船舶高压岸电系统加装方案及效用试验x

马兴旺

摘    要：某型散货船为了实现靠港期间零排放，拟加装高压岸电系统。为优化改造方案，保障改造工作顺利进行，通过电力负荷和短路电流计算，对改造方案进行验证。结合该船改造过程，介绍改造方案及效用试验，并对高压岸电系统的后期运营提出建议。

关键词：船舶高压岸电系统;耐压试验;对称短路电流;等电位连接

中图分类号：U665.1                               文献标识码：A

Abstract： In order to achieve zero discharge at port， a certain bulk carrier is proposed to install a high voltage shore power system. In order to optimize the installation scheme and ensure the smooth progress of the installation， the installation scheme is verified in the early stage through the calculation of power load and short-circuit current. Combined with the installation process， this paper introduces the installation scheme and the function test， and puts forward further suggestions for the later operation of the high-voltage shore power system.

Key words： Marine high voltage shore power system; Withstand voltage test; Symmetric short-circuit current; Equipotential connection

1    前言

随着世界航运贸易持续增长，停靠码头的船舶数量和密度大幅增加。在船舶靠港期间，为了保障船上生活设施、应急设备、装卸配载等设备的正常运转，船舶发电机仍需工作。这不仅会消耗大量的能源，还会对港口区域造成严重的环境污染。船舶使用岸电电源能够降低对传统能源的消耗，大幅度降低船舶因燃烧燃油而产生的氮氧化物、硫氧化物、二氧化碳等污染气体及颗粒物的排放。因此，船舶靠港期间使用岸电对降低成本、节能减排具有着非常重要的意义。

2    船舶高压岸电系统简介

船舶高压岸电系统是指船舶在靠港期间停止使用船舶发电机、改用岸基电源的供电方式。高压岸电系统主要由岸基装置和船载装置两部分组成：岸基装置由码头变电站和码头岸电箱组成;船载装置由电缆管理系统、高压岸电进线柜、变压器及低压进线屏组成。高压岸电系统示意图，如图1所示。

某散货船设有670 kW主发电机3台、120 kW应急发电机1台：电站额定电压为AC400 V、额定频率50Hz，采用交流三相三线绝缘系统;拟采用的高压岸电系统的高压接入电制为AC6 000 V、50 Hz;低压接入电制为AC400 V、50 Hz;额定容量为1 250 kVA。

高压岸电系统采用左、右两舷接入方式，两舷都设有电缆绞车和相应的控制箱，通过高压岸电进线柜接至变压器，经变压器降压至与船舶电站一致，再通过低压侧开关接入船舶主配电板。

船舶使用岸电期间，至少保持1 台主发电机处于备车状态，一旦岸电电源出现故障时船舶发电机能自动启动并连接至主配电板。

本船燃油系統由锅炉蒸汽系统加热，为了实现船舶靠港期间零排放，需要停止使用燃油锅炉。锅炉停用时，无法为备车柴油机提供温度适宜的燃油。为解决上述矛盾，需在燃油日用柜与供油单元之间增设一台燃油电加热器。

3    船舶高压岸电系统改造方案

本船是在原电站的基础上加装高压岸电系统，需要进行电力负荷和短路电流计算、船体结构及主配电板改造。

3.1  靠港期间电力负荷计算

船舶靠港期间主要为靠泊工况和装卸货工况，其中装卸货工况由于涉及船舶配载用电负荷更大。靠港期间使用的电气设备如下：压载水系统、海水及淡水冷却系统、消防水系统、通风系统、空调系统、冷库系统、甲板液压系统、照明系统等。

电力负荷计算及电站使用情况见表1。

由表1可知，该船在使用高压岸电时，装卸货工况所需功率约为751 kW。本船采用的高压岸电系统额定容量为1 250 kVA、有功功率为1 000 kW，满足电力负荷要求。

3.2  短路电流计算及短路保护

船舶配电系统中任何安装点的短路电流不应超过该点断路器的短路分断和接通能力。在采用断电转移负载的情况下，岸电容量一般小于船舶电站总容量，因此岸电连接期间系统短路电流不会出现超过原船配电系统最大短路电流的情况，故仅使用岸电时的短路电流计算，应参照CCS 指导性文件GD021-1999《岸上供电交流电力系统的短路电流计算》;对于岸电和船舶电站短时并联的短路计算，因为并联期间岸电和正在使用的船舶发电机总容量有可能引起系统短路电流出现超出原船配电系统最大短路电流的情况，所以岸电和船舶电站短时并联时的短路电流计算，应参照IEC60909 系列出版物计算方法进行。

本船计算书仅考虑岸电供电、岸电与一台发电机短时并联供电时的短路电流。短路电流计算软件采用ETEP12.6.0版本，计算参数如下：陆地电网短路容量为30 MVA、变压器额定容量为1 250 kVA、抗阻为6%;装卸货工况总消耗功率为751 kW、等效电动机设定为1000kVA;停泊工况总消耗功率为506 kW、等效电动机设定为625 kVA。

