大型集装箱船冷藏集装箱分区配电网络研究

杨海建，李永鹏

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226005)

0 引言

随着世界集装箱运输业的快速发展，为了适应各种不同类型货物运输的需要，出现了许多种类的集装箱，其中冷藏集装箱就是专门为运送有温度要求的货物而特殊设计的集装箱。冷藏集装箱具有一定隔热性能，能保持一定低温要求，适用于各类货物冷藏贮运而进行特殊设计的集装箱[1]。冷藏集装箱货物对运输质量要求越严格，运输产品的附加值越高。在冷藏货物的运输全过程中，运输距离最远又最难管理的就是航运这个环节[2]。为了提高航运企业竞争力，减少货差货损，就要不断提高运输质量，这就对船舶冷藏集装箱的运输质量、设备配置及管理水平提出了新的挑战。

为了将冷藏集装箱内的温度维持在特定的范围之内，绝大多数的制冷装置都需要动力电源，需要船内电站为其提供电力。而冷藏集装箱在船舶运输过程中，船内电站不仅要给冷藏集装箱供电，还要给全船其他电气设备供电。船上配电线路和环节众多，冷藏集装箱制冷装置供电一旦中断，致使制冷装置不能正常工作，造成货损货差，进而造成巨大的经济损失。虽然目前大多数自动化程度较高的船舶都配置冷藏集装箱的工况监测系统，能够实时监测冷藏集装箱内的温度，并可通过船员定期巡检发现异常，但是如果冷藏集装箱配电系统在设计之初缺乏必要的冗余度的话，即使发现断电故障点，受限于冷藏集装箱供电电源插座的布置位置、配电回路容量及实船工作环境条件等，可能在航运过程中不能及时有效地恢复冷藏集装箱的供电，所以在新船配电网络系统设计阶段就要予以重视和考虑，最大限度地保证供电的连续性，降低因船内局部供电中断导致大量冷藏集装箱不能正常工作的风险。

针对上述问题，本文结合国内某首制2万箱级超大型集装箱船冷藏集装箱布置特点，分别对分区配电网络理念、配电系统供电方式、电源变压器配置、馈电屏设置、馈电屏内电源断路器框架值决定、冷藏集装箱电源插座供电分电板设置等方面进行研究，详细分析整个分区配电网络系统设计中的关键技术和计算方法，为今后同类型船舶的冷藏集装箱配电系统设计提供借鉴。

1 分区配电网络

1.1 冷藏集装箱及电源插座布置

某2万箱级集装箱船冷藏集装箱的布置位置见图1。

图1 冷藏集装箱的布置位置示意图

以配置在上甲板的冷藏集装箱为例，所有冷藏集装箱分2层布置在上甲板的最底层，冷藏集装箱供电电源插座安装在相应的上甲板绑扎桥上。根据冷藏集装箱的布置，为同一行的每层冷藏集装箱配置4组电源插座盒，每组电源插座盒内含3～6个专用电源插座。

1.2 冷藏集装箱电源插座分区配电理念

4组冷藏集装箱电源插座盒通常由1台高压电源变压器及电源配电回路供电。其优点是配电系统设计比较简单，但弊端就是如果此高压电源变压器或电源配电回路发生故障，将造成整层或整个行内的冷藏集装箱全部失电。

根据上述电源插座配置，如果将同一行的两层电源插座盒划分为图2所示的区域A、区域B、区域C、区域D，每区域由1台高压变压器及独立电源配电回路供电，即使某个区域供电回路出现故障，其他区域仍能正常维持电力供应。当有电区域没有装载冷藏集装箱时，失电区域的冷藏集装箱可以通过对冷藏集装箱外接延伸电缆的方式，连接到临近有电区域的电源插座上，从而增加了冷藏集装箱配电的冗余度和供电的连续性，同时在码头装载冷藏集装箱及配载时也更加便利。以此分区域配电方式作为冷藏集装箱配电设计的理念和原则，进行配电系统网络的搭建。

