低壓岸電附件與電纜管理系統(tǒng)的設(shè)計

陳 波,常冀凡, 袁正煒 ，宋 麗

(1.江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團(tuán))有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212002；2.鎮(zhèn)江市節(jié)能監(jiān)測中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212001；3.鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002)

0 引言

在推進(jìn)船舶使用岸電時出現(xiàn)了2個新術(shù)語：一個是“accessory(附件)”，IEC 60309-5:2017出版物《工業(yè)用途的插頭、插座和耦合器 第5部分：船舶低壓岸電連接系統(tǒng)用插座、插頭、船用連接器的尺寸兼容性和互換性要求》對“附件”的定義是：“plug, socket-outlet, ship connector or ship inlet(插頭、插座、船用連接器和船舶入口的統(tǒng)稱)”; 另一個是“cable management system(電纜管理系統(tǒng))”，IEC/IEEE CDV 80005-3：2016出版物《港口公用連接設(shè)施 第3部分：低壓岸電連接(LVSC)系統(tǒng) — 一般要求》對“電纜管理系統(tǒng)”的定義是：“all equipment designed to control, monitor and handle the flexible cables, for power and control, and their connection devices(設(shè)計用于控制、監(jiān)測和處理柔性電纜和控制電纜及其連接裝置的所有設(shè)備)。”[1]這2個新術(shù)語關(guān)系到低壓岸電連接系統(tǒng)中港口接電箱與船載岸電箱的電源出、入口配置，關(guān)系到連接岸電的電纜由誰提供等。

近幾年有關(guān)方面對于港口接電箱與船載岸電箱的電源出、入口如何配置，有哪些要求；電纜管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)設(shè)置在港口碼頭還是設(shè)置在船上，應(yīng)具備哪些功能，以及連接岸電的柔性電纜是由港口碼頭提供還是由船舶自備等問題的認(rèn)識不夠統(tǒng)一，造成了一定的資源浪費(fèi)和其他負(fù)面影響。正如IEC 80005-3出版物在第7章船-岸連接及接口設(shè)備中指出：“If an alternative to the standard arrangement of cable and LV plugs and socket-outlets is used，it is likely that the installation will not be able to connect to a compliant shore supply/ship without significant additional equipment and modification(如果使用電纜、低壓插頭和插座標(biāo)準(zhǔn)布置的替代方案，則在沒有額外增加設(shè)備和大量修改的情況下，船舶很可能無法連接到符合要求的岸電裝置)?！?/p>

為支持船舶靠港順利連接岸電，本文以國際公認(rèn)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，把上述問題界定清楚，以供在低壓岸電系統(tǒng)設(shè)計和船舶建造時參考。

1 低壓附件的使用與要求

1.1 IEC 60309-5：2017出版物要求

IEC 60309-5:2017出版物在對附件進(jìn)行定義時，提供了附件使用示意圖，見圖1。

A—(岸)插頭和插座；B—(岸)插座；C—(岸)插頭；D—船用耦合器；E—船用連接器；F—船用接入口。

IEC 60309-5：2017出版物是低壓岸電連接系統(tǒng)附件的國際標(biāo)準(zhǔn)，圖1的本義是為術(shù)語“accessory(附件)”的定義介紹其各組成部分的使用示意。但因?yàn)镮EC 60309-5出版物的圖501被廣泛誤認(rèn)為港口碼頭供電設(shè)施和船舶受電設(shè)施上都需要安裝“附件”，從而引起了岸電設(shè)施的成本增加，連接不便，甚至要增加轉(zhuǎn)換器等問題。所以，在推進(jìn)岸電使用時，應(yīng)當(dāng)正確理解有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

1.2 中國船級社要求

中國船級社(CCS)發(fā)布的《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2021)(下文簡稱《海規(guī)》)要求如下[2]：

(1)第4篇第3章的3.3.2.11要求：“用作連接岸電或其他外來電源的岸電箱應(yīng)具有：①用于連接軟電纜的合適的接線柱；②用于將船體與岸地相連的接地接線柱”。

(2)第8篇第19章的19.3.6.1要求：“船舶和岸上電源之間的連接可以通過適當(dāng)?shù)男褪交虿孱^和插座連接。插頭和插座的設(shè)計應(yīng)確保不會出現(xiàn)不正確連接，并且確保不能帶電插拔。插頭和插座應(yīng)符合國際和/或國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)”，并注明：“交流低壓岸電系統(tǒng)參見IEC 60309-1 出版物《工業(yè)用插頭、插座和耦合器第 1 部分—通用要求》、IEC 60309-2 出版物《工業(yè)用插頭插座和耦合器 第 2 部分：帶插銷和插套的電器附件的尺寸兼容性和互換性要求》和IEC 60309-5出版物《工業(yè)用插頭、插座出口和耦合器第 5 部分—低壓岸邊連接系統(tǒng)(LVSC)用插頭、插座出口、船用連接器和船用入口的尺寸兼容性和互換性要求》。”

