基于岸基能源的江汉运河船舶电力供给系统设计

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(武汉理工大学 a.国家水运安全工程技术研究中心；b.能源与动力工程学院；c.船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063)

江汉运河自通航以来，50%以上过往船舶的始发港和目的港均在江汉运河附近，并且船舶通航数量及货运量呈快速增长的趋势[1]。当前，过往江汉运河的船舶大多采用柴油机为主动力，航行过程中产生大量的废气和PM颗粒物[2]，同时还会产生油污水、生活污水以及噪声，对运河的水质及周边环境造成了严重的影响。

相比采用传统的柴油机推进系统船舶，岸基能源船舶由于无废气排放、机舱设备少，可大大减少船舶带来的空气污染、水污染和噪声污染。在这方面，德国Steffi渡船通过在水面上方架设一根电线，船外壳与水接触实现电流的回路来为轮渡提供驱动电力[3-4]。这种方式会造成船体电化学腐蚀，降低船舶使用寿命。美国Canby渡轮采用三线制的输电方式，通过三脚架结构的受电装置在架空输电线上滑动摩擦，将接触线电能传输至渡轮[5]。该三脚架结构的受电装置无法跨越支柱上的接触网支持装置，只能在2根岸基支柱之间的架空接触网段运行，因而不能满足岸基能源船舶长距离航行的需求。针对以上问题，国内有方案采取在运河上空架设接触网、在运河船舶上安装2根集电杆的方式，通过集电杆压在线网上，使集电头直接与接触导线摩擦，进而从接触网获取驱动电力[6-7]。该方案在工程化实施的过程中，存在以下不足：①运河船舶的受电装置采用硬质集电杆设计，当运河船舶航行于水流波动较大的水域时，集电杆的控制机构存在因响应不及时而导致集电头脱线的问题；②运河船舶船端受电装置结构复杂，成本较高；③运河船舶启动时，会出现因负荷突变导致船舶电网电压波动，易损坏船舶用电设备。

针对上述不足，以一艘江汉运河1 000 t级散货船为研究对象，构建基于岸基能源的江汉运河船舶电力供给系统配置形式；设计岸基供电系统与受电连接系统，使船舶能够可靠地接电；设计运河船舶电力系统，为船舶稳定航行提供保障。

1 系统构成

系统主要由岸基供电系统、受电连接系统和船舶电力系统3个部分组成，见图1。

图1 系统组成

1)岸基供电系统。主要由发电站、牵引变电所和岸基接触网组成。其作用为将区域电能传输至接触网供岸基能源船舶使用。

2)受电连接系统。主要由碳轮式集电装置、柔性输电线、受电线滑槽支架及快速接口与计费装置组成。其作用是将岸基接触网的电传输至船舶电能管理系统。

3)船舶电力系统。主要由储能式供电装置、电能管理系统及电力负载等组成，其中储能式供电装置包括超级电容组和动力电池组，作用是将来自岸基的电能以及船载储能式供电装置的电能经过滤波、变压、整流等处理，为运河船舶提供稳定的电压和电流，并为船舶用电设备合理分配电能[8]。

2 岸基供电系统设计

2.1 接触网架设方案设计

岸基供电接触网的作用是为船舶提供正常航行所需要的电能。该接触网主要由钢支柱、腕臂、接触悬挂等组成[9]，设计方案见图2。

图2 接触网架设方案总体图

采用钢支柱承受接触网的全部负荷并将其传递至陆地[10]。腕臂主要由坚固的钢质圆管制成[11]。

接触悬挂是安装于支柱和定位装置上的线索及其组成的结构的总称，由承力索、吊弦、吊杆、轨道外壳及接触导线等组成，见图3。其作用是将轨道外壳和接触导线固定于腕臂并悬吊于运河上空。

图3 接触悬挂示意

承力索、吊弦与吊杆为主要采用钢材料制成的连接与承力件，作用是减少轨道外壳和接触导线的驰度并将其固定于腕臂。其中吊杆采用“爪”形连接件设计，可避免对轨道外壳造成应力集中现象。

