改造碼頭岸電的供電設計與研究

中交第三航務工程勘察設計院有限公司 王時彥

1 引言

泰州永安港務有限公司是被國家質量監督檢驗檢疫總局定為首批進口糧食入境的口岸，碼頭是以裝卸糧食為主，并且逐步降低其他散、雜貨種的裝卸量。隨著糧油吞吐量的逐年增長，現有碼頭裝卸能力已經不能滿足后方糧油企業原料增長的需求，為更好地服務地方經濟，永安港務擬對永安作業區一期工程進行改建。因此，為配合泊位功能的改變，滿足泊船的岸電需求，本文針對改造碼頭岸電的供電設計問題進行研究。

2 工程項目的基本情況

拆除原1#泊位的下游1#引橋，擬將現有碼頭外檔改建為7萬噸級碼頭；在1#泊位后沿加寬20m，擴建一個1.5萬噸級散糧泊位，即4#泊位（見圖1、圖2）。根據總平面布置方案和工藝方案的調整，需對碼頭上原有廊道及轉運站進行改造，并新建引橋。

圖1 原一期碼頭

圖2 改造后的碼頭

由于本項目涉及改造的內容多、工期緊張，并且業主要求改造工程分階段實施，需要保證岸電在改造過程中能正常使用。因此，決定增設并搬遷原1#泊位的岸電設施（包括現有岸電箱式變電所及岸電接電箱等），以滿足碼頭內外檔不同船舶的用電需求。

本工程現有1座0.4kV 變電所（現有岸電變電所），容量為630kVA，為箱式變電所（位于1#泊位碼頭后檔擴展平臺上）。由于現有箱式岸電變電所已無法滿足改造后1#泊位泊船的用電需求，故本工程需新設一座岸電箱式變電所（新建岸電箱式變電所），站內設一套隔離變壓器、變壓變頻裝置等相關設備提供岸電電源，同時現有箱式變電所因引橋拆除相應搬遷。

3 供電設計

3.1 岸電系統

3.1.1 岸電容量根據業主對目前靠泊船舶做的岸電需求（需求容量，上船電壓、頻率等）調研及用電負荷估算：1#泊位靠泊70000DWT 散貨船，岸電容量為800kVA，提供450V 60Hz 和400V 50Hz 兩種電源規格；4#泊位靠泊15000DWT 散貨船，岸電容量為250kVA，上船電壓為0.4kV，頻率為50Hz。

3.1.2 岸電系統單線圖

岸電系統單線圖如圖3所示。

圖3 岸電系統單線圖

3.1.3 岸電設施要求

本工程岸電系統選用變頻變壓形式，并根據規范要求選用不停電切換的方式為靠港船舶供電，且需具備以下要求：

一是岸電系統由隔離變壓器、變頻變壓裝置、岸電接電箱等設備組成。

二是岸電系統能適應靠港船舶的用電需求，在船、岸電源切換異常時，能確保船舶電源不對陸上供電系統產生干擾。

三是岸電系統的容量，能保證靠港船舶連接岸電時預期使用設備的正常工作；供電時電壓能自動調整，電壓波動范圍能滿足規范規定的要求，并能根據船舶的需要適時微調。還應具備較強的帶各種性質負載能力和快速的波形修正穩壓能力，不但能適應電容性、電感性、混合型負載等線性負載，而且能適應帶大功率非線性整流負載和啟動大功率電動機沖擊性負載，滿足靠港船舶在各種負荷情況下岸電電源質量符合船舶電源質量標準，不會因為電源質量而引起船上設備跳閘或損壞。

四是岸電系統能保證船舶的用電安全，在接入岸電時不會對船上原有設備的使用產生影響。

五是岸電系統具有完備的保護功能，當船方設備出現異常時，應能快速切斷陸上電源。

六是岸電系統應具有完善的電能計量裝置，滿足船岸雙方結算或用電量統計的要求。

七是船岸的連接具備完善的防誤閉鎖裝置，保證操作人員的安全。

八是當岸電系統選用工頻方式時，根據規范要求選用停電切換的方式為靠港船舶供電。

3.1.4 上船連接方式及斷開方式

一是采用低壓上船方式，船岸連接系統中陸域與船方交接點布在接電裝置（船方岸電）處，船岸連接裝置（包含電纜及其配置的電纜卷筒等）均由港務方提供。當船舶停靠碼頭時，可直接將岸電電纜插入相應的岸電接電箱，實現船岸電纜的快速連接。本工程的岸電系統配電方式采用一對一的放射式供電，并且采用電隔離裝置（隔離變壓器）。

