基于海工船的科考船配電系統(tǒng)改裝

摘? ? 要：本文探討了由近海工程支持船改裝為具有科考能力的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配置及工程實(shí)施方法。通過(guò)分析兩型船配電系統(tǒng)差異性，并根據(jù)科考船的實(shí)際需求進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造。改造后的配電系統(tǒng)能夠滿足科考船的高可靠性、穩(wěn)定性和靈活性的要求。本次改造為其它類(lèi)似科考船的新建和改造提供了有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：科考船；配電系統(tǒng)；改造

中圖分類(lèi)號(hào)：TB472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Renovation Technology of Power Distribution System for Scientific Research Ship Converted from Offshore Vessel

XIE Xinghuan

（ Jiangmen Hangtong Shipbuilding Co.， Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.， Ltd.，? Jiangmen 529145 ）

Abstract： This article explores the process of transforming the power distribution system of an offshore engineering support ship into a power distribution system suitable for scientific research ship. By analyzing their differences， the system design and modification are carried out according to the actual needs of scientific research ship. The renovated power distribution system can meet the high reliability， stability and flexibility requirements of scientific research ship. The successful implementation of this renovation provides useful reference and inspiration for the construction and renovation of other similar scientific research ships.

Key words： scientific research ship; power distribution system; renovate

1? ? ?前言

新建造一艘科考船成本高、周期長(zhǎng)，采用現(xiàn)有船舶改裝成科考船是一條優(yōu)選途徑。本項(xiàng)目改裝船是一型近海工程支持船，原為海洋結(jié)構(gòu)物海上安裝、檢驗(yàn)、維修以及水下機(jī)器人作業(yè)提供多功能支持，并兼作近海作業(yè)的海上設(shè)施、船舶供應(yīng)物資和食品等補(bǔ)給，具有浮油回收、對(duì)外消防、動(dòng)力定位等多種功能，配備直升機(jī)起降場(chǎng)地、結(jié)構(gòu)、存放、消防、供油等設(shè)施，適宜改裝。

基于該型船的配電系統(tǒng)無(wú)法滿足科考船的需求，對(duì)其配電系統(tǒng)進(jìn)行改造，以適應(yīng)科考船的需求。其改造后可獨(dú)立開(kāi)展海工作業(yè)和海洋科考，具有水文調(diào)查、地質(zhì)調(diào)查、大氣調(diào)查科考能力和重物調(diào)運(yùn)能力。

2? ? ?配電系統(tǒng)差異性分析

改裝前需對(duì)所需科考船與改裝船現(xiàn)有配置的差異進(jìn)行分析，以有利于減少改裝工作量，節(jié)約成本和縮短工期。原船配電系統(tǒng)滿足DP2要求，其冗余度方面符合使用要求，電站管理系統(tǒng)功能完善，能滿足全自動(dòng)控制的要求，具有優(yōu)化的負(fù)荷分配能力，符合科考船配電設(shè)備用電的基本要求。

科考船和海洋平臺(tái)工作船因?yàn)橛猛静灰粯樱渑潆娤到y(tǒng)存在差異，主要有以下幾個(gè)方面：

1）配電系統(tǒng)交流供電方式不同。原海工船上的供電和配電系統(tǒng)為交流三相三線制絕緣系統(tǒng)，而部分科考設(shè)備需要使用中性點(diǎn)接地的交流三相四線系統(tǒng)；交流電源電制方面原海工船上的電制為AC440 V 60 Hz，AC220 V 60 Hz，而科考船設(shè)備的電制為AC380 V 50 Hz，AC220 V 50 Hz，需要安裝變壓器、大功率變頻設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換才能滿足科考設(shè)備用電的要求；

2）靈活性要求不同。海工船舶針對(duì)性強(qiáng)，所需功能為固定式。而科考船因?yàn)閷?shí)驗(yàn)項(xiàng)目存在階段性和可變性，需要搭載移動(dòng)型設(shè)備，因此，須在主甲板預(yù)留較多大功率的開(kāi)關(guān)；

3）電源質(zhì)量要求不同。科考船的用電設(shè)備功率大，而且精密儀器多，對(duì)電網(wǎng)諧波要求更高，需要配備大功率AFE變頻器。AFE變頻器具備低諧波高效能的作用，以滿足精密科考儀器使用[1]。

3? ? 改造流程規(guī)劃

為節(jié)約改造成本，盡可能在不改變?cè)潆姲逋庑纬叽绲幕A(chǔ)上，需要合理規(guī)劃配電板上的開(kāi)關(guān)布局、布置各分電箱的位置。配電系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)的主要流程：