轨道式供电装置由轨道外壳、接触导线和绝缘材料组成，见图4。轨道外壳由聚苯醚材料制成，具有强度高、电绝缘性好、密度低的特点。其作用为：①为在其内部铺设的接触导线和集电装置提供支撑；②减少接触导线的驰度；③采用对称式铺设接触导线设计，使集电装置在接触导线上取电时受力均匀；④便于集电装置的拆卸。2根同极性的裸露接触导线由纯铜材料制成，铺设于轨道外壳内，作用是供碳轮式集电装置滑动取电；绝缘材料设置在接触导线与钢制外壳之间。轨道式供电装置配合柔性受电连接装置使用，使船舶能够稳定接电。

图4 轨道式供电装置组成

2.2 接触网电压等级选择

2.2.1 接触网负载分析

1)运河运行船舶总数量。由于江汉运河两端有船闸，运河同时运行的最多船舶数量为江汉运河船闸满负荷运行时通过船闸的船舶数量。江汉运河的主力船型为1 000 t级散货船，船舶总长为65 m、宽度为12.8 m。船舶在进入或出运河前，必须先通过运河两端的千吨级船闸(有效尺度为长180 m、宽23 m)，船舶通过船闸所需时间为50 min(约0.83 h)。由船舶和船闸参数可知，单座千吨级船闸最多可同时容纳2艘1 000 t级散货船。以下按每次开闸进入2艘1 000 t级散货船计算。

当第一批船从船闸驶出时，第二批船开始进入船闸。船舶在正常航行时的安全船距Z为4～6倍船长，取5倍船长计算、即325 m。则第二批船通过船闸时，第一批船与第二批船之间的最小距离Smin为

Smin=Vt-2L-Z

(1)

式中：V为船舶航速，km/h；L为船舶总长，m。

将表1中数据代入式(1)求得S为9 505 m，远大于安全船距的要求。所以，在运河船闸持续运行的情况下，长度为67 km的运河中最多同时存在7批14艘1 000 t级散货船。

2)运河船舶平均用电量。1 000 t级散货船在江汉运河上的通常航行速度为12 km/h左右，该航速下对应的主机功率约为额定功率的60%、发电机的功率约为10 kW。单艘运河船舶航速为12 km/h时，所需总功率为318.7 kW。

因此，接触网的总负载即接触网为14艘运河船舶提供的总功率。

P=318.7 kW/艘×14艘=4 461.8 kW。

2.2.2 接触网电压等级选择

根据国家标准(GB50061-2010)《66 kV及以下架空电力线路设计规范》的规定，线路电压为3 kV以下、3～10 kV、35～66 kV的配电线路与通航河流的基本要求为：接触线至常年最高通航水位最小垂直安全距离均为6 m，距离最高航行水位时的船舶上层建筑的最小垂直安全距离分别为1.0、1.5和2.0 m。江汉运河桥梁的通航净高为8.5 m，通航净高大于接触线安全距离6 m的要求。空载的运河船舶在穿过桥区时，净空高度为6.6 m，其上层建筑至高处与接触线的垂直距离约为1.9 m，满足规程3～10 kV安全距离为1.5 m的要求。单向交流输电线的功率P与电压U、电流I的关系为

P=UIcosφ

(2)

式中：cosφ为功率因数，高压供电线缆的功率因数取0.9。

由式(2)可求得与不同电压对应的电流值，见表1。

表1 接触网电压与电流信息

由表1可知，线路的电压值越高，电流越小。当接触网电压为6 kV时，电流为826 A，而根据国家铁路局发布的行业标准(TB/T 2809—2005)《电气化铁道用铜及铜合金接触线》规定，当前铜及铜银合金接触线的最大载流量为800 A，故电压等级为6 kV不满足条件。当接触网电压为7～10 kV时，电流为496～708 A。由于接触导线的功率损失与电流的二次方呈正比关系，为了减少功率损失，电流选择较小值。该选择还有利于减小线缆的横截面积和降低初期的投资成本。由于接触网提供的总功率不变，当电流选择较小值时，电压应选择较大值。综上所述，接触网电压选择10 kV，电流为496 A。

3 受电连接系统设计

受电连接系统由4个部分组成，见图5。

图5 受电连接系统

3.1 新型碳轮式集电装置

新型碳轮式集电装置的作用为将接触网上的电能传导至柔性输电线船舶。该装置主要由碳轮、碳轮轴承、中间轴、导线杆、以及拆卸导杆组成。该装置与轨道式供电装置装配见图6，组成见图7。