1.3 IEC 80005-3：2016出版物要求

(1)在引言中指出：“Ships that do not apply this standard may find it impossible to connect to compliant shore supplies(不符合本標(biāo)準(zhǔn)的船舶可能會發(fā)現(xiàn)無法連接到符合要求的岸上供電設(shè)施)”。

(2)在第7.1節(jié)中對附件的使用和要求主要有：“The shore-side of the connection cable shall be fitted with a plug if a socket-outlet is used ashore。The ship-side of the connection cable shall be fitted with a ship connector if a ship inlet is used onboard(如果在岸上使用插座，則連接電纜的岸側(cè)應(yīng)安裝插頭。如果船上使用船用入口，則連接電纜的船側(cè)應(yīng)安裝船用連接器)”。

(3)在第7.3.1節(jié)中說明：“The plug, socket-outlet, ship connector and ship inlet shall be in accordance with IEC 60309-1 and IEC 60309-5 and the following clauses(插頭、插座、船用連接器和船用入口應(yīng)符合IEC 60309-1和IEC 60309-5的相關(guān)要求)”，并規(guī)定：“One type of plug, socket-outlet, ship inlet and ship connector shall be used for all types of the ships(所有類型的船舶應(yīng)使用同一類型的插頭、插座、船用連接器和船用入口)”，還要求：“Operating personnel shall be protected from electrical hazard by an interlocking arrangementwhile plugging and unplugging of LV plug and ship connectors(低壓插頭和船用連接器的插入或拔出應(yīng)通過聯(lián)鎖裝置，以保護(hù)操作人員免受電氣危害)”；對預(yù)期的短路故障電流的要求為：“Plugs，sockets-outlets，inlets and connectors shall be rated for minimum of 16 kA r.m.s. for 1 s, and 40 kA peak(插頭、插座、連接器和岸電接入口的額定值應(yīng)至少為16 kA 有效值，持續(xù)1 s，峰值為40 kA)。”

IEC 60309-1、IEC 60309-2出版物中63、125 A自身結(jié)構(gòu)具有機(jī)械聯(lián)鎖裝置帶開關(guān)的附件，能防止附件在使用時帶電插拔；IEC 60309-5出版物只提供了一種350 A、690 V的附件，觸點(diǎn)能夠符合IEC 80005-3的要求，具有4個主觸點(diǎn)帶4個控制觸點(diǎn)，其他指標(biāo)均滿足IEC 80005-3出版物的要求。

2 電纜管理系統(tǒng)的設(shè)置

港口低壓接電箱上是否需要安裝插座，船載低壓岸電箱上是否需要安裝船用接入口，是由電纜管理系統(tǒng)所在位置決定的。IEC 80005-3：2016出版物在第1章中說明其適用范圍是交流電壓1 kV及以下、電流250 A以上的LVSC系統(tǒng)。對電纜管理系統(tǒng)的設(shè)置因船而異，并由此決定了岸上接電箱電源出線和船載岸電箱電源進(jìn)線的連接方式。

2.1 電纜管理系統(tǒng)設(shè)置在岸上

IEC 80005-3：2016在附錄中規(guī)定：旅游船，海工服務(wù)船、工作船、供應(yīng)船、客滾船、天燃?xì)獯⒂洼喌?，在岸?cè)設(shè)置電纜管理系統(tǒng)(見圖2)，柔性電纜由岸側(cè)提供，其岸側(cè)端部和接電箱的電源輸出端固定連接(見圖2中的1與2)，柔性電纜船側(cè)端部需安裝船用連接器，船載受電設(shè)施岸電箱上需安裝船舶入口，供船用連接器插接(見圖2中的5與6)。

2.2 電纜管理系統(tǒng)設(shè)置在船上

IEC 80005-3在附錄中規(guī)定：集裝箱船、貨輪等其他類型的船舶，在船上設(shè)置電纜管理系統(tǒng)(見圖3)，柔性電纜由船上自備，其船側(cè)端部和與岸電箱的端子固定連接(見圖3中的8與9)，柔性電纜岸側(cè)端部需安裝插頭，岸側(cè)供電設(shè)施接電箱上需安裝插座，供插頭插接(見圖3中的5與6)。

