超大型集裝箱船冷箱配電系統設計探析

傅曉紅，謝宋清，周祎隆，夏 駿

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

超大型集裝箱船冷箱配電系統設計探析

傅曉紅，謝宋清，周祎隆，夏 駿

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

分析輻射型、內環式和外環式等3種集裝箱船冷箱配電系統，從可靠性、經濟性和安裝尺寸等3個方面闡述每種冷箱配電系統的特點。引入陸用母排技術的概念，在質量、電壓降、熱量損失、短路承受能力及安裝施工等方面對母排和電纜進行比較，對母排在冷箱配電系統中應用的可能性進行前瞻性研究。

超大型集裝箱船；冷藏集裝箱；配電系統；母排

0 引 言

近年來集裝箱船大型化愈演愈烈，從10000TEU[1]發展到18000TEU，再到現在的21000TEU，中國、日本和韓國在超大型集裝箱船的設計與建造上各顯其能，訂單量逐年攀升。超大型集裝箱船均裝載有數量眾多的冷藏集裝箱（以下簡稱“冷箱”），數量在1000個左右。由于需要給數量龐大的冷箱供電，使得超大型集裝箱船的冷箱配電設計成為有別于其他船型的一個特點，同時保證冷箱配電系統的安全性和可靠性成為配電系統設計的重點。

1 超大型集裝箱船冷箱配電系統的型式

目前，國際上對冷藏集裝箱的供電通常采用輻射型[2]供電、內環式供電和外環式供電等3種方式。

1.1 輻射型供電

輻射型供電方式是由中壓配電板直接向冷箱變壓器供電，再經冷箱分電箱向冷箱供電。由于其初次投資成本較低，應用較為廣泛。輻射型供電的設計簡單明了，易于進行故障檢查和維護保養，目前我國自主設計建造的超大型集裝箱船均采用這種冷箱配電方式。圖1為典型的輻射型供電系統。

1.2 環形供電

近幾年，冷箱供電開始借鑒城市電網供電模式[3]，采用環形供電方式。環形供電是把各冷箱變壓器適當地組合起來，由中壓配電板左右饋電屏向兩邊供電，形成環路。環形供電又可分成內環式供電和外環式供電2種方式。圖2為典型的內環式供電系統。

采用環形供電方式時環數根據冷箱的數量來確定。內環式供電系統的冷箱中壓配電板安裝在機艙內專用的中壓設備艙室里，冷箱變壓器和冷箱分電箱安裝在上甲板下面的通道內。受通道內空間的限制，每個冷箱變壓器的容量選擇范圍有限，考慮到變壓器安裝和維修空間，一般選擇的容量在1000kVA左右。

外環式供電方式采用的電網結構更接近城市供電環網結構[4]，環路中的冷箱中壓環網柜、冷箱變壓器和冷箱分電箱均安裝在上甲板下面的通道內。同樣，受通道空間的限制，冷箱變壓器容量的選擇方法與內環式供電方式相同。此外，由于冷箱中壓環網柜安裝在通道內，為提高人員的安全性，此類中壓環網柜均設置有吸弧裝置，避免故障時對周圍人員造成傷害。外環式供電系統根據冷箱的數量分成單環、雙環和多環供電。圖3為典型的外環式供電系統。

2 3種冷箱配電方式的比較分析

2.1 可靠性分析

通過對輻射型供電、內環式供電和外環式供電等3種不同的冷箱供電方式的供電可靠性比較，可明顯看出內環式供電和外環式供電的可靠性要比輻射型供電高。

輻射型供電方式具有簡明直觀的特點，每個冷箱都由中壓饋電屏通過中壓冷箱變壓器、冷箱區配電板和冷箱分電箱供電，供電的可靠性直接受中壓饋電屏的影響，一旦某種故障致使中壓饋電屏上的斷路器跳閘，就會使冷箱供電中斷。

環形供電可彌補上述不足。環形供電由中壓配電板左、右2個中壓饋電屏供電，每個中壓饋電屏的斷路器按100%冷箱負荷計算；平時在環路的中間斷開，冷箱負荷分別由左、右2個中壓饋電屏供電；任何一個中壓饋電屏的斷路器若發生故障而跳閘，全部冷箱依然可由另一個中壓饋電屏的斷路器供電，從而提高冷箱供電的可靠性。內環式供電或外環式供電在實際運行過程中處于“開環”狀態，系統保護功能并不復雜，發生單點故障后可自動斷開故障回路，保證非故障支路正常運行，實現自動轉供電功能[5]。