图6 集电装置与轨道式供电装置装配示意

图7 新型碳轮式集电装置示意

其中碳轮的作用为将接触线网的电流传至柔性输电线，同时承受柔性输电线等的重力。该装置具体工作过程为：岸基接触网上的火线与零线分别与碳轮接触，将电能通过碳轮传导至碳轮轴承，再由碳轮轴承和中间轴将电能传输至导线杆内的柔性输电线。

3.2 柔性输电线

新型碳轮式集电装置和船舶之间采用柔性输电线设计，作用是将碳轮式集电装置传来的电能传输至船舶。相比之前的岸基能源船舶设计方案中的硬质集电杆[10]，柔性输电线的优点是受水位、水流波动影响较小。此外，船舶与接触网采用柔性连接可降低接触线网对船舶的反作用力，从而减小船舶航行阻力，降低船舶能耗。

3.3 受电线滑槽支架

受电线滑槽支架主要由支架、滑块及承力挂钩组成，见图8。其中支架设置于船舶顶层，可竖直方向调节高度，以适应航道水位的变化。支架上部开设滑轨，滑轨上配有2个滑块，每个滑块上部配有承力挂钩，2个承力挂钩分别承载零线和火线的部分重力，以减少柔性线对轨道外壳的受力。2个滑块之间用一根杆子连接，以使2根输电线横向保持一定距离。滑块沿滑轨在船舶横向水平移动，以适应船舶相对接触网在船舶横向的偏移。该装置的作用主要有：①降低水位变化对柔性线及碳轮式集电装置的影响；②降低船舶偏移过大对柔性线及碳轮式集电装置的影响；③减小柔性输电线对接触网的作用力。

图8 受电线滑槽支架组成

3.4 快速接口与计费装置

快速接口与计费装置的作用：①将受电连接系统的柔性输电线传来的电能接入船舶；②实现船舶使用接触网供电量的度量与计费；③实现运河船舶快速地连接与断开。该装置主要由专用插头与插卡式智能电表组成，其中智能电表由船体的卡槽固定，电表输出端采用了类似于航空接口的专用插头，其作用是便于该装置与船舶快速连接和脱开，见图9。具体工作过程为：电能通过柔性线进入电表输入端，然后通过电表输出端至船舶配电箱。

图9 快速接口与计费装置组成示意

如果岸基能源船舶通过不同的电费计费区域，即跨区域航行时，可在计费装置上加设北斗定位模块，能够对船舶进行精准定位及监控。将北斗定位模块与智能电表结合能够精准地实现在不同计费航区的实时电量计费和缴费。

3.5 集电装置的拆卸装置

当船舶出现故障或集电装置出现故障时，为了不影响航线上其他船舶的正常航行，需要将集电装置与接触网脱离。针对新型碳轮式集电装置设计一种拆卸杆。该拆卸杆顶部开设有六角螺栓孔，与拆卸导杆处的六角螺杆配合使用，见图10。

图10 拆卸杆与集电装置配合

当船舶或者接触网故障时，通过使用拆卸杆将碳轮式集电装置拆下，船舶依靠储能式供电装置继续航行。此外，在拆卸杆头部增加了“漏斗”型引导设计，便于工作人员安全及快速地进行拆卸操作。

4 供电及电能管理设计

4.1 储能式供电装置

储能式供电装置由超级电容组和动力电池组构成。超级电容是通过极化电解质来储能的一种电化学元件，具有超强的大电流放电能力和快速的充放电性能。岸基能源船舶在启动时需要较大的电流，如果直接从岸基电网供电，会出现因负荷突变导致电网电压波动。如果采用超级电容供电，不仅可以提供启动所需要的大电流，而且还可以减缓船舶启动时负荷突变对电网的影响，增强船舶的制动性能。而当接触网故障时，则需采用动力电池组为岸基能源船舶提供动力来源。

4.2 电能管理系统

电能管理系统是一个综合性的运河船舶管理系统，具有管理、监测、控制与保护等功能[15]。其作用为：①对来自接触网、船载储能式供电装置的电能进行稳压等处理后，将处理过的电能分配至船舶用电设备；②对电能按照照明用电、动力用电、空调用电及其他用电等分别计量，为船东的电能审计及节能提供依据；③合理调配负荷，实现优化运行和有效节约电能。