20000TEU集裝箱船電力系統(tǒng)設計

周祎隆，傅曉紅，夏 駿，劉 淵，陳 濤，陳俊杰

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引 言

隨著經(jīng)濟全球化的不斷發(fā)展，全球貿易需求量不斷增大，各國的集裝箱貨運量不斷上升，集裝箱船不斷朝著集約化、超大型化方向發(fā)展。2015年，我國成功建造并交付18000TEU超大型集裝箱船，表明我國大型骨干船廠已具備建造超大型集裝箱船的能力。

2015年底，上海外高橋船廠和大連船廠分別承接原中國遠洋（集團）有限公司（簡稱“中遠”）5艘20000TEU集裝箱船的建造任務，入級DNV-GL和中國船級社（China Classification Society，CCS）。中遠20000TEU集裝箱船采用雙島式上層建筑總布置，雙底雙殼船體設計，是目前我國造船業(yè)設計建造的具有自主知識產(chǎn)權的最大型集裝箱船。對于具有較大功率用電負荷的20000TEU集裝船的電力系統(tǒng)而言，無論采用何種電壓等級和配電網(wǎng)絡架構的設計，都要進行全面的技術和經(jīng)濟分析,根據(jù)分析結論給出可靠、合理的設計方案。

1 船舶電站

根據(jù)該船的設計需求，20000TEU集裝箱船載運1000只冷藏集裝箱（Reefer Equivalent Unit，F(xiàn)EU），每只冷藏集裝箱的壓縮機組的額定功率按照11.4kW計算；同時，配置2臺2150kW的艏側推，船舶的電力負荷在進出港工況下需要的最大電功率約為14MW（見表1）。船用電網(wǎng)容量和用電負荷的大小決定電壓等級和短路電流的大小，當電站容量達到10MW以上時，采用6.6kV中壓交流電力系統(tǒng)在技術上和經(jīng)濟上更為合理[1]，可大大減小短路電流。根據(jù)該船電站容量初步估算出中壓匯流排短路電流半周對稱有效值(Isc)約為15kA，這樣可降低配電系統(tǒng)對斷路器及保護裝置分斷能力的要求。此外，短路電流的顯著降低、短路耐受能力要求的降低及標準化斷路器的應用可減小船舶壽命周期內發(fā)生故障的頻率；同時，中壓電力設備額定電流的減小可節(jié)省大量的電力電纜。

表1 20000TEU電力負荷使用功率 單位：kW

該船配置4臺AC 6600V、60Hz、3PH的中壓發(fā)電機組，其中：2臺較大的發(fā)電機組的額定輸出功率為4144kW；另外2臺較小的發(fā)電機組的額定輸出功率為3200kW。輸出功率為4144kW的發(fā)電機的額定電流為483.4A，輸出功率為3200kW的發(fā)電機的額定電流為373.3A，電流值僅為采用低壓AC 690V電壓等級時的1/10（見表2）。

表2 中壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)電力電纜數(shù)量對比

2 中壓配電系統(tǒng)設計

2.1 中壓配電網(wǎng)絡

考慮到放射形供電網(wǎng)絡具有設計簡潔明了、易于進行故障檢查和維護保養(yǎng)及初期投資成本較低的技術特點，20000TEU集裝箱船采用放射形網(wǎng)絡[2]的配電結構，電力系統(tǒng)單線圖見圖1。該船配置4臺中壓發(fā)電機組，2段6.6kV匯流排分別與大小不同的2臺主發(fā)電機組相連，2段6.6kV匯流排之間設置母聯(lián)開關；艏側推功率較大，由6.6kV匯流排直接供電；2臺交流三相6600V/450V中壓主變壓器（其中一臺備用）通過主配電板AC 440V負載屏或AC 440V分電箱向機艙和甲板機械等船舶常規(guī)負載供電；6臺交流三相6600V/450V冷藏集裝箱變壓器向全船1000只冷藏集裝箱供電；機艙內2臺交流三相450V/230V變壓器（其中一臺備用）和上層建筑內2臺交流三相450V/230V變壓器（其中一臺備用）通過AC 220V負載屏或AC 220V分電箱向照明燈具及其他AC 220V負載供電。應急配電板安裝在應急發(fā)電機室內，平時由主配電板經(jīng)應急配電板向負載供電。當主電網(wǎng)失電時，應急配電板上的主應聯(lián)絡開關分斷，應急（柴油）發(fā)電機組自動啟動并經(jīng)應急配電板向負載供電；當主電網(wǎng)恢復供電之后，應急發(fā)電機主開關將分斷，應急配電板上的聯(lián)絡開關將合閘（重新由主配電板供電），應急發(fā)電機組自動停機。應急照明和其他應急交流負載通過2臺交流三相450V/230V應急變壓器（其中一臺備用），由應急AC 220V負載屏或AC 220V應急分電箱供電。

