船載高壓岸電箱的選擇

陳 猛，張 林，帥網蘭，夏 進

(1.新大洋造船有限公司， 江蘇 揚州 225107；2.陸軍裝備部駐沈陽地區軍事代表局駐哈爾濱地區第二軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150000；3.江蘇省鎮江船廠集團公司，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

船舶靠泊港口期間停止船載發電機運行，由港口向船舶提供岸電，是有利于保護環境的一項重要措施。但是，當船舶對岸電容量需求較大時，如果由低壓岸電供電，則需要提供相當大的電流才能滿足容量需求，而連接岸電的柔性電纜在傳輸大電流時需要有相應的導電能力。

例如，某船所需岸電容量為2 000 kVA，當采用三相0.4 kV的電壓供電時，電流約為2 886 A，至少需要由10根主線芯為3×120 mm的柔性電纜連接岸電。按照IEC 80005-3出版物《港口公用連接設施 第3部分：低壓岸電連接(LVSC)系統—一般要求》規定：在LVSC系統中采用多回路連接岸電時，最大容量為1 000 kVA，使用的柔性電纜數量電壓400 V時為5根，電壓690 V時為3根，因此該船在符合岸電國際標準的港口將無法連接岸電。

如果將上例改為由三相10.5 kV的電壓供電，電流約為110 A，連接岸電只需要1根主線芯3×70 mm的柔性電纜就已足夠，其線路功率損耗和銅材用量均可降低95%以上，且操作方便。

從應用實例可見，船舶對岸電容量需求較大時，采用高壓岸電有明顯的優點。

我國交通運輸部發布的JTS155—2019《碼頭岸電設施建設技術規范》提出：港口碼頭岸電設施向船舶供電容量小于630 kVA時，可采用低壓供電方式；供電容量為630～1 600 kVA時，宜采用高壓供電方式；供電容量大于1 600 kVA時，應采用高壓供電方式。IEC/ISO/IEEE 80005-1:2022《港口公用連接設施 第1部分：高壓岸電連接(HVSC)系統—一般要求》把HVSC系統的范圍定為標稱電壓交流1 kV以上、小于等于15 kV，容量為1 000 kVA以上。上述規范標準對船舶連接高壓岸電劃定了合理的容量與電壓等級的范圍。

船舶靠港連接低壓岸電，只要求船載低壓岸電箱的額定電壓()、額定頻率()與港口供電設施的額定值匹配，額定連續電流()能滿足船舶電力負載的需要且容量和連接岸電的柔性電纜根數不超過規定，低壓岸電箱就具備一定的通用性。而船舶靠港連接高壓岸電時，除了要符合上述要求外，船載高壓岸電箱的基本特性、不同類型船舶的岸電接入方式與主電路的絕緣水平和電流強度等技術要素應滿足相關規范標準對HVSC系統的有關要求。在HVSC系統中，船載高壓岸電箱既是船舶連接岸電的受電設施，又是向船舶提供外來電源的供電設施，因此必須重視高壓岸電箱設計和選用的研究。

隨著船舶對岸電容量需求不斷增加，港口采用高壓岸電向船舶供電的方式將逐漸普遍。為此，本文在設計和選用高壓岸電箱時，首先研究其基本特性、不同類型船舶的岸電入口配置、系統標稱電壓的等級以及額定絕緣水平和額定短路強度等技術要素符合相關規范標準的規定；其次，根據船舶主電站的電壓等級決定船載高壓岸電箱的用途及電纜管理系統的位置及船舶連接岸電的方式，選擇適合的安裝方案，使港口高壓岸電順利向船舶供電。

1 基本特性與岸電接入方式

中國船級社(CCS)在《鋼質海船入級規范(2021)》(下文簡稱《海規》)第8篇第19章中，把船上連接高壓岸電的受電設施稱為“岸電連接配電柜(板)”，這和IEC80005-1出版物的術語“On-board shore connection switchboard”相一致，在業內通常將其稱為船載高壓岸電箱。

(1)船載高壓岸電箱應為金屬鎧裝封閉結構，箱殼內裝有固定式或可移開式(抽出式)的部件,但不包括充油或充氣的部件。箱體設有4個隔室，其結構應能限制內部電弧的影響。各隔室功能如下，但不限于此:

①母線室：設置在箱體上后部，安裝電流互感器和出線電纜或匯流排；

②主開關室(手車室)：設置在箱體中部，安裝主斷路器(手車);

③電纜室：設置在箱體下部，安裝隔離開關(接地開關)、避雷器、電壓互感器、進線電纜；

④儀表室：設置在箱體前上部，安裝繼電器、操作開關、儀表、信號裝置等。

(2)船載高壓岸電箱的基本特性應滿足以下有關規定:

①運行連續性損失類別(LSC):當打開可接近的高壓隔室時，保持其他高壓隔室和/或功能單元通電的可能性；獨立式安裝時按《海規》第8篇第 19.3.2.1規定，LSC為 LSC1類;組合式安裝時按IEC60092-503:2021《船舶電氣裝置—第503部分：特殊特性—電壓范圍為1 kV以上至36 kV及以下》出版物第7.2.1的規定，LSC為LSC2B類; LSC可根據系統的具體情況，按船級社允許的其他類別；

②隔板的等級: PM；

③內部電弧分類等級(IAC)：按IEC 60092-503:2021出版物第7.2.5的規定，高壓開關設備和控制設備應符合IEC 62271-200:2021《高壓開關設備和控制設備 第200部分 交流額定電壓 1 kV 以上至 52 kV 金屬封閉開關設備和控制設備》出版物的內部電弧分類等級(IAC)AFLR級，僅限于授權人員可觸及前部、后部和側面; 在母線室、主開關室(手車室)、電纜室設有泄壓裝置，當內部電弧故障造成箱內氣壓上升達到一定壓力時，能自動打開泄壓通道在箱體頂部泄放壓力;IAC可按船級社允許的其他分類等級；

④外殼防護等級: 滿足在艙室內安裝使用的要求為IP4X;隔室之間的防護等級(箱門打開后)為IP2X; 隔板和活門的防護等級至少能達到IP2X；

⑤相序: 按IEC/ISO/IEEE 80005-1:2022出版物第5.1的規定，輸入與輸出三相電壓的相序均應為正相序L1-L2-L3或A-B-C或R-S-T。

在HVSC系統中，安裝在港口碼頭岸電供電點的供電設施是港口高壓接電箱，安裝在船舶岸電受電點的受電設施是船載高壓岸電箱，兩者之間由電纜管理系統進行連接，見圖1。

圖1 高壓岸電連接(HVSC)系統示意圖

不同類型船舶連接高壓岸電時對岸電標稱電壓和頻率有不同的要求，船上的岸電接入方式由電纜管理系統的位置所決定。根據國際標準的具體要求，歸納見表1。

表1 各類型船舶連接高壓岸電的系統標稱電壓與岸電接入方式

實踐證明，連接岸電的柔性電纜與端子固定連接比插接安全可靠性高，成本約低90%。當交流高壓岸電系統需要配置附件時，應按《海規》第19.3.6.1的規定，選用符合IEC 62613-1 出版物《船舶高壓岸電系統用插頭、插座和耦合器第 1 部分—通用要求》和IEC 62613-2 出版物《船舶高壓岸電系統用插頭、插座和耦合器第 2 部分—不同類型船舶的附件的尺寸互換性要求》的附件，其規格為7.2 kV，350 A；12 kV，350 A/500 A。

2 絕緣水平和短路強度

船載高壓岸電箱的應按設備的最高電壓()確定，即等于系統的最高電壓()。設備主電路的額定絕緣電壓()應等于或大于，其絕緣水平主要由額定短時工頻耐受電壓()和額定雷電沖擊耐受電壓()來表示。船載高壓岸電箱的額定連續電流()需按大于或等于船舶使用岸電的負載額定電流()進行選擇。主電路應能承受預期的短路電流產生的熱應力及電動應力，其短路強度主要由額定短時耐受電流()和額定峰值耐受電流 ()來表示。因高壓斷路器是主電路中的控制與限流設備，要求其額定開斷能力()等于或大于的有效值，在設備銘牌中，和兩者一般只標示其中之一。通常高壓斷路器的額定值(、、或、)即為船載高壓岸電箱銘牌上標注的額定值。

在船載高壓岸電箱設計和選用時，應按系統(設備)和船舶使用岸電時的來確定高壓斷路器的額定值和，同時應確定絕緣水平和短路強度的額定值、、或、。根據IEC/ISO/IEEE 80005-1:2022出版物對不同類型船舶連接岸電的電氣參數要求和IEC 60092-503:2021出版物的有關規定，將上述額定值歸納為表2與表3。

表2 船載高壓岸電箱主電路的額定絕緣水平

表3 各類型船舶連接高壓岸電時主電路的短路強度限值

3 用途與安裝方案

船載高壓岸電箱在HVSC系統中是連接岸電電源的受電設施，又是向船舶提供外來電源的供電設施，在船上有2種安裝方案:獨立式或組合式。

當船舶主電站為高壓電力系統時，且額定電壓、額定頻率與港口碼頭高壓岸電的額定值相一致，船載高壓岸電箱的安裝方案可以采用獨立式或組合式，其用途是向高壓主配電板饋電。當船舶主電站為低壓電力系統時，船載高壓岸電箱的安裝方案只可以采用獨立式，其用途是控制降壓變壓器。

3.1 獨立式安裝

船載高壓岸電箱獨立式安裝時，通常設置在船上便于連接岸電的艙室內。由于外形尺寸不受特別限制，可采用固定式或移開式(抽出式)。電纜可下進下出，下進上出或上進下出。安裝時，可將一次系統的高壓斷路器、隔離開關(接地開關)、限流熔斷器、電壓互感器、電流互感器、避雷器、船用入口(如果有)等設備都安裝在箱殼內。

