交流高压岸电系统的安全与保护装置设计

王 星 昱

（中国船级社上海分社，上海 200135）

0 引 言

交流高压岸电系统是指船舶靠港期间向船舶供电的设备，包括船载装置和岸基装置，港口向船舶配电系统供电的电源额定电压在1～15kV之间。

交流高压岸电系统的应用，带来了几个典型的好处。一是减排，避免了船舶靠泊期间采用停泊机组供电；二是节约成本，岸电的成本大大小于船舶自身柴油发电机组发电的成本，而且在一些港口也替代了使用低硫燃料的工作，降低了运营和管理成本；三是减噪，消除了停泊机组运行的噪声污染，改善了船员工作环境[1]；四是节能，陆地发电设备效率高于船舶发电机组；五是灵活，可以实现不断电转换，也适应了船舶大型化和用电负荷变化的潮流[2]。

本文通过对典型船舶的交流高压岸电系统的设计，研究了该系统的安全与保护要求。

1 系统设计

1.1 基本要求

国际海事组织海洋环境委员会于2008年10月提出了一系列船舶减排目标、标准和计划。国际电工协会也结合欧盟相关标准提出了靠港船舶接岸电的标准[3]。CCS（中国船级社）在2011年发布了船舶高压岸电系统检验原则，并在《钢质海船入级规范》2013年修改通报中对交流高压岸电系统做了规定。

上述文件对系统设计、设备和试验等方面提出了要求。如船舶第一次到达某港口，在连接岸电之前，应对船舶连接岸电进行评估，考虑岸电电压、频率、容量和短路兼容性[4]。船舶和码头间应建立等电位连接，并且该连接不应改变船舶配电系统的接地原理[5]。

1.2 短路电流评估

短路评估时，需考虑岸电和船舶电源馈送的预期短路电流，可采取并网连接转移负载期间限制运行船舶发电机组数量，和/或限制岸电供电电源输入至船舶配电系统的短路电流的措施，以限制连接岸电时的预期短路电流。

目前各大船级社认可的短路电流计算均采用IEC61363标准，但是，当船舶连接高压岸电时，IEC61363标准所提供的方法已经不再适用，这时需采用陆上电网短路电流计算通用的IEC60909标准，而采用该标准计算船舶接入高压岸电时的短路电流也已经得到了中国船级社的认可[6]。

1.3 典型系统

一条5万dwt散货船，船舶电制为AC400V，装卸货工况下所需功率约为800kW，码头电制为AC6000V。高压上船后经变压器降压后供船舶使用。采用短时并联的方式转移负载。系统示意图见图1。

图1 高压岸电系统示意

2 岸基装置设计

岸基装置主要由码头侧变压器、高压配电柜、码头岸电插座箱及其控制保护装置组成。

变压器在发生过载、短路、过电压、欠电压和逆功时，变压器二次侧的断路器应可靠断开。所以在保护装置中设置了欠压、逆功、过流、接地故障、过电压和方向性过流保护，并将断路器故障分断的信号发送到船上。

高压配电柜本身设计了五防联锁，包括防止误合分断路器；防止带负荷拉、合隔离开关；防止带电合接地开关；防止带接地开关合断路器；防止误入带电间隙。另外还设置了应急切断和安全联锁功能。

应急切断包括自动切断和手动切断。根据规范的要求在发生如下情况时激活自动切断：1) 等电位连接断开；2) 电缆管理系统发出报警信号；3) 岸电系统控制盒监测线路故障；4) 岸电连接插头带电拔出。特别注意的是，在发生应急切断后，必须人工复位后断路器才能再次闭合。

安全联锁除了开关柜自身的机械五防联锁外，还设置了与外部信号的电气联锁。这些外部信号如等电位连接、岸电供电电源、岸电连接插头插座的控制极电路、控制监测电路、保护接地系统发生故障或未建立时，或者电缆管理系统发出报警、应急切断激活、船上岸电连接配电柜接地开关闭合时，都不能闭合或立刻断开码头侧高压断路器。隔离开关在如下几种情况下也不能闭合：船侧或码头侧其中一只接地开关闭合；船岸间连接线路故障；岸电连接插头插座的控制极电路未闭合；等电位连接未建立。接地开关只能在这几种情况下打开：岸电连接插头插座的控制极电路闭合，船岸间建立了通讯连接，船岸系统等级协调，并且紧急切断未激活。