圖1 20000TEU集裝箱船電力系統(tǒng)單線圖

2.2 中壓配電屏

根據(jù)該船入級船級社的要求，中壓電氣設備必須放置在獨立的圍壁處所，該船機艙內布置有單獨的中壓配電室用于放置中壓配電屏。中壓配電屏主要包括主發(fā)電機屏（4屏）、母聯(lián)開關屏（1屏）、發(fā)電機同步屏&母線提升屏&電壓互感器屏（1屏）、接地屏（2屏）、主變壓器饋電屏（2屏）、冷藏集裝箱變壓器饋電屏（6屏）、艏側推饋電屏&啟動屏（4屏）及中壓岸電接收屏（1屏）。

該中壓配電裝置采用金屬分艙隔離空氣絕緣形式。每個柜體都分為中壓艙室和低壓艙室，其中：中壓艙室按照標準線路配置元器件，主要有真空式斷路器、接地開關、母線、電壓互感器和電流互感器等；低壓艙室包括繼電保護裝置、控制裝置和電表等。

配電板頂部裝有泄弧通道，當內部發(fā)生短路故障時，所產(chǎn)生的高溫熱氣或金屬粒子通過泄弧通道排到機艙棚右舷隔離空艙內，以確保附近工作人員的安全。

大功率電力系統(tǒng)必須具有功率管理的功能，除了常規(guī)功率管理所具有的發(fā)電機組的啟動、同步、負載轉移、負荷平衡和停車等功能以外，還要對大功率電力系統(tǒng)特有的多段匯流排的聯(lián)絡開關進行有效控制[3]。該船采用的功率管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS）裝置通過CAN現(xiàn)場總線技術對電站的配電系統(tǒng)安全運行進行控制。功率管理系統(tǒng)對發(fā)電機真空斷路器設置有過/欠電壓、過電流、短路和逆功率脫扣保護。

2.3 中性點接地保護

中壓電力系統(tǒng)中性點經(jīng)高電阻接地是目前集裝箱船中壓電力系統(tǒng)最廣泛采用的接地方式，相對于中性點絕緣系統(tǒng)具有以下優(yōu)點[4]：

1) 能降低單相弧光接地過電壓的危險性；

2) 接地保護可兼顧靈敏性和選擇性；

3) 接地電流比較小，對鄰近通信線路的干擾比較弱。

該船中壓電力系統(tǒng)采用等效高阻接地方式（見圖2），即每段中壓匯流排連接單相配電變壓器作為接地變壓器（GVT），所有饋電回路設置方向接地保護裝置，防止各回路中的對地電容和電流引起繼電保護裝置誤動作[5]。接地變壓器一次側為星形連接，中性點接地；變壓器二次側串入電阻，主要作用是當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，將暫態(tài)弧光過電壓和故障電流限制在規(guī)定的范圍內。當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，只在短時間內通過故障電流，高靈敏度的零序保護判斷并瞬時切除故障線路。

圖2 高阻接地連接方式

根據(jù)IEEE-C62.92.3導則要求，若中性點采用高阻接地，并采用單相接地變壓器的方式，則最大單相接地故障電流應≤25A，接地變壓器的二次側電壓等級一般選擇120V或240V[6]。

該船選擇接地變壓器的二次側電壓等級為110V，并串接電阻，用于限制接地故障電流。當接地故障電流為0.2A時，接地故障保護裝置開始動作。接地變壓器一次側額定電壓接地變壓器二次側額定電壓U2=110V，即接地變壓器的變比N=U1/U2=34.64。由此可得出接地變壓器二次側串聯(lián)電阻阻值為15.88?。

