船舶岸電系統(tǒng)研究綜述

李建科 王金全 金偉一 馬濤

（1. 解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，南京 210007; 2 駐寧波軍代處，寧波 315020）

1 引言

在全球運(yùn)輸業(yè)務(wù)急劇增長(zhǎng)的情況下，海運(yùn)相比陸地運(yùn)輸模式有著明顯的優(yōu)勢(shì)，得到迅速發(fā)展，這不僅因?yàn)槠鋵?duì)基礎(chǔ)設(shè)施需求較小，還因?yàn)橐酝＿\(yùn)很少出現(xiàn)交通阻塞，但海運(yùn)業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展的同時(shí)也對(duì)環(huán)境污染的控制造成了巨大壓力。船舶靠港時(shí)通常采用輔機(jī)供電，而輔機(jī)在工作時(shí)向空氣中大量排放主要成為二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）的污染物，根據(jù)國(guó)際海事組織（IMO）發(fā)布的數(shù)據(jù)，全球以柴油為動(dòng)力的船舶每年向大氣排放 1000萬噸 NOx和850萬噸SOx，造成嚴(yán)重污染[1]；同時(shí)，船舶使用柴油電機(jī)產(chǎn)生的噪聲也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。如何減少污染物的排量以改善港口碼頭的空氣質(zhì)量已經(jīng)成為相關(guān)部門亟待解決的問題。如果船舶靠港期間由陸地電源供電而不用柴油發(fā)電機(jī)就可有效解決這一問題；同時(shí)能源緊缺造成的國(guó)際原油價(jià)格的不斷攀升也使得靠港船舶使用燃油發(fā)電的成本不斷升高，采用岸電技術(shù)還可降低船舶運(yùn)行成本，具有極大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[2]。

2 船舶岸電技術(shù)簡(jiǎn)介

岸電技術(shù)(shore power technology)是指允許裝有特殊設(shè)備的船舶在泊位期間接入碼頭陸地側(cè)的電網(wǎng)，從岸上獲得其水泵、通訊、通風(fēng)、照明和其他設(shè)施所需的電力，從而關(guān)閉自身的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，減少?gòu)U氣的排放量[3-5]。

2.1 發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)進(jìn)行了船舶岸電的設(shè)計(jì)與研究。國(guó)際一些先進(jìn)港口（主要以美國(guó)洛杉磯港為代表）已經(jīng)采用陸地的電源對(duì)靠港船舶供電，效果比較好。如美國(guó)洛杉磯港，采用岸電系統(tǒng)之后，NOx、SOx和可吸入顆粒的排放量明顯減少，有效地改善了港口的空氣質(zhì)量。2008年，西門子輸配電集團(tuán)（PTD）推出新型船岸電系統(tǒng)“Siplink”，2009年6月，英國(guó)石油美國(guó)公司和美國(guó)加州長(zhǎng)灘港開放了世界上首座配備岸電系統(tǒng)的油輪碼頭。

國(guó)內(nèi)船舶岸電技術(shù)研究還處在起步階段。原交通部2004 年4 月頒布《港口經(jīng)營(yíng)管理規(guī)定》中提到了港口區(qū)域內(nèi)應(yīng)為船舶提供岸電等服務(wù)，為船舶提供岸電將成為綠色生態(tài)型港口發(fā)展的趨勢(shì)；2005年上海港開始立項(xiàng)研究船舶岸電技術(shù)；青島港招商局碼頭進(jìn)行岸電系統(tǒng)改造后，首先應(yīng)用于局內(nèi)支線的船舶上，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，局內(nèi)支線船舶每年將減排913噸CO2、1.15噸SOX、15.3噸NOX，有效地改善了區(qū)域環(huán)境，對(duì)促進(jìn)低環(huán)保事業(yè)的發(fā)展做出了積極的貢獻(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)的一般組成

岸電系統(tǒng)由陸地供電系統(tǒng)（提供岸電）和船舶配電系統(tǒng)（接收岸電）組成，如圖1所示。根據(jù)靠港船舶所采用的電壓等級(jí)，岸電系統(tǒng)可分為低壓供電和高壓供電兩種類型。

圖1 船舶連接岸電框圖

陸地供電系統(tǒng)主要包括兩部分：

①岸電插座箱：提供連接船舶電纜的接口；

②電纜操作裝置：用于電纜的搬運(yùn)和裝卸。

相比而言，船舶岸電系統(tǒng)一般包括三部分：

①插座屏：用來連接來自碼頭的電纜；

②轉(zhuǎn)接屏：將來自插座屏的電源饋送至配電箱，該屏還具有檢測(cè)相序、功率和電流等參數(shù)顯示的功能；

③配電箱（大中型船舶）：將岸電電源通過主配電板向整個(gè)船舶電網(wǎng)供電。

3 幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)探討

3.1 系統(tǒng)線制匹配問題[6]

