20000TEU集装箱船电力系统设计

周祎隆，傅晓红，夏 骏，刘 渊，陈 涛，陈俊杰

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引 言

随着经济全球化的不断发展，全球贸易需求量不断增大，各国的集装箱货运量不断上升，集装箱船不断朝着集约化、超大型化方向发展。2015年，我国成功建造并交付18000TEU超大型集装箱船，表明我国大型骨干船厂已具备建造超大型集装箱船的能力。

2015年底，上海外高桥船厂和大连船厂分别承接原中国远洋（集团）有限公司（简称“中远”）5艘20000TEU集装箱船的建造任务，入级DNV-GL和中国船级社（China Classification Society，CCS）。中远20000TEU集装箱船采用双岛式上层建筑总布置，双底双壳船体设计，是目前我国造船业设计建造的具有自主知识产权的最大型集装箱船。对于具有较大功率用电负荷的20000TEU集装船的电力系统而言，无论采用何种电压等级和配电网络架构的设计，都要进行全面的技术和经济分析,根据分析结论给出可靠、合理的设计方案。

1 船舶电站

根据该船的设计需求，20000TEU集装箱船载运1000只冷藏集装箱（Reefer Equivalent Unit，FEU），每只冷藏集装箱的压缩机组的额定功率按照11.4kW计算；同时，配置2台2150kW的艏侧推，船舶的电力负荷在进出港工况下需要的最大电功率约为14MW（见表1）。船用电网容量和用电负荷的大小决定电压等级和短路电流的大小，当电站容量达到10MW以上时，采用6.6kV中压交流电力系统在技术上和经济上更为合理[1]，可大大减小短路电流。根据该船电站容量初步估算出中压汇流排短路电流半周对称有效值(Isc)约为15kA，这样可降低配电系统对断路器及保护装置分断能力的要求。此外，短路电流的显著降低、短路耐受能力要求的降低及标准化断路器的应用可减小船舶寿命周期内发生故障的频率；同时，中压电力设备额定电流的减小可节省大量的电力电缆。

表1 20000TEU电力负荷使用功率 单位：kW

该船配置4台AC 6600V、60Hz、3PH的中压发电机组，其中：2台较大的发电机组的额定输出功率为4144kW；另外2台较小的发电机组的额定输出功率为3200kW。输出功率为4144kW的发电机的额定电流为483.4A，输出功率为3200kW的发电机的额定电流为373.3A，电流值仅为采用低压AC 690V电压等级时的1/10（见表2）。

表2 中压系统和低压系统电力电缆数量对比

2 中压配电系统设计

2.1 中压配电网络

考虑到放射形供电网络具有设计简洁明了、易于进行故障检查和维护保养及初期投资成本较低的技术特点，20000TEU集装箱船采用放射形网络[2]的配电结构，电力系统单线图见图1。该船配置4台中压发电机组，2段6.6kV汇流排分别与大小不同的2台主发电机组相连，2段6.6kV汇流排之间设置母联开关；艏侧推功率较大，由6.6kV汇流排直接供电；2台交流三相6600V/450V中压主变压器（其中一台备用）通过主配电板AC 440V负载屏或AC 440V分电箱向机舱和甲板机械等船舶常规负载供电；6台交流三相6600V/450V冷藏集装箱变压器向全船1000只冷藏集装箱供电；机舱内2台交流三相450V/230V变压器（其中一台备用）和上层建筑内2台交流三相450V/230V变压器（其中一台备用）通过AC 220V负载屏或AC 220V分电箱向照明灯具及其他AC 220V负载供电。应急配电板安装在应急发电机室内，平时由主配电板经应急配电板向负载供电。当主电网失电时，应急配电板上的主应联络开关分断，应急（柴油）发电机组自动启动并经应急配电板向负载供电；当主电网恢复供电之后，应急发电机主开关将分断，应急配电板上的联络开关将合闸（重新由主配电板供电），应急发电机组自动停机。应急照明和其他应急交流负载通过2台交流三相450V/230V应急变压器（其中一台备用），由应急AC 220V负载屏或AC 220V应急分电箱供电。

图1 20000TEU集装箱船电力系统单线图

2.2 中压配电屏

根据该船入级船级社的要求，中压电气设备必须放置在独立的围壁处所，该船机舱内布置有单独的中压配电室用于放置中压配电屏。中压配电屏主要包括主发电机屏（4屏）、母联开关屏（1屏）、发电机同步屏&母线提升屏&电压互感器屏（1屏）、接地屏（2屏）、主变压器馈电屏（2屏）、冷藏集装箱变压器馈电屏（6屏）、艏侧推馈电屏&启动屏（4屏）及中压岸电接收屏（1屏）。

该中压配电装置采用金属分舱隔离空气绝缘形式。每个柜体都分为中压舱室和低压舱室，其中：中压舱室按照标准线路配置元器件，主要有真空式断路器、接地开关、母线、电压互感器和电流互感器等；低压舱室包括继电保护装置、控制装置和电表等。

配电板顶部装有泄弧通道，当内部发生短路故障时，所产生的高温热气或金属粒子通过泄弧通道排到机舱棚右舷隔离空舱内，以确保附近工作人员的安全。

大功率电力系统必须具有功率管理的功能，除了常规功率管理所具有的发电机组的启动、同步、负载转移、负荷平衡和停车等功能以外，还要对大功率电力系统特有的多段汇流排的联络开关进行有效控制[3]。该船采用的功率管理系统（Power Management System，PMS）装置通过CAN现场总线技术对电站的配电系统安全运行进行控制。功率管理系统对发电机真空断路器设置有过/欠电压、过电流、短路和逆功率脱扣保护。