1）統(tǒng)計(jì)需要增加、刪減的設(shè)備數(shù)量和功率；

2）進(jìn)行電力負(fù)荷分析和短路電流計(jì)算，確定配電板的改造方案；

3）進(jìn)行配電開(kāi)關(guān)布置的規(guī)劃處理，對(duì)配電開(kāi)關(guān)進(jìn)行處理：

（1）現(xiàn)有的備用開(kāi)關(guān)框架電流和額定電流容量足夠的就用備用開(kāi)關(guān)；

（2）現(xiàn)有的備用開(kāi)關(guān)額定容量不足，但是框架電流可以滿足的，就更換相同框架且額定電流滿足要求的開(kāi)關(guān)，以保證安裝空間足夠；

（3）配電板上開(kāi)關(guān)的布置要按從大到小的原則，優(yōu)先考慮布置空氣斷路器的位置，再布置塑殼斷路器；

（4）剩余的配電開(kāi)關(guān)則布置增加一屏配電板。注意新增的配電屏在高度和寬度尺寸方面做好控制。

4? ? 改造設(shè)計(jì)及實(shí)施

4.1? 主配電板改造

本船主配電系統(tǒng)改造工程需增加以下設(shè)備，見(jiàn)表1。

原船主配電板有12屏，集控室區(qū)域需要新增1臺(tái)空調(diào)。新增配電板采用分配電板的型式，從原配電板的NP1屏供電。

經(jīng)過(guò)綜合分析后，需要對(duì)主配電板進(jìn)行改造：

1）拆除原配電板的第一屏（NP1屏）上半屏所有負(fù)載開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)根據(jù)具體情況移到第一屏下部分和第二屏的備用開(kāi)關(guān)，多余開(kāi)關(guān)移到新配電板，第一屏（NP1屏）的上半屏安裝1個(gè)4 000 AF的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，給新配電板供電；

2）對(duì)于150 t吊機(jī)的兩路供電。考慮第一路由新配電板供電，第二路拆除原配電板的第十一屏（NP11屏）的800 AF的斷路器（供電給原100 t吊機(jī)），安裝1個(gè)2 000 A的ACB，供電給150 t吊機(jī)分配箱2，配置相應(yīng)的控制回路。將拆下來(lái)的800 A開(kāi)關(guān)用于尾部變頻器（440 60 Hz/380 V 50 Hz）供電，配置相應(yīng)的控制回路；

3）將原配電板中容量300 A岸電進(jìn)線斷路器更換為630 A插入式斷路器，在原主配電板（NP11）上增加三相電壓、電流表，電壓、電流互感器及轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等；

4）其余設(shè)備布置在新增配電板或者原備用開(kāi)關(guān)供電；

5）新增3屏配電板要求底部進(jìn)線，前后維護(hù)，新增配電板尺寸控制在2 000 mm寬×800 mm深×2010 mm高以?xún)?nèi)；

6）配電板廠家對(duì)各電站管理系統(tǒng)（PMS）進(jìn)行更新，PMS提供吊機(jī)重載問(wèn)詢(xún)功能。4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組可自動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)行，并在動(dòng)力定位工作站顯示。

主甲板艉部（440 V 60 Hz）移動(dòng)設(shè)備分電箱1#/2#供電的2個(gè)1250 AF的斷路器與150 t吊機(jī)使用工況可以兼容，其可從150? t吊機(jī)的分配箱進(jìn)行電源分接，以控制配電板尺寸。

4.2? ?電力負(fù)荷核算

經(jīng)計(jì)算，本船最大負(fù)荷工況需要4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并車(chē)，其用電負(fù)荷產(chǎn)生了變化。為此，需要重新進(jìn)行短路電流計(jì)算和保護(hù)電器選擇性分析，對(duì)主配電板母排容量及各斷路器進(jìn)行重新校核。

最大短路電流應(yīng)計(jì)及對(duì)應(yīng)于船舶最大負(fù)載工況[2]，短路電流計(jì)算拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過(guò)CCS計(jì)算軟件COMPASS計(jì)算在4臺(tái)發(fā)電機(jī)并車(chē)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)各短路點(diǎn)的短路電流值。

