客滾船高壓岸電系統設計

翁偉達，顧敏敏，朱靜波，吳 林

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引言

隨著世界航運貿易的持續發展，停靠各國港口的船舶數量大幅增加。在船舶靠港期間，為保障船上生活設施和工作機械的正常運行，船舶發電機需要長時間工作，這不僅會消耗大量的能源，還會對港口區域造成嚴重的大氣和噪聲污染。為減少污染、保護環境，近十年間國內外港口不斷增加高壓岸電系統的配套數量，提升高壓岸電的技術及儲能水平。本文對高壓岸電系統的組成、方式、類型及船級社相關規范要求進行介紹。以一艘客滾船為例，對高壓岸電系統的組成、設備參數、設計要點等進行分析，并對系統設計的注意事項進行闡述。

1 高壓岸電系統介紹

1.1 系統名稱

船舶高壓岸電系統是指在船舶停靠港口期間為其供電的港口高壓電源。使用高壓岸電系統為船舶供電可減少船舶發電機的使用，進而減少船舶廢氣排放。高壓岸電系統適用于1～15 kV額定電壓的及交流供電系統。

不同組織和企業提供的船舶高壓岸電系統不同，如：世界港口可持續發展計劃（World Ports Sustainability Programme，WPSP）和國際港口協會（International Association of Ports and Harbors，IAPH）的OPS（Onshore Power Supply）System，CAVOTEC 集團的 AMP（Alternative Maritime Power）System，ABB集團、SIEMENS股份公司和W?rtsil?集團的 HVSC（High Voltage Shore Connection）System。

1.2 船舶高壓岸電系統組成

船舶高壓岸電系統組成示意圖見圖 1。船舶高壓岸電系統由岸基供電設備、電纜傳輸及連接設備、岸電接入設備等3部分組成。

圖1 船舶高壓岸電系統組成示意圖

1）岸基供電設備，岸上供電系統將電力從港口高壓變電站（A）供應到港口岸電電源箱（B）的連接點。

2）電纜傳輸及連接設備，即連接港口岸電電源箱（B）與船舶上岸電插座箱（C）的電纜和傳輸電纜的設備。

3）岸電接入設備，一般包含岸電插座箱、岸電變壓器、變頻器和岸電管理系統（D）。

1.3 船舶高壓岸電系統連接方案

1.3.1 岸基方案

岸基方案一般包括固定式方案、移動式方案和駁船式方案。

1）固定式方案（岸基）

固定式方案（岸基）主要包括高壓電纜滾筒裝置、高壓軟電纜及控制電纜、高壓岸電插頭、岸電控箱、可伸縮臂裝置等設備，在岸邊設置高壓岸電的固定輸出點。

2）移動式方案

移動式方案主要包括可移動滑移裝置、高壓電纜滾筒、高壓軟電纜及控制電纜、高壓岸電插頭、岸電控箱、可伸縮臂裝置等設備，在岸邊設置高壓岸電的移動輸出點。

3）駁船式方案

駁船式方案與固定式方案配置的設備相同，駁船式方案主要采用一艘配備纜繩絞車和變壓器的駁船同時連接岸上系統和船舶系統，駁船上的變壓器可將岸基高壓電轉換為船用低壓電。該方案的優點是機動靈活，缺點是駁船連接電纜數量多，電纜連接操作時間長，前期投資大、成本高。

1.3.2 船基方案

船基方案一般包括半固定式方案和固定式方案。

1）半固定式方案

半固定式方案將岸電降壓供電裝置布置在船舶尾甲板的一個集裝箱內。集裝箱內配置有變壓器、高壓岸電連接屏、高壓電纜管理系統、變頻器（如需）、岸電插座箱等。其中，高壓岸電連接屏、變壓器、變頻器（如需）、電源裝置布置于主體電源移動艙內，岸電插座箱、高壓電纜管理系統等布置于電纜卷放移動艙內。半固定式方案在集裝箱船上應用比較廣泛，只需要在船上預留對應的集裝箱箱位即可。

2）固定式方案（船基）

固定式方案（船基）主要是將高壓岸電絞車（包含高壓岸電電纜管理系統）、高壓岸電連接屏、變壓器等固定安裝在船舶上。在船舶靠港時通過高壓岸電絞車將高壓電纜及插頭布放于岸端并連接到岸基供電裝置，該方式方便快捷，可有效降低人員勞動強度、降低岸電建造成本。固定式方案（船基）特別適用于新制船舶，可考慮在艉部露天甲板舷側設置高壓岸電絞車，在船上設置一個高壓岸電設備間布置高壓岸電連接屏和變壓器等相關設備。

2 規范要求

現階段船舶高壓岸電國際標準主要由國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）、國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）以及國際電氣和電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）等組織完成制修訂工作，相關標準及技術文件見表1。

