岸電系統多回路饋電的安全性和兼容性研究

韓 杰，宋 麗， 袁正煒，夏 進

(1．江蘇省鎮江船廠集團有限公司，江蘇 鎮江 212000；2.國家電網鎮江供電公司，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

我國交通運輸部發布的《港口和船舶岸電管理辦法》自2020年2月1日正式實施以來，港航系統正在大力推進船舶靠港使用岸電工作。船舶在靠泊港口期間對低壓岸電容量有較大需求時應采用多回路饋電。多回路饋電與容量的匹配關系，以及如何滿足其安全性和兼容性，是業內關注的問題。

為確保船舶靠泊港口期間能順利連接岸電，本文首先從交流低壓岸電系統的額定值、多回路饋電的數量及安全保護的要求等方面進行研究，提出了不同容量應采用不同電壓等級和每回不同電流時的饋電回路數量的觀點；其次研究認為：岸電系統中的供電方和受電方均需按照國際標準IEC 80005-3：2016出版物對多回路饋電的要求，采用統一的安全控制回路原理和實行船—岸聯鎖的有關規定，以確保低壓岸電連接的安全性和兼容性，否則，會出現IEC 80005系列標準中強調的情況：“Ships that do not apply this standard may find it impossible to connect to compliant shore supplies(不符合本標準的船舶可能會發現無法連接到符合要求的岸上供電設施)，Where deviations from the requirements and recommendations in this standard may be considered for certain designs，the potential effects on compatibility are highlighted(如果某些設計違背本標準中的要求和建議，則應強調會對兼容性產生潛在的影響)。

1 低壓岸電系統的額定值

國際、國內規范對低壓岸電系統劃定了范圍。

IEC 80005-3：2016出版物把電壓等于或大于交流400 V和電壓高達交流1 000 V、容量高達1 MVA的岸電系統稱為低壓岸電系統。我國交通運輸部發布的JTS 155—2019規范規定：交流岸電系統在電壓為400 V和450 V時，供電容量小于630 kVA可采用低壓供電方式；供電容量為630～1 600 kVA宜采用高壓供電方式。

中國船級社(CCS)發布的《鋼質海船入級規范》(2021)要求船用插頭和插座應符合國際和/或國內標準，并注明交流低壓岸電系統的插接件參見IEC 60309-1出版物系列標準。IEC 60309-5：2017出版物說明要求60309的本部分適用于單一類型的插頭、插座-船用連接器和船舶入口(以下稱為附件)，其目的是將船舶連接到IEC 80005-3中所述的船舶岸電供給系統；這些附件的最大額定電流為350 A，最大額定工作電壓不超過690 V，頻率為50/60 Hz，并給出了350 A附件的觸點布置圖。在GB/T 11918.5—2020標準中，與IEC 60309-5：2017出版物觸點布置相同的有額定值為1 000 V及以下的電流為350 A和250 A兩種規格。IEC 80005-3：2016出版物規定：如果在岸側使用插座，則連接電纜的岸側端部應配備插頭;如果在船側使用船用入口，則連接電纜的船側端部應安裝船舶連接器。因船—岸兩側至少有一側需配置附件，由此說明船舶在連接低壓岸電時，每回饋電線路的額定電流最大為350 A或250 A。

船舶三相交流低壓電源的標準額定電壓值為400 V、450 V(440 V)、690 V，頻率為50 Hz/60 Hz。由此可計算出三相交流低壓岸電系統在1 MVA時的最大工作電流為：400 V/1 443 A，450 V(440 V)/1 283 A(1 312 A)，690 V/837 A；在1.6 MVA時的最大工作電流為：400 V/2 309 A，450 V(440 V)/2 053 A(2 100 A)，690 V/1 339 A。根據低壓岸電系統的最大工作電流，可計算出在不同電壓時所需要的饋電回路數量。

2 岸電饋電線的回路數量

船舶連接低壓岸電時，只要單回路饋電的電流超過350 A或250 A，就需要采用多回路饋電。IEC 80005-3：2016出版物規定：低壓岸電系統最多為5回路饋電;多回路饋電時，所有類型的船舶應使用同一類型的插頭、插座、船用連接器和船用入口。

岸電饋電回路數量與電力容量要求及電壓的關系見表1。

表1 岸電饋電回數量與電力容量需求及電壓的關系[1]

表1給出的饋電回路數量是基于每回路額定電流350 A的。按照每回路額定電流分別為250 A和350 A，在不同額定電壓時連接岸電，當容量不超過1 600 kVA時，計算出的饋電回路數量見表2。

按照表2的饋電回路數量，可根據船舶對岸電的最大需求功率在船載低壓岸電箱中設置必要的回路數量；如果港口碼頭也根據船舶不同的功率需求設置相應容量的低壓接電箱，則投資額將加大，利用率卻很低，而且安全保護要求也無法滿足。因此，岸側只能設置350 A或250 A這2種規格的低壓接電箱，而且應做到各不同回路數量(1～5回)的低壓岸電箱都能連接岸電。