码头岸电插座箱和船上设备中的电缆管理系统配套使用，有合适的防护等级，插座连接便捷可靠，插座设计成插接时PE极先接触，然后是控制极接触，最后是主回路三极接触，分开时顺序相反。

3 船载装置设计

船载装置包括插头、岸电电缆和电缆管理系统、岸电连接配电柜、船载变压器、岸电接入控制屏。这些设备的特点是：

1）岸电电缆需要经常弯曲、移动并承受一定的拉力，所以选用乙丙橡胶绝缘、五类导体的电缆，并通过弯曲试验验证。其长度应满足在潮汐和船舶靠泊工况下足够连接到岸与船舶之间的连接点；

2）电缆管理系统的功能和安全性能。功能方面，应能保持电缆有最佳长度，避免电缆松弛或过紧；配备一种独立于控制系统的装置，用来监测电缆最大张力并控制电缆长度；能够回收和安置电缆；在电缆或导线连接的接线端上排除传递机械应力的可能性。安全性能方面，需保证电缆承受的机械应力不超过允许的设计值，电缆出现过度拉伸时，迅速断开岸电连接断路器，必要时从合适的位置断开电缆避免绞车等设备的损坏。张力和长度设置了先预警后报警同时跳闸的安全功能；

3）岸电连接配电柜设置了保护装置。当发生过流、接地故障、过电压、欠压、过频、欠频时先预警后报警同时跳闸；当发生短路、逆功、方向性过流时跳闸并报警；检测相序，通过报警和联锁来保护相序。该配电柜的安全联锁和应急切断功能设置与岸基装置的高压配电柜相同；

4）船载变压器在主副绕组间设置了接地屏蔽；

5）岸电接入控制屏上设置了同步装置、双频表、双压表、电流表、相序表，并限制并网连接转移负载期间运行的船上发电机组数量。

4 等电位连接

由于船舶和码头间存在一定的电阻，在发生接地故障时，在远离故障点的地方也会产生一定的电位差，存在电击风险。通过岸电电缆中的一根芯线来建立船舶与码头间的等电位连接，保障人身和设备安全。等电位连接见图2。

岸电采用的是6kV高阻接地系统，船舶电网采用的是400V不接地系统。高压岸电上船后通过6kV/400V的降压变压器隔离，没有改变船舶配电系统的接地原理。

另外，降压变压器在初级和次级绕组间设置了接地屏蔽，满足了CCS钢规第4篇第2章第14节对过电压保护的要求。

图2 等电位连接示意

5 结 语

由于环保要求的提高，加之经济性和灵活性，交流高压岸电系统得到了越来越广泛的应用。

通过对一条典型船舶高压岸电系统岸基装置等的具体设计，研究了高压岸电系统的安全与保护的要求与设置。特别是在安全联锁方面，通过电气和机械联锁的组合，满足规范和功能的要求。此外，通过设计合适的等电位连接方案，保障人身和设备安全。

[1] 刘洪波，董志强，林结庆. 码头船用岸电供电系统技术[J]. 水运工程，2011, (9): 181-184.

[2] 黄细霞，包起帆，葛中雄，等. 典型港口岸电比较及对中国港口岸电的启示[J]. 交通节能与环保，2009, (4): 2-5.

[3] 陈 梦，陈 刚，王利鹃. 船舶高压岸电系统组成及相关短路研究[J]. 港口科技，2011, (8): 61-63.

[4] 中国船级社. 钢质海船入级规范[S].

[5] IEC/ISO/IEEE 80005-1 Ed.1 Cold Ironing Part 1: High Voltage Shore Connection (HVSC) Systems- General Requirements [S].

[6] 王正甲，谢立新，万 芳. 高压岸电在散货船上的应用研究[J]. 船舶与海洋工程，2012, (4): 41-45.