表1 高壓岸電系統主要標準及技術文件

此外，挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）、美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS）、意大利船級社（Registro Italiano Navale，RINA）、中國船級社（China Classification Society，CCS）等各大船級社也針對船舶高壓岸電系統制定了相關的規范及檢驗指南。CCS編制的《鋼質海船入級規范》（2008版）對適用于1～15 kV額定電壓的交流高壓岸電系統提出明確要求，并對設備能力測試要求及檢驗指南進行規定。對于配備滿足指南要求岸電系統船載裝置的船舶，經審圖、安裝檢驗和試驗后，CCS可授予其“AMPS”（Ahemative Maritime Power Supply）附加標志。

3 系統設計及應用

對于本例中的客滾船，船東希望在船舶上增配一套高壓岸電系統，系統既要滿足IEC和DNV的相關要求，還要滿足船級社符號“Shore Power”的要求。根據船東提供的港口配套信息，本船高壓岸電系統連接方案采用移動式（岸基）和固定式（船基）組合方案，岸電電纜和電纜絞車（含電纜管理系統）由港口配套提供。船舶高壓岸電系統的典型結構組成見圖2。

圖2 船舶高壓岸電系統典型結構組成

3.1 設備參數

3.1.1 岸基設備參數

港口的高壓岸電系統是建造方按照港口需求和國家電網相關標準設計、建造的，其基本參數如下：電壓為AC 11 000 V，頻率為50 Hz，電網容量為50 MVA。港口岸電電源箱和電纜絞車均由港口電氣部門進行配套。

3.1.2 船載設備參數

本船規格書對電制的要求為：AC 440 V、60 Hz、3相。

本項目船舶配置主發電機 3臺，額定功率為1 880 W；應急發電機1臺，額定功率為750 kW。根據電力負荷估算結果（見表2），裝卸貨工況所需功率約為2 859 kW，可使用2臺主發電機組并車運行。船舶停港使用高壓岸電時負載功率約為2 704 kW，故使用總功率為3 200 kW的高壓岸電系統可滿足實際需求。

表2 電力負荷估算結果

1）岸電插座箱

岸電插座箱的型號必須與岸基設備的插頭相匹配，本船考慮在港口時船舶兩側均有停泊的要求，故在船舶左右舷分別設置一個岸電插座箱。岸電插座箱為CAVOTEC品牌PC6-VX04-L12027S型號，主要參數如下：額定電壓為AC 12 000 V，額定電流為320 A，防護等級為IP56。

2）岸電連接配電柜

岸電連接配電柜是連接岸電插座箱和岸電變壓器的設備，可與岸基系統進行數據交換，并對其進行監控。本船的岸電連接配電柜由 Terasaki集團提供。

3）岸電高壓變壓器

岸電高壓變壓器是將岸端提供的高壓（AC 11 000 V）轉化成船端電壓（AC 450 V）的設備，具有電氣隔離高低壓電源的功能。根據電力負荷估算書配置變壓器容量。本船的岸電高壓變壓器由ABB集團提供，主要參數如下：容量為4 000 kVA，電壓比為11 000 V/(4×450) V，頻率為50 Hz，冷卻方式為空氣冷卻。

4）船舶變頻器單元

岸基電源頻率為50 Hz，船端電源頻率為60 Hz，通過船舶變頻器單元能將岸端電源頻率調整至船舶電網適用的頻率，保證岸電系統可靠穩定地使用。由于船舶原系統已配置軸發變頻器單元，可以連接軸帶發電機、首側推、主配電板，因此岸電系統可通過在軸發變頻器單元中增加模塊的方式將岸電電源輸出到主配電板上。本船變頻器單元由 Wetech公司提供。

5）船舶主配電板

船舶主配電板對船舶電源進行輸入、輸出管理，船舶輸入電源包括發電機、軸帶發電機、高壓岸電等，輸出電源為船舶上所需供電的各類設備。高壓岸電最終輸入到主配電板上，為船舶上的生活設施、裝卸貨及應急設備的正常使用提供保障。本船主配電板由Terasaki集團提供。

3.2 設計要求

船舶和港口之間應建立等電位連接，且該連接不應改變船舶配電系統的接地原理。高壓岸電和船舶電站之間的負載轉移通過短時并聯方式進行，在主配電板內部的電源管理系統中設置岸電供電模式，保證并聯運行時岸電與發電機組的自動同步和控制負載轉移功能。

船舶使用高壓岸電期間，至少1臺船舶主發電機處于備機狀態。一旦岸電電源故障，船舶發電機應自動起動并連接至主配電板，船舶功率管理系統應進行實時監控。

當高壓岸電系統出現等電位連接斷開、電纜管理系統報警、岸電系統控制和監測線路故障、岸電連接插頭帶電拔出等情況時應自動觸發應急切斷功能。應急切斷應設置在岸電插座箱、岸電連接配電柜、電纜絞車操作站、機艙集控室等有人值班的關鍵位置。