2.2 經濟性分析

以1400個40ft冷箱為例。

1 ) 在圖1所示的輻射型供電系統中，1400只集裝箱由中壓配電板經6臺2700kVA的冷箱變壓器直接供電。根據冷箱的具體布置位置，按照就近配電的原則將2臺冷箱變壓器安裝在機艙的變壓器間內，將另外4臺冷箱變壓器安裝在上層建筑下方的變壓器間內。

2 ) 在圖2所示的內環式供電系統中，通過中壓主配電板上的饋電屏及3塊冷箱中壓配電板向18臺冷箱變壓器（1100kVA）供電。3塊冷箱中壓配電板安裝在機艙的中壓配電板間內，與中壓主配電板放在一起，18臺冷箱變壓器及冷箱分電箱安裝在上甲板下方兩舷的通道內。

3 ) 在圖3所示的外環式供電系統中，通過中壓主配電板上的饋電屏及9個中壓環網柜向18臺冷箱變壓器（1100kVA）供電。9個中壓環網柜、18臺冷箱變壓器及冷箱分電箱安裝在上甲板下方兩舷的通道內。

表1列出3種供電系統設備的配置情況。

表1 3種供電系統設備的配置情況

從配置情況看，3種供電方式的區別很大，內環式供電和外環式供電配電板的初次投資成本上升比較明顯，且外環式供電的初次投資成本最大。但是，由于內環式供電系統和外環式供電系統中冷箱變壓器、環網柜及冷箱分電箱就近安裝在上甲板下方的通道內，原由冷箱區配電板到冷箱分電箱的440V低壓電纜中有相當一部分變成6.6kV的中壓電纜，載流量降低，低壓電纜敷設長度及數量大大減少，這部分降低的成本也是相當可觀的。

2.3 設備安裝空間分析

對于輻射型供電系統，除了冷箱分電箱就近安裝在上甲板下方左右舷的通道內，冷箱區配電板和冷箱變壓器均安裝在機艙或上層建筑下方的變壓器間內，這種布置方式較為常見，易于同其他機艙設備協調安裝位置。

對于超大型集裝箱船，為在控制船型尺度的同時載運更多的集裝箱，機艙布局較為緊湊。采用內環式供電系統時需將冷箱中壓配電板安裝在機艙內，而將冷箱變壓器和冷箱分電箱就近分散安裝在上甲板下方左右舷的通道內；外環供電系統沒有占用機艙空間的冷箱中壓配電板，其中壓環網柜、冷箱變壓器及冷箱分電箱均就近分散布置在上甲板下方左右舷的通道內，可為機艙的布置提供更多可能。但是，這2種方案的設備布置較為特殊，需在總體布局上進行協調，這主要是由中壓冷箱配電板、中壓環網柜和中壓冷箱變壓器的尺寸引起的。表2給出需綜合考慮安裝空間的設備尺寸。

表2 環網設備尺寸

2.4 3種冷箱配電系統分析小結

目前國際上應用最多的供電方式還是輻射型供電，選擇這種供電方式的主要原因是造船成本相對較低。與內環式供電系統相比，外環式供電系統中所有的中壓環網柜和冷箱變壓器均分散布置在通道內，不占用機艙內的空間，且供電冗余度更高。但是，由于中壓環網柜的價格較高，目前冷箱數量較多的船舶多采用內環式供電系統，尤其是冷箱數量在1000只左右的超大型集裝箱船，只要配置和運行得當，內環式供電方式可獲得較高的供電可靠性。

3 新型的冷箱配電方式

在傳統的電力系統中，設備與設備之間的電力傳輸主要依靠電纜來實現，不同規格的電纜承載電流的能力是不同的，對于電壓等級相同的電力電纜，截面積越大，載流量就越大。考慮到電纜施工過程中允許的彎曲半徑和硬度，一般AC440V電力電纜選用的規格多為3×95mm2，最大不超過3×120mm2。超大型集裝箱船載運的冷箱數量多，若考慮成本因素，則優先選用輻射型配電系統，其優點是初次投資成本比環形配電系統小，但會在貫穿全船的通道內出現大量冷箱配電電纜，這對電纜通道的空間提出了更高的要求。

以一艘1000FEU集裝箱船為例，其冷箱配電系統采用輻射型，配置6臺2200kVA的冷箱變壓器。冷箱變壓器及中壓主配電板分別布置在機艙中的變壓器間和中壓配電板間。由于冷箱遍及全船，這就意味著采用傳統的輻射型配電系統，會在兩舷的通道內聚集大量的冷箱供電電纜，這必然會造成電纜通道擁堵。對于上層建筑和機艙分別位于船中前部和艉部的“雙島式”船型而言，擁堵問題更為嚴峻。