图2 冷藏集装箱分区域供电概念图

2 冷藏集装箱配电系统设计

2.1 前后部独立供电方式

通常高压电源变压器布置在船舶后部的机舱内。该2万箱级集装箱船全船长度达到400 m，众多冷藏集装箱沿船长方向均匀分布在上甲板上，如果布置在船舶前部的冷藏集装箱也由安装在机舱内的高压电源变压器供电的话，势必会导致冷藏集装箱电源配电线路过长，带来较大的电路压降。为满足美国船级社对线路电压降不超过6%的要求，不得不增大配电回路电缆的截面积或增加电缆的数量，电缆用量成本因此上升；同时远距离的电路敷设会增加船厂制造现场施工部门电路敷设的工作量和难度，增加船厂施工的人工成本。

综合上述因素，如果将冷藏集装箱沿船长方向分为前、后两部分，采用前、后部分别独立供电的思路：布置在船舶前半部的冷藏集装箱由就近布置的高压电源变压器供电，布置在船舶后半部的冷藏集装箱仍由安装在机舱内的高压电源变压器供电。该方案就可以有效解决上述问题。

2.2 前后部冷藏集装箱配电系统主要设备

2.2.1 冷藏集装箱电源变压器

大型集装箱船内的电力系统电压通常采用交流6 600 V，冷藏集装箱电源插座为交流440 V，因此设置专用的冷藏集装箱供电变压器。 结合冷藏集装箱电源插座的分布情况、变压器的选型成本及上述分区配电的理念，前后部各配置了4台高压变压器，安装于生活区下的污水处理间内及机舱内，用于给前部冷藏集装箱供电。

单台高压变压器容量可参考式(1)计算：

(1)

式中：PTr为高压变压器容量，kVA；PRef为单个冷藏集装箱的额定功率，kW；Pf为冷藏集装箱内电气设备的功率因数；Pcs为由此变压器供电的冷藏集装箱数；D为平均差异系数(通常取值为0.65)；M为裕量系数(根据具体项目要求而定)。

2.2.2 冷藏集装箱馈电屏

以配电系统总的线路电缆最短为原则，设置4个馈电屏(RP1、RP2、RS1、RS2)，分布于船舶左右舷的下甲板通道内。每个馈电屏内都设置2段母排，每段母排分别由不同的高压变压器供电，从而在电源分配上实现了配电线路的交叉冗余配置。

临近高压电源变压器布置的RP2、RS2号馈电屏直接与冷藏集装箱电源变压器副边相连；远离变压器布置的RP1、RS1号馈电屏由RP2、RS2号馈电屏中转供电。这样的设计能节约电源电缆用量及制造现场敷设施工量，降低总成本。

同时需要注意的是，安装在下甲板通道内的冷藏集装箱馈电屏通常设计成自立式，而下甲板通道内布置有很多管线和主电路。因此，设计时要充分考虑馈电屏的现场安装及维护空间等，必要时需要对馈电屏的尺寸及屏内设备布置进行修改。

2.2.3 馈电屏内断路器的设计

馈电屏内设置若干个供电回路，每个供电回路的断路器连接1个冷藏集装箱电源插座供电分电板，使得每个断路器通常会为30～50个冷藏集装箱提供电力。计算此断路器的框架值，通常按照所有连接在其上的冷藏集装箱全部同时使用的情况来进行计算。这种计算方法使得单个断路器的框架值会选择得很大，或者需要减少单个断路器上所连接的冷藏集装箱数量，进而配置更多数量的断路器。因此，在满足实际使用需要的前提下，降低断路器配置成本是电气配电设计的难点。

根据目前市场上几个主流集装箱船在多个典型航线上的实船统计数据，从冷藏集装箱实际使用的角度分析，船上装载的众多冷藏集装箱的使用相互不干涉、相互之间完全独立操作，运行的数量是随机的或相对随机的，整体近似符合正态分布规律。典型标准正态分布的函数公式见式(2)[3]，其对应的分布曲线见图3。