一般大型港口中心電站進(jìn)線電壓等級(jí)選擇110 kV，中型港口選擇35 kV，小型港口選擇10 kV。通常，大中型港口中心電站經(jīng)總降壓變電所降壓至10 kV后配電給碼頭分變電所。我國(guó)10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)普遍采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)為當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)不必切斷10 kV電源側(cè)斷路器，只需發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，以便在盡可能短的時(shí)間內(nèi)排除故障，避免因斷路器跳閘而導(dǎo)致大面積停電。

港口碼頭地區(qū)由于單相用電負(fù)荷量大，通常采用三相四線加保護(hù)線 TN-C-S低壓供電系統(tǒng)，可直接從系統(tǒng)獲取單相220 V電源，非常經(jīng)濟(jì)；但由于船舶交流供電系統(tǒng)對(duì)供電可靠性和連續(xù)性要求很高，大都采用三相三線制IT系統(tǒng)供電，因此當(dāng)船舶靠港時(shí)，由于供電系統(tǒng)線制不匹配，不能直接連接岸電電源，必須對(duì)陸地供電系統(tǒng)進(jìn)行改造，既能滿足港口單相照明系統(tǒng)的用電需求，又能向不同線制的船舶供電。

然而，船電采用IT系統(tǒng)，岸電是TN系統(tǒng)，岸電同時(shí)以TN系統(tǒng)向其他岸電設(shè)備供電，由岸電TN系統(tǒng)向船舶供電時(shí)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些問題，容易引發(fā)電擊、電氣火災(zāi)、設(shè)備絕緣擊穿等安全問題。對(duì)于低壓供電系統(tǒng)，若采用圖 2所示的供電系統(tǒng)，經(jīng)變壓器降壓后，既能滿足陸地側(cè)的單相和三相設(shè)備的電力需求，又能滿足低壓船舶系統(tǒng)對(duì)電力的需求；對(duì)于高壓系統(tǒng)，需要單獨(dú)設(shè)置變壓器，將高壓變?yōu)楹线m的電壓向船舶供電。

3.2 相序檢測(cè)

三相交流電源的相序?qū)δ承┰O(shè)備有直接的影響，相序不同，三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向就不同；相序有錯(cuò)，電度表的計(jì)量就不準(zhǔn)確[7]。船舶電力系統(tǒng)連接岸電電源時(shí)必須保證船電相序與岸電相序相同，否則會(huì)影響船舶電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。根據(jù)晶體管的導(dǎo)通和截止條件，文獻(xiàn)[7]介紹了一種基于雙極型晶體管的相序指示器，同時(shí)介紹了基于相序指示器的三相電源相序檢測(cè)電路和自動(dòng)矯正電路。通過這種裝置可以判別出岸電和船電的相序，若兩者不一致可進(jìn)行校正，保證船電與岸電相序的一致性。

圖2 船舶岸電系統(tǒng)圖

3.3 交流岸電電壓穩(wěn)定

負(fù)荷的變化可引起電源電壓的變化，導(dǎo)致岸電系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，這種岸電電壓的變化進(jìn)一步可能導(dǎo)致船舶電氣設(shè)備損壞，特別是控制電源設(shè)備中的控制電源變壓器以及電源模塊容易損壞，因此，如何實(shí)現(xiàn)交流岸電電壓穩(wěn)定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮的問題之一。通常采用的方案是使用原邊帶多抽頭的有載調(diào)壓變壓器，配上有載分接開關(guān)，通過開關(guān)的分接變換操作，可使變壓器在帶負(fù)載條件下改變變壓器線圈匝數(shù)，即改變變比以達(dá)到調(diào)壓的目的，這種調(diào)壓方式被稱為有級(jí)調(diào)壓方式。文獻(xiàn)[8]推薦了一個(gè)經(jīng)濟(jì)性較好的方案，即采用自動(dòng)補(bǔ)償式電力穩(wěn)壓裝置，通過加裝一個(gè)相當(dāng)于原變壓器20%的補(bǔ)償裝置，來完成輸出電壓的補(bǔ)償，以達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定的目的。同時(shí)，該裝置還具有穩(wěn)壓精度高、可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足船舶電網(wǎng)品質(zhì)要求[8]。