IEC 80005-3在圖2與圖3中說明：連接岸電的三相柔性電纜“Up to 5 LV connectors/sockets outlets(最多5個低壓連接器/插座)”“Up to 5 three-phase cables parallel(最多5根并聯(lián)三相電纜)”。其主要參數(shù)為：額定電壓400 V/440 V/690 V，頻率50/60 Hz，短路耐受電流16 kA、1 s。

1—岸側(cè)主或/和饋電線斷路器；2—與岸側(cè)控制線聯(lián)鎖；3—岸側(cè)保護(hù)繼電器；4—電纜管理系統(tǒng)；5—低壓插頭；6—控制導(dǎo)線(集成在插頭和插座內(nèi))；7—船側(cè)保護(hù)繼電器；8—與船上控制線聯(lián)鎖；9—船上配電板連接岸電的開關(guān)；10—最多5個低壓連接器/插座。

1—岸側(cè)主或/和饋電線斷路器；2—與岸側(cè)控制線聯(lián)鎖；3—岸側(cè)保護(hù)繼電器；4—電纜管理系統(tǒng)；5—低壓插頭；6—控制導(dǎo)線(集成在插頭和插座內(nèi))；7—船側(cè)保護(hù)繼電器；8—與船側(cè)控制線聯(lián)鎖；9—船上配電板連接岸電的開關(guān)；10—最多5根并聯(lián)三相電纜。

2.3 不具備電纜管理系統(tǒng)的船舶

在IEC 80005-3出版物所述范圍外，還有大量的內(nèi)河船舶對岸電容量的需求在250 A及以下，船上一般只備有簡易手動電纜絞盤和柔性電纜，不具備符合標(biāo)準(zhǔn)的電纜管理系統(tǒng)。

國家海事局發(fā)布的《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則(2019)》在第5篇第2.3.15對在交流相間電壓為1 kV 及以下的低壓岸電系統(tǒng)中連接岸電的方式有具體規(guī)定[3]。

(1)第2.3.15.3要求：“船上應(yīng)設(shè)有岸電供電的固定連接裝置。旅游船的岸電連接電纜應(yīng)由碼頭方提供；除旅游客船以外的其他船舶應(yīng)設(shè)有岸電連接電纜。連接電纜應(yīng)采用具有足夠電流定額的，耐油、滯燃護(hù)套的柔性電纜，并應(yīng)符合公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)(IEC 60092-353出版物或其他等效標(biāo)準(zhǔn))。電纜的連接端頭不應(yīng)承受外力。單根電纜的規(guī)格不應(yīng)超過3×95 mm2，并盡量選用3×25 mm2、3×70 mm2、3×95 mm23種規(guī)格”，由此明確了內(nèi)河船舶連接岸電的柔性電纜由港口碼頭方提供還是由船舶自備的問題，并對柔性電纜提出了要求。

(2)第2.3.15.5規(guī)定：“船電和岸電之間應(yīng)通過插頭和插座連接。插頭和插座的設(shè)計應(yīng)確保不會出現(xiàn)不正確連接，并且確保不能帶電插拔。插頭、插座應(yīng)滿足公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。插頭-插座應(yīng)根據(jù)船舶靠港期間負(fù)載的大小選用下列規(guī)格之一：①400 V、63 A；②400 V、125 A；③400 V、250 A”。

(3)第 2.3.15.6 規(guī)定岸電箱應(yīng)具有“用于連接柔性電纜的合適的插座(旅游船)或接線柱(除旅游船以外的其他船舶)和將船體與地(岸地或零線)相連的接地接線柱”，從而明確了內(nèi)河船舶在低壓岸電系統(tǒng)中連接岸電的方式，因此旅游客船連接岸電的柔性電纜由港口碼頭提供，其岸側(cè)端部與港口接電箱電源輸出端固定連接 (見圖2中的1與2)，其船側(cè)端部安裝船用連接器與船載岸電箱電源輸入端的船用入口插接(見圖2中的5與6)；除旅游客船以外的其他內(nèi)河船舶均需自備連接岸電的柔性電纜，其船側(cè)端部與船載岸電箱的電源輸入端固定連接(見圖3中的8與9)，其岸側(cè)端部安裝的插頭和港口接電箱上插座插接(見圖3中的5與6)。