將短路電流的計(jì)算結(jié)果對(duì)比原船斷路器的額定分?jǐn)嗄芰cs（kA）和額定合閘能力Icm（kA），發(fā)現(xiàn)4臺(tái)主發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)處（A1、A2、A3、A4）短路電流峰值Ip（kA）均大于NW20H1斷路器的額定短路接通能力（Icm）143 kA。為此，需更換斷路器才能滿足要求，而其余斷路器符合要求。通過(guò)查找施耐德的斷路器手冊(cè)型號(hào)為“NW20H2”的開(kāi)關(guān)Icm值為220 kA能滿足需求，且抽屜尺寸大小一致，不影響配電板安裝空間，所以選擇NW20H2作為新的主開(kāi)關(guān)。

同時(shí)，對(duì)配電板匯流排進(jìn)行校核，判斷其匯流排等元件的電動(dòng)力穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)測(cè)算第一屏和第十一屏的母排的電流容量需要增加，按計(jì)算結(jié)果進(jìn)行銅排更換。

4.3? ?區(qū)域配電裝置設(shè)置

為適應(yīng)海上的多功能作業(yè)和實(shí)驗(yàn)多樣性的需求，光電纜絞車(chē)集裝箱、鋼纜絞車(chē)集裝箱、ROV及其它移動(dòng)科考作業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備都為整體移動(dòng)式安裝，可根據(jù)不同項(xiàng)目靈活調(diào)換。為用電靈活方便，需要在露天設(shè)置大功率的固定式440 V 60 Hz和380 V 50 Hz分配電箱。

4.3.1 露天區(qū)域380V分電箱

為滿足AC380 V用電設(shè)備的功率需求，需要增加一臺(tái)容量為500 kVA的440 V 60 Hz/380 V 50 Hz的變頻器進(jìn)行電源變換。在變頻器選型時(shí)需要對(duì)電網(wǎng)的諧波影響進(jìn)行重點(diǎn)考慮。經(jīng)過(guò)綜合考慮采用有源前端（AFE）變頻器，整流和逆變單元都帶LCL慮波器，可以有效降低電源端的諧波干擾，確保對(duì)于電網(wǎng)側(cè)諧波電壓影響<5%。

新增設(shè)備尺寸控制是改裝船考慮的重點(diǎn)之一。變頻柜外形太大無(wú)法布置，為此采用變頻柜拆屏布置，分為變頻電源柜和輸出開(kāi)關(guān)柜。

布置于主甲板預(yù)處理區(qū)左、上甲板左、主甲板艉部左舷和右舷的4個(gè)380 V分電箱從輸出開(kāi)關(guān)柜處取電。艉部移動(dòng)設(shè)備分電箱在布置時(shí)考慮到減小后期設(shè)備吊裝對(duì)箱體的沖撞風(fēng)險(xiǎn)，布置在艉部防撞墻保護(hù)區(qū)域內(nèi)。

4.3.2水下設(shè)備升壓變壓器

設(shè)置1臺(tái)容量300 kVA水下設(shè)備升壓變壓器，原邊AC380 V 3Φ、50 Hz，副邊AC1500 V/2000 V/2600 V/2800 V，3100 V/3200 V/3300 V/4100 V/4200 V/4300 V，3Φ 50 Hz，絕緣F。變壓器原邊從變頻開(kāi)關(guān)柜供電。為防止變壓器合閘時(shí)的涌流，升壓變壓器設(shè)置預(yù)充磁變壓器和相應(yīng)的聯(lián)鎖保護(hù)功能。安裝水下升壓變壓器可滿足各等級(jí)高電壓的試驗(yàn)設(shè)備的使用。

4.3.3 露天區(qū)域440 V分電箱

1號(hào)和2號(hào)主甲板尾部（440 V 60 Hz）移動(dòng)設(shè)備分電箱內(nèi)都帶1 250接線柱630/400/250/160/100/32各1個(gè)，適合各功率的設(shè)備取電。艉部移動(dòng)設(shè)備分電箱布置在艉部防撞墻保護(hù)區(qū)域內(nèi)，可防吊裝作業(yè)沖撞。

上甲板專(zhuān)用分電箱 UDDB設(shè)置上甲板FR77艙壁，分電箱內(nèi)開(kāi)關(guān)框架至少包含630/400/250/160 AF開(kāi)關(guān)各1個(gè)，50 AF開(kāi)關(guān)5個(gè)。