3.4 船舶岸電的電力傳輸方式

岸電系統(tǒng)的電力傳輸方式與碼頭供電電壓、傳輸距離、船舶需求電功率等因數(shù)有關(guān)，根據(jù)不同情況，可選用不同的傳輸方式：

1）直接連接。船舶和岸電采用相同電制時(shí)，例如采用變壓器將岸電變?yōu)槿嗳€制IT系統(tǒng)，由碼頭配電裝置直接對(duì)船舶提供岸電，這種方式適合于小型船舶且近距離的輸電。

2）駁船電力輸送。對(duì)于大型國(guó)際性的港口，碼頭空間有限，大型船舶靠港時(shí)需處于深水區(qū)，岸電傳輸導(dǎo)線比較長(zhǎng)，并且各種型號(hào)的船舶所需求的電壓也不同，要求港口針對(duì)不同的船舶能提供不同的電壓，為解決這些問題，將電力變換裝置放置于駁船上，通過駁船向靠港船舶供電，以擴(kuò)充港口空間和降低低壓傳輸電纜的長(zhǎng)度。例如中國(guó)中海集團(tuán)的集裝箱船“新?lián)P州”和“新南通”號(hào)靠岸時(shí)將岸電插塞插在緊靠碼頭的一條裝有相關(guān)連接設(shè)備的駁船上。

3）采用不同的供電電壓。當(dāng)陸地岸電系統(tǒng)和船舶岸電系統(tǒng)采用不同的電制時(shí)，根據(jù)船舶電壓的不同可分為兩類：一是對(duì)于低壓船舶系統(tǒng)，陸地岸電經(jīng)過變頻、降壓后，以低壓方式通過連接電纜對(duì)船舶供電；二是對(duì)于高壓大型集裝箱船舶，陸地電源經(jīng)變頻后以高壓的形式向船舶供電。

3.5 其它問題

船舶在接用岸電的過程中，除了上述主要技術(shù)問題，還存在船舶岸電功率的確定、岸電連接點(diǎn)的選擇、碼頭連接電纜的管理等問題，現(xiàn)代船舶一般都有電力監(jiān)控及保護(hù)系統(tǒng)，因此使用岸電供電要做好與船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)兼容的技術(shù)措施。同時(shí)，隨著非線性設(shè)備的增多，電網(wǎng)中諧波含量逐漸增加，在接用岸電時(shí)有必要對(duì)陸地側(cè)的電網(wǎng)進(jìn)行諧波分析并加以抑制，以免影響船舶所帶電子儀器的靈敏性。

4 系統(tǒng)可靠性分析[9]

港口對(duì)岸電系統(tǒng)供電的可靠性要求很高，在設(shè)計(jì)船舶岸電系統(tǒng)時(shí)要把系統(tǒng)的高可靠性作為設(shè)計(jì)的中心環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)首先是設(shè)備選擇問題，必須選用有可靠的質(zhì)量保證體系的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的經(jīng)相關(guān)檢驗(yàn)部門認(rèn)可的設(shè)備；同時(shí)，為消除隨機(jī)的故障對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)應(yīng)有必要的備用及應(yīng)急措施，包括備用電源和應(yīng)急電源、備用或應(yīng)急線路、設(shè)備等，保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

5 設(shè)備防潮技術(shù)

受海邊高溫、高濕、高鹽霧惡劣環(huán)境影響，港口碼頭地區(qū)相對(duì)濕度偏高，電氣設(shè)備易受潮及變形，鍍層剝落，海水鹽霧的侵襲、霉菌的生長(zhǎng)和油霧及灰塵粘結(jié)，都會(huì)使絕緣下降，工作性能受到影響。特別是低壓供電系統(tǒng)不僅回路多、線路長(zhǎng)，而且用電設(shè)備多樣，敷設(shè)形式多樣，為了保證供電系統(tǒng)的可靠、安全、連續(xù)運(yùn)行，要求電氣設(shè)備具有較好的防潮及絕緣性能。

我國(guó)港口碼頭電氣設(shè)備大都采用“油封法”或者高防護(hù)等級(jí)配電柜防潮，但兩者都有局限，前者只能對(duì)個(gè)別設(shè)備進(jìn)行防潮，如斷路器，卻不能保護(hù)所有的設(shè)備；后者不能完全隔絕潮氣進(jìn)入柜體內(nèi)部，在工程實(shí)踐中，根據(jù)具體情況，一般采用多種防潮方法配合使用，以達(dá)到最佳防潮效果。

6 結(jié)束語

船舶岸電技術(shù)可以在船舶靠港期間向船舶提供電能，進(jìn)而減小船舶輔機(jī)帶來的大氣和噪聲等污染，文中分析了船舶岸電技術(shù)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)并對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行闡述，對(duì)理解系統(tǒng)的工作原理及組成結(jié)構(gòu)有很大的幫助。

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