船載高壓岸電系統的應用與設計要素分析

林富有

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧 大連 116113）

0 引言

隨著全球經濟的一體化發展與國際貿易的不斷擴大，國際航運事業蒸蒸日上，全球船隊數量不斷增加，燃油消耗量不斷增大，廢氣排放量不斷增多[1]。船舶靠港作業期間使用岸電供電已經成為減少船舶污染排放的主要措施之一。目前，包括我國在內的全球大多數國家已普遍推廣或強制要求船舶靠港使用岸電。船舶岸電系統是船舶在靠泊碼頭期間停止使用船舶發電機，將岸端電源輸送至船上配電系統，供船舶生活用電、輔助機械、冷箱供電、裝卸作業等使用。實現船舶靠泊碼頭期間船舶能夠關閉船載發電機，減少廢氣排放，從而減少空氣污染和噪聲污染。目前新造船上，在相關規范指引下岸電系統設備逐漸納入常備系統。國外某些大型集裝箱船、客船、滾裝船港口，已經強制要求靠泊船舶安裝岸電系統，該系統在碼頭和該類船舶上已經成熟應用[2]。岸電系統的全面應用將是行業發展的必然趨勢。

1 高壓岸電系統概述

運輸船需要在港口進行裝貨，卸貨等作業，消耗功率大，因此需要采用高壓岸電系統對船舶供電。除特種船外，世界上大多數國家的船舶使用三相交流6.6 kV/60 Hz、440 V/60 Hz、400 V/50 Hz等3種電制。當船舶電站主配電板電壓為6.6 kV/60 Hz高壓電時，岸端可提供相同6.6 kV電源實現岸-船連接；當船舶電站主配電板為440 V/60 Hz或400 V/50 Hz低壓電時，在船端需要增加變壓器將岸電調整為與船舶電站電制一致。各國岸電方案有一些差異，但是大體船用岸電系統是由岸端高壓供電系統和船載高壓岸電系統等2個部分組成。岸端高壓供電系統中岸端電源為碼頭電源或市電電源見圖1，經變壓變頻后調整為6.6 kV/60 Hz的高壓電源，接入碼頭岸端配電柜，岸端配電柜輸出多路岸電插座箱供船舶靠港使用。船載高壓岸電系統中電纜管理系統岸電插頭與岸電插座箱對接，電纜管理系統連接船載高壓配電柜，實現岸電接入船舶。

圖1 高壓岸電系統示意圖

如船舶電站主配電板使用高壓電源，則船載高壓配電板直接接入船舶電站；如船舶電站主配電板使用低壓電源，則船載高壓配電板經船載變壓器降壓后接入船舶電站。本文結合某大型紙漿運輸船項目（簡稱“本項目”）高壓岸電系統，船舶電站為440V/60 Hz低壓系統，對其船載高壓岸電系統應用與設計要素進行分析。

2 船載高壓岸電系統組成

如圖2所示，本項目船載高壓岸電系統，主要由以下相關部件組成：電纜管理系統（電纜絞車、岸電電纜、岸電插頭）、船載岸電配電柜、專用UPS、船載變壓器、船舶電站岸電屏（集成于船舶電站）等。

圖2 船載高壓岸電系統框圖

2.1 電纜管理系統

電纜管理系統是安裝于船上，設計用于收放船岸電纜的系統，本項目設計使用岸電管理系統2套，安裝在船舶主甲板的左右舷側。當船舶在碼頭系泊時，可在任意一側操作系統使電力電纜連接岸電電源與船舶電站。如圖3和圖4所示，電纜管理系統主要部件構成包含：船岸連接電纜、岸電插頭、滾筒、導纜架、液力傳動裝置、液壓泵站、驅動控制中心、齒輪旋轉限位開關等。

圖3 電纜管理系統（側視圖）

圖4 電纜管理系統（俯視圖）

2.1.1 船岸連接電纜

船岸連接電纜用作電力供電電源，信號控制（分閘控制線）和光纖通信。該電纜滿足高溫高腐蝕海洋環境要求，適用卷盤而特殊設計，導體采用多股線芯，擁有優異的柔性、耐張力等特點。如圖5所示，對比常規船用電纜，船岸連接電纜結構更為復雜，增加了專用接地線芯，分閘控制線芯，光纖通信纖芯。主電絕緣外半導屏蔽層與接地線芯導通，發生故障時，故障電流能夠進入接地線芯引出，提高系統的安全性能。根據《高壓岸電連接系統》GB/T 30845.1—2014要求：船岸連接電纜需要使用分閘控制線，構成安全控制回路，當系統發生故障時，用來實現對船端或岸端主開關的分閘控制，進而確保操作人員的安全[3]。光纖可用于系統監測，視頻監控及其他潛在通信要求等。本項目根據計算選用電纜規格為：電纜規格3×95+50E+4×2.5+6F0，電纜額定載流量250 A，滿足船舶在碼頭作業期間需求。