母排供電是當前逐漸受到關注的一種供電技術，其在陸用配電系統中的應用已相當成熟，在大型豪華郵輪的照明配電中應用較廣，具有大電流、小尺寸的優點。例如，一臺2200kVA的冷箱變壓器，AC450V側與冷箱區配電板之間需要15根3×120mm2的電纜，需要寬度為900mm的電纜托架，而選用4000A的母排需要的安裝寬度僅為566mm。

這里提出以下3種母排替代方案。

1 ) 方案一（S1）：冷箱配電網絡架構保持不變，僅將原有的電力電纜替換成母排。

2 ) 方案二（S2）：等容量母排，母排容量由各臺冷箱變壓器所帶冷箱的數量確定；在冷箱變壓器的輸出端和末端采用等容量母排，根據全船1000FEU集裝箱的實際分布情況計算，只有4000A和3200A這2種規格（見圖6）。

3) 方案三（S3）：并聯母排，母排容量根據冷箱變壓器所帶冷箱的數量確定；離冷箱變壓器越遠，母排容量越低，采用2500A，2000A和1250A等3種規格。

通過計算可得到輻射型供電的方案質量、3種母排方案的母排質量及各方案質量比較結果（見表3～表5）。由此可見，無論采用哪種母排方案，都能減少約30%的質量，有助于進一步降低CO2排放量。

表3 輻射型供電的方案電纜質量

表4 3種母排替代方案的母排質量

表5 輻射型供電方案與母排方案質量比較結果

此外，母排是標準件，有不同的規格，可根據實際需要進行拼接，安裝便利，特別適用于模塊化施工。可先在分段中預裝，在分段合攏時進行拼接，能提高施工工藝的標準化及效率。

圖4～圖6為我國自主設計建造的某海洋平臺上安裝的母排，安裝過程簡單、易于操作，對施工人員的技術要求較低。

綜合以上計算分析，得到輻射型供電用電纜與母排替代方案的特點比較（見表6）。

表6 輻射型供電與母排替代方案的特點比較

由此可見，母排在集裝箱船上應用是有前景的。參考母排在陸地和豪華郵輪上的成熟應用，考慮到集裝箱船船體在滿載時相比空載荷有形變的特殊性，在設計母排時也考慮船體振動及變形的影響，保證船舶供配電系統能在最惡劣的海況下正常運作。

4 結 語

盡管現在超大型集裝箱船冷箱配電系統出于成本考慮，大多采用輻射型供電方式和內環式供電方式，但隨著技術的不斷發展和制造工藝的日益成熟，必然會有更經濟、更節省空間、更安全可靠的配電系統應用到冷箱供電系統中。在不久的將來，外環式配電和母排的應用會給船舶配電系統的設計帶來一場變革。

[1] 侯立平.節能型集裝箱船型研究[J].船舶與海洋工程，2013 (3): 27-29.

[2] 施億生，謝紹惠.船舶電站[M].北京：國防工業出版社，1981.

[3] 仵玉頂.城鎮環網配電探析[J].山西建筑，2014, 40 (20): 167-168.

[4] 楊崢.環式配電系統及環網柜的運用[J].江蘇冶金，2007, 35 (2): 59-63.

[5] 歐昌岑，岑冬梅.實現配電環網可靠自動轉供電功能的關鍵策略[J].中國電力，2013, 46 (7): 95-99.

Design Analysis on the Power Distribution System for Reefer Containers of Very Large Container Vessel

FU Xiao-hong，XIE Song-qing，ZHOU Yi-long，XIA Jun

（Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China）

This paper analyzes three power distribution systems i.e.radial type, inner-ring type and outer-ring type for the reefer containers onboard containerships, and elaborates the characteristics of each reefer power distribution system from three aspects of reliability, efficiency and installation dimensions.The concept of bus-way technology is introduced, and comparisons between bus-way and cables are made in terms of weight, voltage drop, heat loss, ability to withstand short circuit and installation.It is a prospective study on the feasibility of bus-way application in reefer container power distribution system.

very large container ship; reefer containership; power distribution system; bus-way

U665.1

A

2095-4069 (2017) 04-0056-07

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.012

2016-09-13

工信部高技術船舶科研項目（[2013]173號）

傅曉紅，女，高級工程師，1979年生。2004年畢業于上海交通大學電力系統及其自動化專業，現從事船舶電氣設計工作。