表2 每回額定電流不同與電壓不同時的饋電線回路數量[3]單位：回

3 多回饋電的安全控制回路原理

多回饋電并不是簡單地將多根連接岸電的柔性電纜并聯使用，而是岸側低壓接電箱與船載低壓岸電箱均需采用國際標準規定的安全控制回路和統一的船—岸聯鎖方式。

IEC 80005-3：2016出版物給出的典型低壓岸電系統硬件框圖見圖1。圖1中：5即岸側接電箱的饋電線斷路器，其欠壓脫扣器見圖2中的3；10即船載低壓岸電箱，其斷路器的欠壓脫扣器見圖2中的5；通常把12的左側稱為岸電接入控制屏或主配電板中的岸電聯絡開關；6、7、8為電纜管理系統，包括連接岸電的柔性電纜及其卷繞與監控裝置。

1—岸側供電系統；2—岸側變壓器和中性點接地電阻或/和IT供電系統；3—未集成在岸側斷路器內的岸側繼電保護裝置；4—岸側斷路器；5—岸側饋電線斷路器；6—岸側控制器；7—岸側—船側連接及接口設備；8—船側控制器；9—未集成在船側連接岸電配電板內的繼電保護裝置；10—船上連接岸電配電板；11—船載變壓器(如適用)；12—船舶開關板。

圖2為IEC 80005-3：2016出版物給出的多回饋電的安全控制回路原理示意圖，并規定：The voltage used in the pilot circuit shall be less than 60 V d.c. or 25 V a.c(安全控制回路的電壓應小于直流60 V或交流25 V)；The protection systems shall be provided with battery back-up adequate for at least 30 min(保護系統應配備至少30 min的備用電池)。按照上述規定，對岸側低壓接電箱可考慮采用變流裝置和電池，以取得一主供、一備用的DC24 V安全控制回路電源向圖2中的1(岸側控制電源)供電。對船載低壓岸電箱可由船舶充放電板提供2路DC24 V電源向安全保護回路供電，一主供、一備用，自動切換，向圖2中的2(船側控制電源)供電。

1—岸側控制電源；2—船側控制電源；3—饋電線斷路器欠壓線圈(岸側)；4—岸側安全電路線圈；5—斷路器欠壓線圈(船側)；6—船側安全電路線圈；7—岸側緊急切斷(緊急切斷包括岸側斷路器和饋線斷路器電氣跳閘)；8—船側緊急切斷(緊急切斷包括船載斷路器電氣跳閘)；9—船側手動緊急切斷(顯示2個)；10—岸側手動緊急切斷(顯示2個)；11—船舶安全回路跳閘；12—岸側饋線安全回路跳閘電路；13—岸側斷路器欠壓線圈；14—船載受電配電板斷路器欠壓線圈；P1～P4—輔助觸點。

圖1的5即岸側接電箱中的5只饋電線斷路器，其各具有欠壓脫扣線圈(圖2的3)，以實現每回饋電線路都具有獨立的控制和保護；圖1的10即船載岸電箱中5回饋電線路共用的1只連接岸電的斷路器，其欠壓脫扣線圈為圖2中的5，但圖2中船載岸電箱的安全控制電路與岸側接電箱中對應的各回安全控制電路均進行聯鎖。

IEC 80005-3：2016出版物規定：在連接期間，任一個安全回路的斷開應使岸側和船側安全回路同時跳閘；岸側斷路器的跳閘應斷開所有的饋線斷路器；在連接過程中當一個插頭斷開時，所有岸側和船側安全控制回路應按以下方式跳閘：

(1)船舶岸電回路應跳閘。

(2)岸側所有饋電線回路應通過觸點11跳閘。

(3)當任一根電纜發生電氣故障時，所有岸上和船舶安全控制回路應跳閘，如下所述：

①故障電纜的饋電斷路器應跳閘；

②所有岸上和船舶安全控制回路應通過緊急切斷觸點7和8跳閘；

③若岸側接電箱饋電斷路器跳閘失敗時，安全后備保護裝置應斷開岸側斷路器，即圖2中的4應動作于圖1中的4跳閘；

④當船載岸電箱主斷路器跳閘失敗，安全后備保護應包括打開船上主配電板接入岸電的斷路器，即圖2中的6應動作于圖1中12的左側開關跳閘；

⑤連接岸電所需的各回電纜應進行聯鎖，多回饋電的任一回、任一側未連接妥當，安全控制回路處于失效狀態，岸側低壓接電箱饋電斷路器和船載低壓岸電箱主斷路器均應無法合閘。

多回饋電的安全回路原理能防止船側或岸側的附件發生帶電插拔，并做到只有當各回饋電線在船側和岸側全部完成連接后才具有接通岸電的條件，確保人身安全。

4 岸電系統的兼容性與技術改進研究

港口的供電設施和船載受電設施的兼容性，關系到能否讓有限的資源發揮最大的作用，關系到船舶在不同的港口停泊時能否順利連接岸電。如果國際港口的低壓接電箱不符合國際標準，國外船舶或我國遠洋船舶符合國際標準的低壓岸電箱，在港口停泊時將無法連接到岸電。反之也一樣。