圖5 船岸連接電纜示意圖

2.1.2 岸電插頭

根據GB/T 30845.1—2014要求，岸電插頭具備兼容性和互換性，其結構形式需嚴格按照標準制作[4]。本項目根據前期負荷計算碼頭工況計算需選用350 A檔位岸電電源。如圖6所示：按照GB/T 30845.2—2021標準，350 A岸電插頭選用形式要求含主電源相極觸頭L1/L2/L3，分閘控制極觸頭P1/P2/P3，接地極觸頭E，共7處接插觸頭。光纖線芯不通過主觸頭連接，在接插件殼體外單獨連接。高壓岸電插頭、插座系統需要完全遵循國際已有標準，與國內外現有岸電插頭、插座匹配兼容。

圖6 350 A 高壓岸電接插件示意圖

2.1.2 卷盤

卷盤用來存儲電纜。卷盤的內徑需要滿足電纜最小彎曲半徑要求，也能保證在卷盤轉矩和電纜張力間獲得最佳效果。外徑的選擇需要確保適應電纜的總長度。卷盤寬度的劃分由電纜直徑以及鋪設方式決定。

2.1.3 導纜器

導纜器通過放下轉臂為將電纜從卷盤引導到船舷外側提供一個相對光滑的路徑。轉臂上并列排放了若干個托輥，這些托輥形成的導向的半徑大于電纜的最小彎曲半徑。導纜器轉臂的放下和折收通過兩側液壓油缸和1套液壓動力站來實現。

2.1.4 集電器

集電器用于卷盤上的旋轉電纜和機械上的固定電纜間的電力和數據傳輸。中壓集電器用1×3條動力線和1條地線的連接到銅制集電環上，與之相對的，安裝有多塊碳刷隨卷筒同步旋轉，實現將來自卷筒電纜的電力傳輸到每一相銅制滑環上。每一相電力分別用1條動力電纜并聯從滑環上接到卷筒端部的動力端子箱內。銅制滑環的相間和相地絕緣靠絕緣子和空氣實現絕緣。接地滑環線（PE）必須用1根接地電纜連接到卷盤結構上，確保來自岸上的地線可靠接地到船體。低壓集電器包括6個旋轉銅制集電環，與之相對地安裝有很多旋轉碳刷。玻璃纖維絕緣子和空氣將每相隔離。LV集電環用于控制電路。光纖（FO）耦合器是通過一條特殊螺旋中繼光纜傳輸旋轉光信號。其后置于控制滑環后。

2.1.5 絞車驅動機構

電纜絞車驅動部分由一個硬齒面減速器和變頻電機組成。傳動裝置由交流鼠籠式變頻電動機驅動。驅動控制系統具有柔軟的驅動特性，并且可以根據收、放電纜工況輸出不同的驅動扭矩；傳動機構還具有可靠的防抱死制動特性，即使在驅動控制系統發生故障，船舶吃水不斷上升情況下，電纜也能被安全地拽出卷盤絕不會對電纜產生不良應力。

2.1.6 絞車驅動控制系統

絞車驅動控制系統具有卷盤驅動控制和電纜管理等2種功能。本項目動力電纜絞車采用的是變頻驅動控制技術，具有自動和手動等2種操作模式。在自動模式下，變頻器運行于直接力矩控制模式，能分別對收電纜和“放電纜”這2種工況輸出卷入電纜扭矩和“放出電纜”扭矩。當系統被切換到手動模式下，變頻器進入速度控制模式。手動控制模式主要用于安裝調試，船舶靠/離岸邊和臨時應急收放電纜。絞車驅動控制系統配備了1個具有IP56防護等級包含電纜絞車操作所需的電氣開關設備的附件。這是一個具有4個功能的拖線式遠程控制器作為操作接口。能便于船員在操作時在船舷邊觀察到電纜。控制柜門上的指示器燈提供反饋信號。電纜管理是在自動模式下，通過設定工作時間間隔，使系統能實現自動控制收/放電纜的功能，見圖7。

