交流高壓岸電系統的安全與保護裝置設計

王 星 昱

（中國船級社上海分社，上海 200135）

0 引 言

交流高壓岸電系統是指船舶靠港期間向船舶供電的設備，包括船載裝置和岸基裝置，港口向船舶配電系統供電的電源額定電壓在1～15kV之間。

交流高壓岸電系統的應用，帶來了幾個典型的好處。一是減排，避免了船舶靠泊期間采用停泊機組供電；二是節約成本，岸電的成本大大小于船舶自身柴油發電機組發電的成本，而且在一些港口也替代了使用低硫燃料的工作，降低了運營和管理成本；三是減噪，消除了停泊機組運行的噪聲污染，改善了船員工作環境[1]；四是節能，陸地發電設備效率高于船舶發電機組；五是靈活，可以實現不斷電轉換，也適應了船舶大型化和用電負荷變化的潮流[2]。

本文通過對典型船舶的交流高壓岸電系統的設計，研究了該系統的安全與保護要求。

1 系統設計

1.1 基本要求

國際海事組織海洋環境委員會于2008年10月提出了一系列船舶減排目標、標準和計劃。國際電工協會也結合歐盟相關標準提出了靠港船舶接岸電的標準[3]。CCS（中國船級社）在2011年發布了船舶高壓岸電系統檢驗原則，并在《鋼質海船入級規范》2013年修改通報中對交流高壓岸電系統做了規定。

上述文件對系統設計、設備和試驗等方面提出了要求。如船舶第一次到達某港口，在連接岸電之前，應對船舶連接岸電進行評估，考慮岸電電壓、頻率、容量和短路兼容性[4]。船舶和碼頭間應建立等電位連接，并且該連接不應改變船舶配電系統的接地原理[5]。

1.2 短路電流評估

短路評估時，需考慮岸電和船舶電源饋送的預期短路電流，可采取并網連接轉移負載期間限制運行船舶發電機組數量，和/或限制岸電供電電源輸入至船舶配電系統的短路電流的措施，以限制連接岸電時的預期短路電流。

目前各大船級社認可的短路電流計算均采用IEC61363標準，但是，當船舶連接高壓岸電時，IEC61363標準所提供的方法已經不再適用，這時需采用陸上電網短路電流計算通用的IEC60909標準，而采用該標準計算船舶接入高壓岸電時的短路電流也已經得到了中國船級社的認可[6]。

1.3 典型系統

一條5萬dwt散貨船，船舶電制為AC400V，裝卸貨工況下所需功率約為800kW，碼頭電制為AC6000V。高壓上船后經變壓器降壓后供船舶使用。采用短時并聯的方式轉移負載。系統示意圖見圖1。

圖1 高壓岸電系統示意

2 岸基裝置設計

岸基裝置主要由碼頭側變壓器、高壓配電柜、碼頭岸電插座箱及其控制保護裝置組成。

變壓器在發生過載、短路、過電壓、欠電壓和逆功時，變壓器二次側的斷路器應可靠斷開。所以在保護裝置中設置了欠壓、逆功、過流、接地故障、過電壓和方向性過流保護，并將斷路器故障分斷的信號發送到船上。

高壓配電柜本身設計了五防聯鎖，包括防止誤合分斷路器；防止帶負荷拉、合隔離開關；防止帶電合接地開關；防止帶接地開關合斷路器；防止誤入帶電間隙。另外還設置了應急切斷和安全聯鎖功能。

應急切斷包括自動切斷和手動切斷。根據規范的要求在發生如下情況時激活自動切斷：1) 等電位連接斷開；2) 電纜管理系統發出報警信號；3) 岸電系統控制盒監測線路故障；4) 岸電連接插頭帶電拔出。特別注意的是，在發生應急切斷后，必須人工復位后斷路器才能再次閉合。

安全聯鎖除了開關柜自身的機械五防聯鎖外，還設置了與外部信號的電氣聯鎖。這些外部信號如等電位連接、岸電供電電源、岸電連接插頭插座的控制極電路、控制監測電路、保護接地系統發生故障或未建立時，或者電纜管理系統發出報警、應急切斷激活、船上岸電連接配電柜接地開關閉合時，都不能閉合或立刻斷開碼頭側高壓斷路器。隔離開關在如下幾種情況下也不能閉合：船側或碼頭側其中一只接地開關閉合；船岸間連接線路故障；岸電連接插頭插座的控制極電路未閉合；等電位連接未建立。接地開關只能在這幾種情況下打開：岸電連接插頭插座的控制極電路閉合，船岸間建立了通訊連接，船岸系統等級協調，并且緊急切斷未激活。