按船舶電力系統的電壓等級不同，獨立式安裝的高壓岸電箱有2種用途：一種是對饋電線進行控制和保護，另一種是對變壓器進行控制和保護。按電纜管理系統的所在位置不同，船載高壓岸電箱的進線方式有2種：一種是固定連接，另一種是安裝船用入口供船用連接器插接。

當船舶主電站為高壓電力系統且額定值與港口岸電一致時，船載高壓岸電箱的用途是對連接到船舶高壓主配電板的饋電線路進行控制和保護;如果電纜管理系統設置在港口碼頭，系統布置見圖2。

XP—高壓船用入口；F—避雷器；E—高壓帶電顯示器；FU—限流熔斷器；TV—電壓互感器；QS—隔離開關(帶地刀)；QF—高壓斷路器；TA—電流互感器。

圖2中柔性電纜的岸側端部和電纜管理系統固定連接，在其船側端部安裝有船用連接器；高壓岸電箱為固定式，其進線側安裝有船用入口(XP)，供船用連接器插接。

當船舶主電站為低壓電力系統時，船載高壓岸電箱的用途是對變壓器進行控制和保護，由變壓器的低壓側向船舶低壓主配電板饋電。如果電纜管理系統設置在船上，系統布置見圖3。

F—避雷器；E—高壓帶電顯示器；FU—限流熔斷器；TV—電壓互感器；QS—隔離開關(帶地刀)；QF—高壓斷路器；TA—電流互感器。

圖3中高壓岸電箱為移開式(抽出式)，其進線側用高壓電纜和電纜管理系統固定連接，柔性電纜的岸側端部安裝有高壓插頭，擬和岸側高壓岸電接電箱上的高壓插座插接。

3.2 組合式安裝

船載高壓岸電箱組合式安裝時，可成為船舶高壓主配電板的組成部分，一般為電纜下進、母排上出，其箱體結構型式、高度與深度宜和高壓主配電板相一致。為了能將系統的電氣設備一次性安裝在同一箱殼內，箱體寬度可適當加大尺寸。組合式安裝的高壓岸電箱上如需配備高壓船用入口，為了便于連接岸電，可另外附帶高壓船用入口箱，安裝在船上適合連接岸電的場所。

如果電纜管理系統設置在船上，柔性電纜的岸側端部應安裝高壓插頭。系統布置見圖4，圖中高壓主配電板左側的高壓岸電箱為移開式(抽出式)，其進線側用高壓電纜和電纜管理系統固定連接。

F—避雷器；E—高壓帶電顯示器；FU—限流熔斷器；TV—電壓互感器；QS—隔離開關(帶地刀)；QF—高壓斷路器；TA—電流互感器。

如果電纜管理系統設置在港口碼頭，船上需設置船用入口，系統布置見圖5。圖中，高壓主配電板右側的高壓岸電箱為固定式，隔離開關(QS)為三工位(斷開、接通、接地)。為方便岸電連接，高壓岸電箱附帶船用入口箱安裝在船上便于連接岸電的處所，供柔性電纜船側端部的船用連接器插接，其出線側用高壓電纜和高壓岸電箱的進線端子固定連接。

XP—高壓船用入口；F—避雷器；E—高壓帶電顯示器；FU—限流熔斷器；TV—電壓互感器；QS—隔離開關(帶地刀)；QF—高壓斷路器；TA—電流互感器。

根據船舶靠泊碼頭時的實際情況需要，高壓岸電箱可附帶2只船用入口箱，分別安裝在船舶左舷和右舷，在船用入口箱中可增加高壓熔斷器(FU)對連接電纜進行短路保護，系統布置見圖6。圖6中的高壓岸電箱為移開式(抽出式)，其進線側分別用高壓電纜和2只船用入口箱固定連接。

XP—高壓船用入口；F—避雷器；E—高壓帶電顯示器；FU—限流熔斷器；TV—電壓互感器；QS—隔離開關(帶地刀)；QF—高壓斷路器；TA—電流互感器。

4 結論

(1)船載高壓岸電箱的基本特性和額定值是安全運行的保障，在對其進行設計和選用時，其技術要素應符合有關規范標準的規定。

(2)在HVSC系統中，標稱電壓與頻率以及額定絕緣水平與短路強度的限值，應滿足不同類型船舶的要求。船舶連接岸電的方式，由電纜管理系統的位置所決定; 船載高壓岸電箱的用途，由船舶主電站的電壓等級所決定;并據此選擇適合的安裝方案。固定式或移開式(抽出式)船載高壓岸電箱各有特點，需根據安裝方案和船上安裝處所的具體條件進行確定。

(3)圖2至圖6為高壓岸電箱在電纜管理系統的不同位置、用途時的布置。通常避雷器、電壓互感器及其限流熔斷器設置在進線側，電流互感器設置在出線側，可根據系統實際情況進行適當調整。