二是當船舶靠港后，必須確保船岸之間雙方的接地線接地正常，消除兩者之間的靜電電勢差。

三是采用手動方式將船舶的電纜插頭與碼頭前沿岸電接電箱連接的時候，必須采用可靠的電氣連鎖與機械連鎖方式，來保證電纜插頭與岸電接電箱內插座在連接過程中都不帶電。

四是當船岸連接成功后，船舶綜合電力系統發出可送電指令后，岸電主回路按從輸入側至輸出側方向依次閉合，船岸電壓同步和負載轉移，并由船舶上的岸電切換操作屏實現，之后船舶發電機關閉。

五是在岸電使用過程中，因船上用電故障造成的岸電斷電，岸電系統能切開輸出斷路器并報警。只能在岸側復位后才能手動再次合上岸電輸出斷路器。

六是岸電斷開前，船上發電機船岸電壓同步和負載轉移，并切開船舶岸電開關的同步功能實現，然后切開岸電輸出斷路器。

七是采用手動方式將船舶的電纜插頭與岸電接電箱斷開的時候，必須采用可靠的電氣連鎖與機械連鎖方式，來保證電纜插頭與岸電接電箱在連接過程中都不帶電。

3.1.5 設備布置

鑒于岸電系統設備應盡量位于負荷中心，進線饋線方便；應設置在少塵、無腐蝕及無落料的場所；不應設置地勢低洼及可能積水的場所。且本工程的岸電均采用低壓上船，故采用岸電接電箱的供電方式。

經業主核實船舶的發電機位置均位于船尾，且船舶為單向靠泊，故岸電接電裝置均設置在碼頭前沿位于靠泊船舶的尾部位置。由于本工程為改造項目，1#泊位為已建碼頭，考慮當地的水位、本工程的工期及施工難度等綜合因素，經與廠家、業主三方的方案商討，決定1#泊位利用原有水工結構內的預埋管的位置設置岸電接電箱，4#泊位在靠泊船舶的船尾靠近前沿并在不影響船舶帶纜的位置新增岸電接電箱，且岸電接電箱采用明裝方式，防止高水位時箱體長時間泡水。

1#泊位的岸電接電裝置配備4套350A 標準岸電專用插座，且帶有電氣連鎖及機械連鎖控制，包含岸電饋線斷路器與電纜插頭及岸電接電箱箱門分別設置互鎖。4#泊位的岸電接電裝置使用現有裝置并搬遷。

3.1.6 計量

繼電保護應根據其運行、接線方式和可能發生的故障或異常情況類型進行設計，并應滿足選擇性、速動性、可靠性和靈敏性的要求。10kV 進線應具備電流速斷、低電壓及其過電流保護等功能，變壓器應具備電流速斷、過電流、過負荷、接地和溫度保護等功能，變頻電源應具備電流速斷、過電流、低電壓、過負荷和逆功率保護等功能。緊急切斷信號應采用硬接線方式。

3.1.7 計算機管理和監控系統

本工程系統選用分層分布式結構配置；通信網絡采用嵌入式光纜，并應納入港區電力監控系統。系統配備實時監測和控制設備，并實現數據存儲和共享；具有自診斷和容錯功能，實時檢測系統自身的故障并報警；具有第三方系統接入的軟硬件接口，能支持通用的通信接口和協議。系統設置時鐘同步裝置，對每個監測單元和監控計算機等時鐘設備進行同步校正，并在監控終端派專人值守。監控系統功能應符合表1的規定。

表1 碼頭船舶岸電監控系統功能

3.2 變電所型式及定位

由于復核后現有岸電變電所容量及饋電柜開關整定值可以滿足4#泊位岸電的需求，出于節約成本利舊的原則，新建岸電變電所只考慮1#泊位靠泊船舶的要求[1]。

常規的碼頭岸電變電所按其結構形式主要有鋼筋混凝土及預裝式兩種型式。考慮到本工程為改造項目，碼頭及棧橋均已建，可利用的空間有限，新建變電所必須結構緊湊、安裝方便且建造周期短，現場需盡量少堆積原材料，減少停電帶來的生產損失，故新建岸電變電所采用預裝式。由于碼頭上潮濕、設備的運行環境惡劣，普通預裝式變電所并不適用，所以此次工程在業主經費允許的情況下選擇預裝式電氣間（PowerHouse）。將高低壓開關柜、低壓變頻器、隔離變壓器及其配套的其他相關系統等主電氣設備合理地布置在定制的鋼結構房間內。內部配置空調、照明等系統，以滿足運檢人員的日常維護操作的要求（圖4）。

