戶需求、?？凯h(huán)境、?？看暗炔煌總€項目都具有獨立性，項目設計要綜合考慮。

［1］ 孟祥萍.電力系統(tǒng)與調度自動化［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］ 中華人民共和國交通運輸部.碼頭船舶岸電設施建設設計規(guī)范：JTS 155—2012［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［3］ 中華人民共和國交通運輸部.港口船舶岸基供電系統(tǒng)技術條件第1部分：高壓上船：JTT 814.1—2012［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［4］ 劉興宇.港口船舶岸電技術與實踐［M］北京：中國電力出版社，2018.

［5］ 龍曉雷，賴逸洋，鄭欣.船舶岸電系統(tǒng)變電方案分析與設計［J］.電工技術，2018（9）：72-75.

收稿日期： 20240822

Discussion on the Scheme of High Voltage 20 kV Ship Shore

Power System with Input Terminal

SHI Zhaolei

（Shanghai Liangming Electric Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200082， China） Abstract：

Preventing environmental pollution and energy conservation and emission reduction are urgent issues that need to be addressed in the world.Container ships，oil tankers，bulk carriers，cruise ships and other vessels that play a leading role in the shipping industry are facing these two major problems.Ship shipping pollution has become the third largest source of air pollution after motor vehicle exhaust pollution and industrial enterprise emissions pollution.For shipping ports，the use of shore power system technology has become an inevitable trend.Due to the limitations of the port terminal power distribution system，the high-voltage input terminal of the system is usually 10 kV or 6 kV.Ship shore power systems with a high-voltage input of 20 kV are not common.This article proposes a feasible implementation plan for a ship shore power system with a high-voltage input terminal of 20 kV.The results can provide reference for similar projects.Key words：

shipping pollution; ship shore power system; power distribution system; high voltage