為防止帶電插拔，對250 A的附件可采用GB/T 11918.5—2020(IEC 60309-5：2017，MOD)標(biāo)準(zhǔn)中具有4個主觸點(diǎn)(L1、L2、L3、E)和4個控制觸點(diǎn)(P1、P2、P3、P4)的產(chǎn)品，控制電路可按照IEC 80005-3出版物7.3.1規(guī)定的安全回路原理；對岸電需求為三相或單相125 A及以下時，可采用符合GB/T 11918.2—2014 (IEC 60309-2:2012，MOD)、GB/T 11918.4—2014 (IEC 60309-4:2012，MOD)標(biāo)準(zhǔn)中提供的自身結(jié)構(gòu)具有機(jī)械聯(lián)鎖裝置帶開關(guān)能防止帶電插拔的附件，三相附件的主觸點(diǎn)標(biāo)記號為L1、L2、L3、N、PE，單相附件的主觸點(diǎn)標(biāo)記號為L、N、PE。該附件已在船電系統(tǒng)中使用多年，安全可靠，維護(hù)量小，將其用于岸電連接，簡單易行，成本低。

3 電纜管理系統(tǒng)的組成與要求

CCS在《海規(guī)》第8篇第19章中，將電纜管理系統(tǒng)定義為“典型的電纜管理系統(tǒng)是由電纜絞車、電纜長度或張力自動控制設(shè)備和相關(guān)儀表組成。船舶通過電纜管理系統(tǒng)收放岸電電纜，與岸上電源進(jìn)行連接?！痹摱x簡要表示了電纜管理系統(tǒng)的組成主要用途。電纜管理系統(tǒng)中的各項(xiàng)設(shè)備或裝置，應(yīng)能耐受船舶與海洋環(huán)境，在電氣參數(shù)允許誤差范圍內(nèi)正常工作，其基本組成與要求如下：

(1) 柔性電纜：各類船舶及海上浮動裝置靠泊后，用于連接岸電或外來電源的柔性電纜。CCS要求：連接低壓岸電的柔性電纜電氣額定值和規(guī)范應(yīng)符合IEC 80005-3出版物附錄A的規(guī)定；或船級社可以接受的其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。連接岸電的柔性電纜至少是符合IEC 60332-1-2規(guī)定的阻燃型；考慮所有可能的熱效應(yīng)影響，最高工作溫度不得超過95 ℃。

(2) 電纜絞車：用于電纜收放卷繞的設(shè)備，其強(qiáng)度要求應(yīng)符合規(guī)定。主要配置與要求為：獨(dú)立的驅(qū)動裝置(宜配置電力驅(qū)動)，額定功率應(yīng)符合實(shí)用要求，其額定轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)符合規(guī)定；電纜卷筒的直徑、公稱轉(zhuǎn)速、卷筒負(fù)載應(yīng)按被卷繞的電纜規(guī)格設(shè)計并符合相關(guān)要求；用于多根電纜卷繞時，應(yīng)按電纜根數(shù)配置多組電纜卷筒(最多5組)同時收放卷繞；卷筒離合器應(yīng)能使卷筒與驅(qū)動裝置脫開，并能鎖緊；傳動裝置中的齒輪、減速箱、鏈輪等應(yīng)符合相關(guān)要求；制動器必須能自動起制動作用，當(dāng)電纜絞車承受卷筒負(fù)載在公稱轉(zhuǎn)速下停止卷筒轉(zhuǎn)動時，能不發(fā)生打滑或損壞；自動排纜裝置應(yīng)能確保電纜卷繞時排列整齊；操作手柄的操作方向需有明顯的永久標(biāo)志并符合收/放纜的規(guī)定；當(dāng)人工操作時，操作手柄必須自動恢復(fù)到制動或停止位置。

(3) 滑環(huán)箱:又稱集電環(huán)箱，箱內(nèi)是通過電刷與銅質(zhì)環(huán)體接觸來實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電的裝置?；h(huán)的組數(shù)應(yīng)與柔性電纜的根數(shù)相等。每組導(dǎo)電滑環(huán)應(yīng)至少包括主滑環(huán)4個(L1、L2、L3、E)。連接低壓岸電的控制滑環(huán)為4個(P1、P2、P3、P4)。主滑環(huán)(包括電刷裝置)的額定絕緣電壓與可承載的額定工作電流，應(yīng)不低于柔性電纜主芯線的電壓和電流等級?？刂苹h(huán)(包括電刷裝置)一般為額定絕緣電壓≥250 V，額定工作電流≥10 A?；h(huán)箱內(nèi)應(yīng)具備除濕防凝露的措施。

(4) 控制箱與監(jiān)測保護(hù)裝置：控制箱主要用于對電動機(jī)的控制與保護(hù)，對柔性電纜的張力與在電纜卷筒上的剩余長度進(jìn)行監(jiān)測。閾值限制分2個階段進(jìn)行：①當(dāng)電纜張力達(dá)到設(shè)計閾值時啟動報警；②電纜張力超過設(shè)計閾值時啟動緊急停止并報警。