2.3 中性点接地保护

中压电力系统中性点经高电阻接地是目前集装箱船中压电力系统最广泛采用的接地方式，相对于中性点绝缘系统具有以下优点[4]：

1) 能降低单相弧光接地过电压的危险性；

2) 接地保护可兼顾灵敏性和选择性；

3) 接地电流比较小，对邻近通信线路的干扰比较弱。

该船中压电力系统采用等效高阻接地方式（见图2），即每段中压汇流排连接单相配电变压器作为接地变压器（GVT），所有馈电回路设置方向接地保护装置，防止各回路中的对地电容和电流引起继电保护装置误动作[5]。接地变压器一次侧为星形连接，中性点接地；变压器二次侧串入电阻，主要作用是当系统发生单相接地故障时，将暂态弧光过电压和故障电流限制在规定的范围内。当电网发生单相接地故障时，只在短时间内通过故障电流，高灵敏度的零序保护判断并瞬时切除故障线路。

图2 高阻接地连接方式

根据IEEE-C62.92.3导则要求，若中性点采用高阻接地，并采用单相接地变压器的方式，则最大单相接地故障电流应≤25A，接地变压器的二次侧电压等级一般选择120V或240V[6]。

该船选择接地变压器的二次侧电压等级为110V，并串接电阻，用于限制接地故障电流。当接地故障电流为0.2A时，接地故障保护装置开始动作。接地变压器一次侧额定电压接地变压器二次侧额定电压U2=110V，即接地变压器的变比N=U1/U2=34.64。由此可得出接地变压器二次侧串联电阻阻值为15.88Ω。

2.4 继电保护系统

由于真空断路器不带保护装置, 中压配电装置需配置继电保护装置来提高电力系统运行的可靠性和安全性。该船配置功能强大的带微处理器的数字式保护继电器，其特点是：采用模块化结构；数字和模拟图形化显示；能实时测量检测故障信号和灵敏地切除故障信号。

该船设计的继电保护装置采用DC 110V电源，包括以下3种模块单元：

1) 发电机保护模块，除了设有过电流保护、速断保护、逆功率保护和方向接地保护以外，还设有过/欠电压保护、差动保护、三相不平衡负载保护和频率监测等；

2) 中压电动机保护模块，除了设有电动机速断保护、启动保护、热过载保护和方向接地保护以外，还设有三相不平衡负载保护、电动机启动次数监视和残压监测保护等；

3) 中压变压器保护模块，除了设有过电流保护、速断保护、热过载保护和方向接地保护以外，还设有防止变压器内部短路故障运行的差动保护等。

3 低压配电系统

该船采用一级降压的配电系统，通过中压主变压器直接从中压6.6kV降压至低压440V。低压主配电板AC 440V负载屏布置在机舱集控室内，包括接入屏、汇流排连接屏、440V负载屏、组合启动屏和“后岛”220V负载屏。

该船的低压配电系统采用区域化分布式供电方式[7]，区域化供电主要有以下2个优点：

1) 分区就近供电可减少主干电缆数量，解决超大型集装箱船前岛和中前部低压设备长距离输电的电压降及电缆通道内的电缆拥堵等问题，提高电力系统整体的经济性；

2) 电网拓扑结构上的负载分区供电，使一个分区内的发电机总容量或变压器总容量减小，达到降低短路电流的目的，提高供电的安全性。

根据以上优点，该船在“前岛”二甲板的冷箱变压器室内设置2台交流三相450V/230V变压器和1块AC220V负载屏。该负载屏与集控室内的低压主配电板分开布置，供电范围包括“前岛”通信导航设备、风机、照明和其他低压电气设备及中前部货舱和周边区域的照明。

4 货舱风机供电方式

该船针对货舱风机供电方式设计有交叉供电原则，保证在单一故障下一个区域内的货舱都可保持50%的通风量。该船通过主配电板1号和2号AC 440V负载屏分别向放置在两舷服务通道内的4个货舱风机组合启动屏供电。货舱风机组合启动屏左右舷对称布置，3号和4号货舱风机组合启动屏放置在FR 360右舷及左舷，5号和6号货舱风机组合启动屏放置在FR 150右舷及左舷。该船共有11个货舱，同一个货舱的风机由就近的左舷或右舷的货舱风机组合启动屏交叉供电。图3为9号货舱风机交叉供电网络，从右舷开始，排列顺序为奇数的货舱风机由右舷的5号货舱风机组合启动屏供电，其他货舱风机由左舷的6号货舱风机组合启动屏供电。

图3 9号货舱风机交叉供电网络

5 结 语

超大型集装箱船带来的规模经济效益明显，不仅能降低单箱运输成本，而且具有更好的环保性，因此近几年各大班轮公司不断增加超大型集装箱船的订造数量。船东和船级社对20000TEU和20000TEU以上超大型集装箱船配电系统的网络架构及电力系统的安全稳定运行提出更高的设计要求。为进一步提高电站容量较大的半潜式钻井平台和豪华游船上供电的可靠性，已采用供电冗余性更高的环形供电网络架构。环形供电网络架构和区域化多辐射供电回路将成为未来超大型集装箱船研究及发展的方向。