在岸電電纜接入船舶主配電板時，接地開關應滿足IEC 62271-200: 2011標準第的相關要求。當岸電連接斷路器斷開時，接地開關應保持接地。

電纜管理系統應保證電纜上承受的機械應力不超過設計值，電纜或導線連接的接線端要排除傳遞機械應力的可能性，電纜出現過度拉伸時應迅速斷開岸電連接斷路器。

4 系統要點

由于高壓岸電系統是船東在建造后期階段臨時要求增加的，故其設計過程存在不少難點，主要表現在設備布置、電纜選型、短路電流計算等方面。

4.1 設備布置

船舶需要增加高壓岸電插座箱、高壓岸電連接柜、高壓變壓器、變頻器單元等諸多設備，這些設備的外形尺寸、安裝及操作要求均需結合實際情況進行綜合考慮。設備的布置需要協調船東、港口方、船級社、總舾專業等各方要求，系統電力電纜、通信及控制電纜的敷設路徑需要協調生產設計和結構等專業的需求。

通過船東提供的港口泊位、岸基電源箱位置等信息，充分考慮船舶兩舷停港操作的便利性，以及輸送電纜插頭的高度要求，最終將高壓岸電插座箱設置在船舶4號甲板20號肋位處的高壓岸電充電間。

根據電氣設備隔離、高壓電纜的敷設要求，在船舶2號甲板處單獨設置一間高壓變壓器室，將高壓岸電連接柜、高壓變壓器等主要設備集中布置，這樣既能減少高壓電纜的敷設長度、避免出現過多穿艙路徑，也有利于船員對高壓系統設備的集中操作和監測。

4.2 電纜選型

船岸間高壓岸電電纜應符合 IEC/ISO/IEEE 80005-1: 2012標準的規定。固定敷設的高壓電纜應符合IEC 60092-353: 2011和IEC 60092-354: 2020標準的規定。

高壓岸電電纜布置在高壓電纜絞車上，該電纜柔性和抗拉性較好。船岸間高壓電纜主要包含高壓動力電纜、接地電纜、控制電纜及光纖電纜。高壓動力電纜的規格通過計算確定，AMP系統電制為AC 11 000 V，4 000 kVA，可計算得出電流值為210 A。3×120 mm高壓電纜在45 ℃環境溫度下的載流量為237 A，可滿足使用要求。接地電纜的電流承載能力不應小于額定電流，1×70 mm接地電纜在45 ℃環境溫度下的載流量為242 A，可滿足使用要求。控制電纜中主要包括應急停止、等電位監測、接地監測等信號，使用4×25 mm的控制電纜。船岸通信的信號需要按照IEC/IEEE 80005-2: 2016的要求設置，通信內容均可通過多模光纖電纜進行傳輸，無線通信方式可作為冗余。最終確認船岸間高壓岸電電纜由3×120 mm高壓動力電纜、1×70 mm接地電纜、4×2.5 mm控制電纜、6F（62.5/125 μm）通信光纖電纜組成。。

高壓岸電電纜長度為100 m，其中電纜絞車上預留安全長度為10 m。

根據DNV相關要求，電纜和電機阻抗的差異會導致電機端電壓反射和電壓倍增，這將增大電纜絕緣和電機繞組潛在的有害應力。因此，低壓側變頻器的主電源線路電纜的耐壓等級應高于標稱電壓。高壓岸電系統電力電纜、控制電纜及通信電纜的型號根據表3進行配置。

表3 高壓岸電系統電纜參數表

4.3 短路電流計算

高壓岸電供電期間，船舶配電系統中任何安裝點的預期短路電流不應超過該點斷路器的短路分斷和接通能力。在通過斷電轉移負載的情況下，岸電容量一般小于船舶電站總容量，因此岸電連接期間系統短路電流不會出現超過船舶配電系統最大短路電流的情況。短路電流計算主要考慮岸電和一臺發電機組短時并聯進行負載轉移時的預期短路電流，參照IEC 60909: 2006標準中的方法進行計算，計算軟件采用ETEP 16.1.1C。首先，通過船東確認港口電網短路容量為50 MVA，高壓變壓器額定容量為4 000 kVA、阻抗為6%，高壓岸電工況總消耗功率為2 704 kW，等效電動機設定為3 380 kVA。通過系統短路電流單線圖確認岸電連接柜斷路器、岸電高壓變壓器原邊、岸電變頻器單元、岸電主配電板斷路器、1號發電機組供電斷路器、AC 380 V負載斷路器、AC 230 V負載斷路器、應急配電板負載斷路器等作為主要計算點，并通過船廠面收集相應線路電纜長度數據。

通過計算軟件得出短路電流值（見表4），高壓岸電系統的對稱短路電流和峰值短路電流均小于線路中配置斷路器的短路分斷和接通能力，滿足規范要求。

表4 高壓岸電系統短路電流值

續表4 高壓岸電系統短路電流值

5 結論

隨著全球對環境保護的日趨重視，高壓岸電系統將會成為各大港口及船舶的標準配置系統。本文對高壓岸電系統的組成、方式、類型及船級社相關規范要求進行介紹。以一艘客滾船為例，對高壓岸電系統的組成、設備參數、設計要點等進行分析，并對系統設計的注意事項進行闡述。希望本文可為船舶高壓岸電系統的設計提供經驗借鑒。