4.3.4廚房分電箱

為更加有效地減少電磁干擾，對(duì)廚房設(shè)備的供電增加1臺(tái)容量160 kVA，440 V/440 V，60 Hz（副邊帶440 V/380 V繞組）三繞組三相廚房隔離變壓器，將原廚房設(shè)備分電箱N(xiāo)P1（440 V）改成廚房設(shè)備分配電板。增加1臺(tái)容量約50 kVA，440 V/230 V，60 Hz三相廚房隔離變壓器，并增設(shè)1個(gè)220 V廚房設(shè)備分電箱。隔離變壓器的增加使得整個(gè)配電系統(tǒng)有良好的電磁屏蔽性能，保證科考設(shè)備供電穩(wěn)定和可靠。

4.3.5實(shí)驗(yàn)室分電箱

設(shè)置1臺(tái)容量50 kVA、440 V/380 V/60 Hz三相四線制實(shí)驗(yàn)室變壓器，為實(shí)驗(yàn)室380 V/220 V設(shè)備供電，分電箱內(nèi)每個(gè)供電回路設(shè)置有效漏電保護(hù)裝置。

設(shè)置1臺(tái)容量20 kVA的實(shí)驗(yàn)室UPS，輸入三相三線AC440 V/60 Hz電源，輸出三相四線AC220 V/60 Hz，為實(shí)驗(yàn)室220 V設(shè)備供電，分電箱內(nèi)所有負(fù)載開(kāi)關(guān)均帶獨(dú)立的漏電保護(hù)。

4.4? ?應(yīng)急配電板改造

根據(jù)用電設(shè)備的變更情況，調(diào)整、更換配電屏上的部分饋電開(kāi)關(guān)的型式和供電對(duì)象：

1）應(yīng)急配電板上將 100 AF開(kāi)關(guān)替換為160 AF，給150? t吊機(jī)的63 kW應(yīng)急操作泵啟動(dòng)箱供電；

2）AC220 V配電屏增加1個(gè)3P 16 A/63 AF 的開(kāi)關(guān)供電至液位測(cè)量主控制箱；

3）AC220 V配電屏增加1個(gè)3P 50 A/63 AF 的開(kāi)關(guān)供電至1號(hào)應(yīng)急AC220 V分電箱（新增）；

4）新增加1個(gè)32 A/63 AF3P開(kāi)關(guān)供電給駕駛室AC220V分電箱（新增）；

5）新增加1個(gè)40 A/63 AF 3P開(kāi)關(guān)供電給集控室外1號(hào)AC220 V分電箱（新增）。

4.5? ?岸電箱改造

配備4根長(zhǎng)150 m的3×95 mm2符合相關(guān)規(guī)范要求的柔性電纜作為岸電電纜。岸電電纜連接碼頭岸電的一端采用專(zhuān)用插頭，岸電箱設(shè)置630 A主開(kāi)關(guān)，具有斷相報(bào)警、相序自動(dòng)轉(zhuǎn)換等功能，帶分時(shí)計(jì)費(fèi)式電表。改造后的岸電系統(tǒng)加大了容量，滿足海事局最新的規(guī)范要求，并滿足船上中央空調(diào)系統(tǒng)供電。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)歷改造，得到以下經(jīng)驗(yàn)：

1）配電系統(tǒng)改造工程可采用先大后小，先主干后分支的方式。在實(shí)施的時(shí)候先從主配電板的改造著手，采用層層遞進(jìn)的方式，可保證改造工程有序進(jìn)行；

2）前期規(guī)劃、準(zhǔn)備工作很重要。加強(qiáng)與船東溝通，在改造實(shí)施過(guò)程中需要兼顧與現(xiàn)有系統(tǒng)匹配性及現(xiàn)有船上空間限制。為保證用電負(fù)荷分配合理，滿足科考設(shè)備用電需求，需制定詳細(xì)的改造技術(shù)方案，包括新設(shè)備的選型、布線規(guī)劃、安裝調(diào)試等；

3）宜盡可能在不改變?cè)瓉?lái)配電板結(jié)構(gòu)的情況下，合理規(guī)劃布置配電板的開(kāi)關(guān)、獨(dú)立分電箱、變壓器和變頻器等位置；

4）科考船對(duì)配電系統(tǒng)的諧波控制要求高，通過(guò)合理地選擇變頻器的濾波性能和適當(dāng)設(shè)置隔離變壓器，可有效地減小諧波對(duì)系統(tǒng)的影響，提高其性能和安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]吳剛，黃維.海洋綜合科考船設(shè)計(jì)[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，2018.

[2]鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社，2021.

作者簡(jiǎn)介：謝行煥（1985- ），男，工程師。主要從事船舶、工程及裝備的電氣研發(fā)設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2023-12-10