2.4 繼電保護系統(tǒng)

由于真空斷路器不帶保護裝置, 中壓配電裝置需配置繼電保護裝置來提高電力系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。該船配置功能強大的帶微處理器的數(shù)字式保護繼電器，其特點是：采用模塊化結構；數(shù)字和模擬圖形化顯示；能實時測量檢測故障信號和靈敏地切除故障信號。

該船設計的繼電保護裝置采用DC 110V電源，包括以下3種模塊單元：

1) 發(fā)電機保護模塊，除了設有過電流保護、速斷保護、逆功率保護和方向接地保護以外，還設有過/欠電壓保護、差動保護、三相不平衡負載保護和頻率監(jiān)測等；

2) 中壓電動機保護模塊，除了設有電動機速斷保護、啟動保護、熱過載保護和方向接地保護以外，還設有三相不平衡負載保護、電動機啟動次數(shù)監(jiān)視和殘壓監(jiān)測保護等；

3) 中壓變壓器保護模塊，除了設有過電流保護、速斷保護、熱過載保護和方向接地保護以外，還設有防止變壓器內部短路故障運行的差動保護等。

3 低壓配電系統(tǒng)

該船采用一級降壓的配電系統(tǒng)，通過中壓主變壓器直接從中壓6.6kV降壓至低壓440V。低壓主配電板AC 440V負載屏布置在機艙集控室內，包括接入屏、匯流排連接屏、440V負載屏、組合啟動屏和“后島”220V負載屏。

該船的低壓配電系統(tǒng)采用區(qū)域化分布式供電方式[7]，區(qū)域化供電主要有以下2個優(yōu)點：

1) 分區(qū)就近供電可減少主干電纜數(shù)量，解決超大型集裝箱船前島和中前部低壓設備長距離輸電的電壓降及電纜通道內的電纜擁堵等問題，提高電力系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性；

2) 電網(wǎng)拓撲結構上的負載分區(qū)供電，使一個分區(qū)內的發(fā)電機總容量或變壓器總容量減小，達到降低短路電流的目的，提高供電的安全性。

根據(jù)以上優(yōu)點，該船在“前島”二甲板的冷箱變壓器室內設置2臺交流三相450V/230V變壓器和1塊AC220V負載屏。該負載屏與集控室內的低壓主配電板分開布置，供電范圍包括“前島”通信導航設備、風機、照明和其他低壓電氣設備及中前部貨艙和周邊區(qū)域的照明。

4 貨艙風機供電方式

該船針對貨艙風機供電方式設計有交叉供電原則，保證在單一故障下一個區(qū)域內的貨艙都可保持50%的通風量。該船通過主配電板1號和2號AC 440V負載屏分別向放置在兩舷服務通道內的4個貨艙風機組合啟動屏供電。貨艙風機組合啟動屏左右舷對稱布置，3號和4號貨艙風機組合啟動屏放置在FR 360右舷及左舷，5號和6號貨艙風機組合啟動屏放置在FR 150右舷及左舷。該船共有11個貨艙，同一個貨艙的風機由就近的左舷或右舷的貨艙風機組合啟動屏交叉供電。圖3為9號貨艙風機交叉供電網(wǎng)絡，從右舷開始，排列順序為奇數(shù)的貨艙風機由右舷的5號貨艙風機組合啟動屏供電，其他貨艙風機由左舷的6號貨艙風機組合啟動屏供電。

圖3 9號貨艙風機交叉供電網(wǎng)絡

5 結 語

超大型集裝箱船帶來的規(guī)模經(jīng)濟效益明顯，不僅能降低單箱運輸成本，而且具有更好的環(huán)保性，因此近幾年各大班輪公司不斷增加超大型集裝箱船的訂造數(shù)量。船東和船級社對20000TEU和20000TEU以上超大型集裝箱船配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提出更高的設計要求。為進一步提高電站容量較大的半潛式鉆井平臺和豪華游船上供電的可靠性，已采用供電冗余性更高的環(huán)形供電網(wǎng)絡架構。環(huán)形供電網(wǎng)絡架構和區(qū)域化多輻射供電回路將成為未來超大型集裝箱船研究及發(fā)展的方向。