監(jiān)測電纜卷筒上的電纜剩余長度：①當(dāng)電纜卷盤上的電纜剩余長度為5圈時啟動報警；②剩余電纜長度只有1圈時啟動緊急停止并報警。

(5) 機(jī)動電纜車:把電纜管理系統(tǒng)的全部設(shè)備裝在一輛電纜車上，可行駛到需要的場所為靠港船舶連接岸電。電纜車通常還裝有伸縮臂與敷纜機(jī)械等裝置，能把柔性電纜運(yùn)送到一定的高度，電纜收放敷設(shè)由機(jī)械操作。這種電纜管理系統(tǒng)一般是在港口碼頭用于巨型船舶連接岸電；機(jī)動電纜車應(yīng)采用蓄電池作為動力源，具備充電和相關(guān)保護(hù)裝置。

4 電纜管理系統(tǒng)的功能與型式

4.1 電纜管理系統(tǒng)的功能

(1)能夠收放柔性電纜，使電纜到達(dá)港口碼頭岸電接電箱和船載岸電箱之間。

(2)能夠在收放柔性電纜過程中，自動防止電纜張力超過限制，保持電纜的最佳長度，使電纜的松弛最小化。

(3)配備獨(dú)立于其控制系統(tǒng)的監(jiān)測裝置，對電纜最大張力和最大放纜長度進(jìn)行監(jiān)控與保護(hù)。

(4)預(yù)防或設(shè)計避免設(shè)備浸水風(fēng)險。

(5)在電纜敷設(shè)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和收纜時，將電纜彎曲半徑保持在允許的最小彎曲半徑以上。

(6)應(yīng)能使柔性電纜跟蹤船舶在整個吃水和潮汐落差范圍內(nèi)的移動，以及允許船舶從碼頭向前、向后或向外移動的最大范圍內(nèi)正常工作。

(7)在出現(xiàn)異常情況時輸出報警信號，在發(fā)生故障時輸出緊急關(guān)閉岸電的信號并報警。

(8) 使用岸電結(jié)束后，系統(tǒng)能夠收回電纜和妥善存放。

4.2 電纜管理系統(tǒng)類型

設(shè)置在船上的電纜管理系統(tǒng)通常為固定式。固定安裝的位置應(yīng)便于連接岸電和收放電纜，防止干擾船舶停泊和系泊系統(tǒng)。

設(shè)置在岸上的電纜管理系統(tǒng)分為可移動式和固定式兩種類型：

(1)可移動式電纜管理系統(tǒng)的柔性電纜在岸側(cè)端部和船側(cè)端部需分別安裝插頭和船用連接器，岸側(cè)接電箱和船載岸電箱上需分別安裝插座和船舶入口，見圖4。

圖4 與可移動電纜管理系統(tǒng)的連接[1]

(2)固定式電纜管理系統(tǒng)的柔性電纜岸側(cè)端部為固定連接，其船側(cè)端部安裝船用連接器，船載岸電箱上需安裝船用接入口，見圖5。

柔性電纜在岸側(cè)接電箱輸出端或在船載岸電箱電源輸入端采用直接固定連接，避免附件在使用中發(fā)生過熱現(xiàn)象，有利于安全運(yùn)行。對于有規(guī)定需要安裝附件時，應(yīng)避免通過附件轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)兼容；宜參照IEC 80005-3出版物6.3提出的

“For internal sockets-outlets，plugs，connectors and inlets protection in case of abnormal increased contact resistance (refer to manufacturer’s specifications) an additional protection may be provided(對于插座、插頭、連接器和船舶入口在內(nèi)部接觸電阻異常增大的情況下的保護(hù)(參考制造商的規(guī)范)，可提供額外的保護(hù))”。

圖5 與固定電纜管理系統(tǒng)的連接[1]

5 結(jié)語

在LVSC系統(tǒng)中，附件和電纜管理系統(tǒng)的配置與應(yīng)用，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度進(jìn)行辯證關(guān)系的研究，是屬于新技術(shù)和新系統(tǒng)開發(fā)利用的范疇。在這一過程中既要符合國際標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，也要符合港航的實(shí)際狀況。由此產(chǎn)生的岸電連接方式，關(guān)系到安全用電、運(yùn)行可靠和節(jié)約資源、降低成本，供電方和受電方都應(yīng)執(zhí)行公認(rèn)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，承擔(dān)好各自的義務(wù)和責(zé)任，不斷技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展，共同推進(jìn)岸電的正常使用。