碼頭岸電插座箱和船上設備中的電纜管理系統配套使用，有合適的防護等級，插座連接便捷可靠，插座設計成插接時PE極先接觸，然后是控制極接觸，最后是主回路三極接觸，分開時順序相反。

3 船載裝置設計

船載裝置包括插頭、岸電電纜和電纜管理系統、岸電連接配電柜、船載變壓器、岸電接入控制屏。這些設備的特點是：

1）岸電電纜需要經常彎曲、移動并承受一定的拉力，所以選用乙丙橡膠絕緣、五類導體的電纜，并通過彎曲試驗驗證。其長度應滿足在潮汐和船舶靠泊工況下足夠連接到岸與船舶之間的連接點；

2）電纜管理系統的功能和安全性能。功能方面，應能保持電纜有最佳長度，避免電纜松弛或過緊；配備一種獨立于控制系統的裝置，用來監測電纜最大張力并控制電纜長度；能夠回收和安置電纜；在電纜或導線連接的接線端上排除傳遞機械應力的可能性。安全性能方面，需保證電纜承受的機械應力不超過允許的設計值，電纜出現過度拉伸時，迅速斷開岸電連接斷路器，必要時從合適的位置斷開電纜避免絞車等設備的損壞。張力和長度設置了先預警后報警同時跳閘的安全功能；

3）岸電連接配電柜設置了保護裝置。當發生過流、接地故障、過電壓、欠壓、過頻、欠頻時先預警后報警同時跳閘；當發生短路、逆功、方向性過流時跳閘并報警；檢測相序，通過報警和聯鎖來保護相序。該配電柜的安全聯鎖和應急切斷功能設置與岸基裝置的高壓配電柜相同；

4）船載變壓器在主副繞組間設置了接地屏蔽；

5）岸電接入控制屏上設置了同步裝置、雙頻表、雙壓表、電流表、相序表，并限制并網連接轉移負載期間運行的船上發電機組數量。

4 等電位連接

由于船舶和碼頭間存在一定的電阻，在發生接地故障時，在遠離故障點的地方也會產生一定的電位差，存在電擊風險。通過岸電電纜中的一根芯線來建立船舶與碼頭間的等電位連接，保障人身和設備安全。等電位連接見圖2。

岸電采用的是6kV高阻接地系統，船舶電網采用的是400V不接地系統。高壓岸電上船后通過6kV/400V的降壓變壓器隔離，沒有改變船舶配電系統的接地原理。

另外，降壓變壓器在初級和次級繞組間設置了接地屏蔽，滿足了CCS鋼規第4篇第2章第14節對過電壓保護的要求。

圖2 等電位連接示意

5 結 語

由于環保要求的提高，加之經濟性和靈活性，交流高壓岸電系統得到了越來越廣泛的應用。

通過對一條典型船舶高壓岸電系統岸基裝置等的具體設計，研究了高壓岸電系統的安全與保護的要求與設置。特別是在安全聯鎖方面，通過電氣和機械聯鎖的組合，滿足規范和功能的要求。此外，通過設計合適的等電位連接方案，保障人身和設備安全。

[1] 劉洪波，董志強，林結慶. 碼頭船用岸電供電系統技術[J]. 水運工程，2011, (9): 181-184.

[2] 黃細霞，包起帆，葛中雄，等. 典型港口岸電比較及對中國港口岸電的啟示[J]. 交通節能與環保，2009, (4): 2-5.

[3] 陳 夢，陳 剛，王利鵑. 船舶高壓岸電系統組成及相關短路研究[J]. 港口科技，2011, (8): 61-63.

[4] 中國船級社. 鋼質海船入級規范[S].

[5] IEC/ISO/IEEE 80005-1 Ed.1 Cold Ironing Part 1: High Voltage Shore Connection (HVSC) Systems- General Requirements [S].

[6] 王正甲，謝立新，萬 芳. 高壓岸電在散貨船上的應用研究[J]. 船舶與海洋工程，2012, (4): 41-45.