Φ(z)—阴影面积。

(2)

图3中的阴影部分面积Φ(z)为横轴变量x数值大于z值时，可能发生的概率之和。基于此数学模型，结合冷藏集装箱在船舶上使用的实际需要，对于所有连接到单个断路器的冷藏集装箱，定义单路断路器能在99.9%以上的场合为所有冷藏集装箱提供电力，以此作为设计目标。通过查阅正态分布数值查询表[4]，获取不同概率下z的数值，得出上述目标要求概率对应的z值为3.08，对应的正态分布的包络曲线示意图见图4。当横轴变量数值大于3.08时，其对应的纵轴数值小于1%，包络曲线与横轴围成的阴影部分面积大约99.9%。

图4 正态分布的包络曲线示意图[3]

结合上述分析，对于决定单路断路器选型时所供电的冷藏集装箱数量，可以通过式(3)得到：

NA=NTD+zσ

(3)

式中：NA为断路器实际所供电的冷藏集装箱数量；NT为断路器连接的所有冷藏集装箱数量；z为从正态分布函数曲线上得到的数值，此处为3.08；σ为标准偏差，在D=0.65时，σ与NT的关系见表1。

表1 σ与NT的对应关系

通过上述计算，最终得到了断路器提供电力的冷藏集装箱数量，据此经过进一步简单的功率计算就可决定断路器的选型。

2.2.4 冷藏集装箱电源插座供电分电板

根据具体区域内的冷藏集装箱电源插座数量及分布，设置若干个供电分电板，安装于船舶左右舷的下甲板通道内。每个分电板内同样配置2段母排，每段母排由1个高压电源变压器及馈电屏内的1个单独的断路器供电。

从供电分电板到冷藏箱电源插座盒间的电源电缆线路，以尽量短为原则，在分电板内设置若干个供电回路。每个供电回路的塑壳式断路器连接1个冷藏集装箱电源插座盒，断路器的框架值设计时按照这个插座盒所连的所有冷藏集装箱全部运行考虑。同时断路器选型时要充分考虑与上级馈电屏内断路器的上下级协调保护。

以19/18行布置的冷藏集装箱配电回路为例，分电板与冷藏集装箱插座间的线路图分别见图5、图6。从图中可以看出，19/18行的冷藏集装箱分别由两侧分电板上的4个母排供电。

图5 19/18行右舷冷藏集装箱供电线路图

图6 19/18行左舷冷藏集装箱供电线路图

通过上述配置可以看出，整个配电回路从高压电源变压器→馈电屏→分电板→冷藏集装箱插座，实现了各配电环节分区域、多回路辐射、网络交叉供电，提高了整个供电回路的冗余度和可靠性。虽然配电系统设计及配电网络显得比较复杂，但通过合理的搭建配电网络构成，综合分析设备选型、布置优化、现场施工等，较好地实现了冷藏集装箱分区配电的设计理念。交船后，该设计方案得到了船东的充分肯定。

3 结论

(1)冷藏集装箱电源插座分区配电理念构建。将船上同一行的冷藏集装箱电源插座盒划分为若干个相邻的区域，确定分区供电的配置原则。

(2)前后部独立供电方式的方案规划。结合船舶实际长度、冷藏箱的布置要求、电压降计算、电缆物量成本及制造现场施工难度等各方面情况，确定采用前、后部分别独立供电的总体思路。

(3)对前后部冷藏集装箱配电系统主要设备，按照上述原则、思路和冷藏集装箱电力需求，进行配电网络内各节点设备的规格决定，并引入正态分布数学函数模型来决定馈电屏内断路器的选型。通过设置若干冷藏集装箱电源插座供电分电板，实现多回路辐射、网络交叉供电。

(4)通过系列船交船后船东多个航次的实船营运反馈，证实了该设计方案的实用性及可靠性。