國際標準要求岸港口公共連接設施應具有兼容性，要求安全回路系統應允許不同回數饋電線的船舶在岸上連接。例如：圖1中的5有5只饋電線斷路器，應當無需臨時變更其電路，其中任意1只或多只(5只以內)饋電線斷路器均能同時對1回路或多回路(5回以內)的船載低壓接電箱饋電，從而在確保安全的同時，有效地提高港口岸電連接設施的利用率。

對已在運行中但不符合國際標準的船載低壓岸電箱，按圖2所示的安全控制回路進行改進：除了需在主斷路器欠壓線圈(圖2中的5)上并聯1只安全繼電器(圖2中的6)進行后備保護外，可以按表2饋電回路數量增加安全控制與船—岸聯鎖接口電路，還可按需要在安全控制回路中增加其他繼電保護和安全互鎖功能。CCS要求船載低壓岸電箱的主斷路器應在下列各種情況下無法合閘或在閉合位置自動斷開：

(1)等電位連接未建立。

(2)岸電連接插頭/插座的控制電路未接通。

(3)應急切斷設備動作。

(4)岸電系統控制和監測線路故障。

(5)電纜管理系統發出報警信號。

(6)保護接地系統故障。

(7)岸電供電電源尚未提供等；以及IEC 80005-3：2016出版物要求低壓岸電連接系統應具備的下列各項:

①等電位保護；

②正相序保護；

③浪涌保護；

④逆功率保護(如需要)；

⑤過/欠電壓和缺相保護；

⑥過/欠頻率保護和在其他處所增加應急停止裝置等。

船載低壓岸電箱只要將相關保護裝置的故障動斷觸點，串聯在圖2中的9和11之間，即能實現各項保護的要求。對已在運行中的岸側低壓接電箱(指饋電線每回電流為350 A或250 A者)，如尚未符合國際標準的要求，可參照上述方法進行技術改造，增加安全控制回路和船—岸互鎖接口，將各繼電保護的動斷觸點串連在圖2中的7和10之間。

安全控制回路和船—岸聯鎖的接口必須遵守統一的規定：安全回路中的P1與P3專門用于對岸側接電箱的饋電線斷路器進行聯鎖，安全回路中的P2與P4專門用于對船載低壓岸電箱的主斷路器進行聯鎖。

只有岸側低壓接電箱與船載低壓岸電箱的安全控制回路原理一致，船—岸聯鎖接口統一，才能確保低壓岸電連接系統的安全性和兼容性。

5 多回路饋電應注意的問題

(1) 柔性電纜及其附件標志號應統一。為便于正確接線，要求岸側低壓接電箱與船載低壓岸電箱所配置的附件或接線端子及柔性電纜的控制芯線，都應當按照國際標準統一規定的編號進行標志。如果港口低壓接電箱上需采用插頭插座，或者船載低壓岸電箱上需采用船用耦合器(船用連接器和船用入口)，其觸點布置應符合國際標準的規定，附件的主觸點標志號為L1+L2+L3+E，控制觸點標志號為P1+P2+P3+P4；低壓柔性電纜的主芯線標志號為L1+L2+L3+N+PE，控制芯線標志號為P1+P2+P3+P4。

(2) 應盡可能減少相鄰電路的熱相互作用。如果在多回饋電的船載低壓岸電箱上設置有多個船用入口，船用耦合器及其箱內主電路在同時運行條件下的載流容量，可能會受到相鄰設備及其電路的相互熱影響。為避免船用耦合器發生過熱，應按IEC 61439-1:2020標準的額定分散系數(RDF)進行計算，并根據計算結果確定低壓岸電箱的額定電流。如果缺乏RDF計算的資料，船用入口之間的間距應大于50 mm，建議分散系數取值為0.85。

(3)每臺岸側低壓接電箱內宜設置5只饋電線斷路器(見圖1的5)，且規格應相同，以滿足1～5回的船載低壓岸電箱連接岸電。此外，還應按照JTS 155—2019和CCS的要求，在箱內設置適合柔性電纜連接的接線柱，其標志號與柔性電纜的相同。

6 結論

(1)船舶對低壓岸電需求超過350 A或250 A時，應采用多回路饋電，最多5回；各回饋電線路應具備獨立控制與保護，同時要滿足國際標準和船舶規范對安全保護的要求。

(2)要確保低壓岸電多回路饋電的安全性和兼容性。新設備制造和老設備技改都沒有任何技術難度，關鍵在于岸側低壓接電箱和船載低壓岸電箱的安全控制回路和船—岸聯鎖的方式，都必須符合國際標準的統一規定。

(3)如果港口碼頭需同時向國內外遠洋船舶提供低壓岸電，因國內船舶的低壓岸電箱每回額定電流可能有2種，則應相應設置350 A和250 A這2種規格的岸側低壓接電箱，以確保采用不同規格附件的船載低壓岸電箱能順利連接岸電。