根据计算结果（略），无论是仅岸电供电，还是岸电与一台发电机短时并联供电，对称短路电流和峰值短路电流均小于高压岸电系统中断路器的短路分断和接通能力，满足《钢质海船入级规范》的要求。高压岸电进线柜中设置了施耐德HVF1041型开关、内设接地开关、接地故障保护和报警等装置，并设有真空断路器，用于短路保护。[1]

3.3  空间布局改造

本船采用左右两舷接入方式，两舷都配有电缆绞车和相应的控制箱。需要增装的设备为：电缆绞车及控制箱2套、高压岸电进线柜1套、变压器1套。

原船各层甲板尾部空间狭小，为了安装电缆绞车和方便释放及回收船岸连接电缆，A甲板尾部两舷均加装了部分甲板，用于安装电缆绞车;原有的两个储藏室，分别被改为变压器间和高压岸电进线柜间。高压岸电设备布置图，如图2所示。

3.4   主配电板改造

低压进线及控制屏连接变压器的次级，通过原主配电板的主汇流排向船舶电网供电。本船原主配电板由发电机控制屏、同步屏及负载屏组成，需要增加低压岸电进线控制屏，并对原同步屏进行改造：

（1）在原主配电板右侧增加一空屏，并在原空屏中增加指示灯、仪表、AMP 管理单元（人机界面）、控制开关、空气断路器等设备，作为高压岸电系统的低压进线柜;

（2）在空屏中增加汇流排;

（3）改造原配电板的同步并车屏，使AMP管理系统与原配电板之间建立信号连接，提供岸电手动切换和自动切换，实现岸电与船电同步时减少并网时间，进行无负荷切换及带负荷切换功能。主配电板改造方案，如图3所示。

4    船舶高压岸电系统安全防护

4.1  等电位连接

虽然海水导电但存在电阻，船舶电气设备接地和岸地因传导电阻造成电位差，威胁人身安全，所以要求船电接地和岸电接地保持等电位连接，以降低接触电压，提高安全用电水平。

港口岸电一般为三相四线中性点直接接地系统，本船采用的是三相三线绝缘接地系统，等电位连接是利用高压电缆中一根芯线作为等电位连接线，将船体与岸电中性接地点连接。

4.2  电气隔离

因为船舶电网环境比岸上电网差，船岸间应设置电气隔离。电气隔离就是将岸上电源与船用电气回路作电气上的隔离，以减少两个不同电路之间的相互干扰。若船舶设有高/低压变压器，可视为满足电气隔离要求，否则应设置隔离变压器。

4.3  应急切断

船载高压岸电系统应具备应急切断功能，以确保快速断开岸上和船上的电气连接，并应按故障安全原则设计，防止被误触动。

应急切断功能动作时，应能在码头和船舶有人值班处所发出报警，且非经过人工复位断路器不能再次闭合。若发生如下情况，应自动触发应急切断功能： 等电位连接断开; 电缆管理系统故障报警;岸电系统控制和监测线路故障; 岸电连接插头带电拔出。

按规范要求，应至少在下列位置布置手动应急切断按钮：电缆管理系统操作位置;高压岸电进线及操作控制柜;低压岸电进线及控制操作屏。

4.4  安全连锁

如存在以下情况，岸电高压接入断路器应不能闭合或在闭合位置断开：等电位连接未建立;岸电连接插头/插座的控制电路未接通;应急切断设备动作;岸电系统控制和监测线路故障;电缆管理系统故障报警;保护接地系统故障;岸电供电电源尚未提供等。

5    船舶高压岸电系统关键设备

5.1   船岸通信

船載岸电与港口岸基系统数据通信采用多模光缆，无线通信方式作为冗余。光纤通信及无线通信协议均采用TCP/IP，通信内容至少包括：

（1）港口岸基系统向船载系统输出信号为：断路器位置、高压准备就绪、相电压、线电流、报警信号、电量计数;

（2）船载系统向岸基系统输出信号为：母线电压、进线开关电流、高压启动请求、岸基高压开关分合指令、进线开关位置、接地开关位置、紧急停止信号、船名及身份识别。[2]

通信光缆一般内置于高压电缆。高压电缆为4 芯多模，由3根电力电芯、1根等电位接地电芯及2根通信光缆电芯组成。

5.2  电缆管理系统

电缆管理系统由电缆绞车、岸电连接电缆和插头、液压手动释放装置、控制箱、遥控操作按钮等组成，是船上配电系统与岸电连接的唯一通道。该系统的主体是恒张力控制的专用电缆绞车，在船舶装卸货物和港口潮汐变化情形下保持高压电缆张力恒定，并在船舶脱离泊位后报警、脱扣，实现安全供电;高压电缆采用快速接头，能在很短时间内完成电缆连接，以满足码头快速作业的要求。