圖7 系統框架圖

2.1.7 齒輪旋轉限位開關

齒輪旋轉限位開關分別用于卷滿，倒數第2圈，最后1圈的監測，當到達指定對應檢測點時在絞車本地控制中心發出對應聲光報警提示操作人員進行對應的操作，同時報警信號傳遞至船上的高壓配電板和監測報警系統，提醒船上相關人員對應處理。

2.2 船載高壓配電板及專用UPS

本項目船載高壓配電板含2路進線主開關實現從電纜管理系統接入高壓電源，一路出線主開關實現將高壓電源輸出至船載岸電變壓器，主開關均使用真空斷路器。2個進線主開關通過選擇開關實現連鎖，每個主開關設置相序監測裝置，保證岸電相序與船舶電站相序一致后才可接通；主開關面板設置多功能保護器，能夠實時監控岸電管理系統主要參數，在監測到岸電管理系統故障時能夠緊急關停系統。高壓配電板控制回路使用專用UPS供電，可有效提高系統可靠性。

2.3 船載岸電變壓器

岸電變壓器安裝用于岸電系統的輸變電功能，將高壓岸電轉換為低壓用電輸入船舶主配電板上。變壓器容量根據船舶在碼頭工況計算消耗功率得出。

2.4 船舶電站岸電連接屏

船舶主配電板岸電屏作為船舶電站的一部分，該岸電屏用于岸電接入船舶電站，其控制單元通過與主發電機控制單元的連鎖控制，實現負荷在線轉移，完成岸電供電。

3 高壓岸電系統設計要素

3.1 岸電容量設計

岸基供電系統的容量應根據船舶靠港作業所需負荷決定。如表1所示，本項目預期使用負荷統計中，在裝卸貨工況和停泊工況下使用岸電供電，兩者最大使用功率為1 500.5 kW，因此岸電容量對應選擇使用2 000 kVA檔位，相關船載高壓岸電系統的電纜管理系統，船載高壓配電板，船載變壓器等均按此岸電容量開展對應選型和設計。

表1 某大型紙漿運輸船預期使用負荷統計

3.2 船載高壓岸電系統布置設計

電纜管理系統布置在露天甲板，2套分別布置在左右舷，這樣可最大范圍內方便接入港口岸電。

高壓岸電配電板，岸電變壓器布置在機艙上平臺，根據中國船級社要求，高壓電氣設備的外殼防護等級均應與其安裝場所相適應[5]。因此高壓配電板、變壓器等設備應集中布置在專用電氣設備間。同時，應考慮靠近岸電管理系統，減少兩者之間的高壓電纜長度，降低電纜成本。

3.3 船載高壓岸電系統應急切斷設計

本項目在電纜管理系統本地，船載高壓配電板，船舶電站均設計對高壓壓岸電系統的應急切斷，提高系統安全，避免造成人員傷害。

3.3.1 電纜管理系統本地應急切斷設計

電纜管理系統本地控制箱和手持操作盒安裝應急停止按鈕，當遇到突發狀況時，可在本地絞車附件對整個系統進行急停操作，實現對本地卷盤電機電源開關，導纜架電機電源開關和高壓配電板主開關同時分閘斷電，岸電電源開關通過分閘控制線連鎖控制對應分閘斷電。

3.3.2 高壓配電板應急切斷設計

本項目高壓配電板進線主開關通過分閘控制線與岸電電源開關連鎖，觸發分閘的信號含每個主開關多功能保護單元，含過載、短路控制回路故障，分閘命令信號；岸電管理系統本地分閘指令信號；絞車電纜最后一圈警告信號；高壓配電板接地故障信號；高壓配電板接地連鎖信號；船舶電站應急停止命令信號等。任意信號均可同時觸發高壓配電板主開關和岸電主開關分閘斷電。

3.3.3 船舶電站對高壓岸電系統應急切斷設計

本項目船舶電站低壓配電板布置在集控室，在其岸電電源進線屏面板設置應急切斷按鈕，該信號連接至高壓配電板，可直接切斷高壓配電板電源開關，并通過分閘控制線與岸電開關連鎖。集控室監測報警系統能夠實時監控高壓岸電系統相關各項設備的運行狀態和主要參數，操作人員可根據船舶運行狀態判斷并執行對高壓岸電系統的應急切斷操作。

4 結論

船舶靠港使用岸電供電有著巨大的環境效益，經濟效益和社會效益。在船舶設計階段對各項設計要素充分評估，能夠進一步保證該系統的安全可靠運行。