圖4 預裝式電氣間

在確認好變電所型式后，起初的方案是考慮將新建及現有岸電變電所布置在已建棧橋下方，這樣一方面盡可能少的占用車道空間，另一方面是便于進出線的敷設。經過現場與圖紙核實，并與廠家溝通后，新建岸電變電所的布置在滿足業主岸電需求和現有棧橋下空間（柱間凈距為4m，跨距為21m）的前提下，變電所的寬度最小做到4m，但是其長度超過21m，無法布置在1#泊位現有棧橋下，因此在1#泊位末端且不影響工作車輛行駛路徑的區域布置新建岸電變電所，考慮到便于運檢人員統一管理考慮，將現有岸電變電所在可調范圍內盡量靠近新建岸電變電所位置布置，由于本工程方案的優勢在于新建岸電變電所可以整體運輸至現場，減少現場安裝、調試環節。缺點在于占用了泊位空地，并且增加了進出線電纜的長度。

3.3 供電線路敷設

常規項目中，一般在兩個泊位之間，碼頭面下專設一條水電的公共管廊并在其上設置蓋板，這樣在改造初期就可以先完成供電敷設路由，提供業主在改造期間臨時用電的敷設路由。但是在管線綜合后，發現在此條通道的碼頭面上有一條通長的油管道且無法移位，需在通長敷設路由上按固定間距設置蓋板固定，這樣在施工時將無法在管廊內敷設電纜，更不便于投運后的公共管廊的運維工作。綜合考慮，還是部分利用碼頭面設置電纜橋架，新建岸電變電所及現有岸電變電所的進出線均沿著4#泊位已建棧橋下的電纜橋架敷設，至新增及原岸電預埋管道處電纜穿管引下，與碼頭前沿的岸電接電箱連接。考慮當地的設計高水位與碼頭面只差700mm，且汛期長，所以電纜在碼頭面下電纜托架敷設處可能長期泡在江中，在電纜選型時針對這點，故采用銅芯導體交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯內護套細鋼絲鎧裝聚氯乙烯外護套電力電纜（YJV32）。

3.4 防雷與接地

為避免雷電直擊與感應雷對岸電箱式變電所內部電氣設備及人員安全造成危害，保障岸電供電設施的安全運行，故對變電所戶內外相關的電氣設備采取一定防雷與接地的措施。

岸電變電所10kV 系統接地方式是與上級變電所統一，0.4kV 的接地型式采用IT 系統。考慮到岸電變電所的特殊性及其重要性，防雷措施按第三類防雷建筑物設置，防雷接地、保護接地、工作接地與弱電接地等共用接地裝置成為共同接地系統，且接地電阻不大于4Ω，共用接地系統的接地電阻不大于1Ω，上述接地電阻如不滿足要求，需增設人工接地極。岸電變電所利用箱屋面（金屬屋面）作為接閃器，利用其鋼立柱作為防雷、接地引下線，作為防雷和接地用的鋼材，凡焊接處均刷瀝青防腐，搭接長度為鋼筋直徑的6倍，且至少三面焊接[2]。

常規的新建碼頭是利用碼頭平臺每根樁作為垂直接地體、平臺內上下兩層鋼筋網作為水平接地體。每根樁頂所設鋼板和平臺內上下兩層鋼筋網通過熱鍍鋅扁鋼-40×4可靠焊接，形成整個平臺的網狀接地裝置。工作、保護及其防雷接地共用這一接地裝置，平臺面可視為設置均衡電位處理，防止接觸電壓和跨步電壓。但是本工程為已建碼頭的改造，碼頭現澆層下的鋼筋均已綁扎連接，無法再利用原水工樁位作為接地極。因此，在經現場踏勘觀察并結合接地電阻測試報告，決定利用現有卸船機的鋼軌作為箱式變電所的接地極，采用熱鍍鋅扁鋼（-40×4）與其可靠焊接，這樣即滿足了接地要求，也避免了開鑿碼頭面重新做接地引上點，極大減少了接地這塊的工程造價和施工難度。此外，船舶岸電系統自身應具備相應的保護功能，岸電接電箱應與水工預留的接地引上點可靠連接。定期組織專業測試員對船舶岸電系統的安全防護進行檢測。

4 結語

本文從岸電系統、變電所型式及定位、供電設計中的線纜敷設、防雷、接地等多方面對改造碼頭岸電的供電設計進行介紹，并對改造工程中的難點提出了建議和對策，為之后同類型項目提供了參考。在秉承建設綠色港口理念的同時，因地制宜，不斷提高用電安全及可靠。