5.3  高压岸电进线柜

高压岸电进线柜用于连接电缆管理系统和船载变压器。岸电经岸电箱、电缆管理单元进入高压岸电进线柜，高压岸电进线柜上设有：真空断路器、继电器保护装置、电流表、电压表、频率表、相序表、接地开关、相序指示仪、数字式多功能触摸屏等。岸基电源送电前，高压岸电进线柜负责检测它与岸基装置之间的安全连锁系统和各项电源指标是否符合上船要求。船上人员与岸基人员按照操作流程和安全生产流程，逐一进行操作、检测和安全应答，确认后方由岸基装置将电源送到高压岸电进线柜。

5.4  低压进线及控制屏

低压进线及控制屏连接变压器的次级，将AC400V 电源通过原主配电板主汇流排向船舶电网供电，可提供过载、短路、逆功率、以及接地故障的保护;控制屏设有人机界面，船/岸电网状态、参数、报警等信息均在此集中显示。可以在此屏上操作岸电与船电的不断电并车和负荷转移，有效保护船上马达、风机等线性负载。

6    船舶高压岸电系统效用试验

6.1  高压电缆耐压试验

高压岸电系统安装完毕后，首先要进行的是高压岸电的耐压试验。对新装高压电缆投入运行前， 首先要进行绝缘电阻测量，然后对电缆及其附件进行耐压试验，方法如下：

（1）当进行直流电压耐压试验时，如电缆额定电压U0≤3.6 kV时，耐压试验电压应不小于1.6（2.5U0+2 kV）;如电缆额定电压U0> 3.6 kV时，耐压试验电压应不小于4.2 U0;试验电压应至少保持15分钟;

（2）当进行交流电压耐压试验时，试验电压应不小于电缆的正常工作电压，并应至少保持24小时。

上述两种方法任选其一均可，现场多采用直流电压方法进行电缆耐压试验，既可节省试验时间，也可验证电缆防护及绝缘效果。值得注意的是，在试验完毕后导体应接地一段时间， 以清除电缆上聚集的电荷，然后再进行绝缘电阻测量。

6.2   电缆管理系统功能试验

本船使用滑环式电缆绞车用于收放船岸间连接电缆，使电缆在船舶的摇摆和升降过程中自动伸缩并保持拉力恒定。具体方法为：电缆绞车与电动机之间通过磁滞联轴器连接，能有效避免超出电缆拉紧限制;电缆绞车可定时预紧，每隔30分钟自动收紧一次高压电缆，维持最佳电缆长度，保持张力恒定。

电缆管理系统能够检测电缆卷筒上的剩余电缆：当剩余电缆为2圈时发出预警;当剩余电缆达到1圈时发出指令切断高压电源;当电缆满盘时切断绞车电源。

6.3   船岸通信的连接及安保试验

（1）在岸侧输入港口岸电系统名称、IP地址、连接船岸通信系统，建立有效连接;

（2）对船和岸电配电系统的数据通信进行试验，包括高压电源的相序检测、保护设备功能试验、联锁（岸侧与船侧的安保回路）功能试验等;

（3）对高压岸电进线柜空气开关进行测试，验证功能及设定值;

（4）对高压岸电系的自动应急停止、手动应急停止、安全连锁进行功能测试;

（5）试验系统的欠压、过压、缺相、过流、短路、接地、频率异常等保护功能，以验证功能及设定值。

6.4  船电与岸电切换试验

船电切换岸电时，仅限一台发电机在网，控制电站负荷小于200 kW。通过岸电控制系统进行短时船电与岸电并网，进行船电与岸电不断电切换。

岸电切换流程：释放高压电缆至码头岸电箱→降低船电负荷至200 kW以下，仅限一台发电机在网→将高压插头插入岸电箱插座→船岸通信建立，系统自动检测电压、频率、相序、等电位→按下合闸按钮→系统自动执行并网、负荷转移、解列发电机→关闭發电机，完成岸电切换。

现场试验时，应关注电源切换至岸电完成后至少有1台船舶主发电机处于备机状态，此时进行模拟岸电故障试验，发电机应自动启动并连接至配电板。

7    应用船舶高压岸电系统注意事项

船舶第一次到达某港口时，在连接岸电之前应进行岸电评估，考虑岸电电压、频率、容量和短路兼容性;对短路兼容性的评估不需要进行另外的短路计算，可根据最初的短路计算结果初步判断是否能并网连接岸电，如果岸电容量超出原计算则建议采用断电方式连接岸电。高压电缆断电后，在电线上还存在电荷，岸电使用完毕后还应注意对电缆进行接地放电，防止岸电使用后系统仍带电存在安全隐患。

8    结语

随着全球对环境保护的日趋重视，高压岸电系统将会成为以后船舶的标准配置系统，应用前景广泛，希望此船的改装方案能为业界提供相应的参考。

参考文献

[1]陈梦，陈刚，王利娟.船舶高压岸电系统组成及相关短路研究[J].港      口科技，2011，8（8）：61-63.

[2]陈彦.神华46000t散货船船载高压岸电系统简述[J].上海船舶运输科      学研究所学报，2014，3（1）：32-34.