15 000 t成品油船的高压岸电系统设计

2022-04-12翁伟达

江苏船舶 2022年1期

翁伟达

(招商局邮轮研究院(上海)有限公司，上海200137)

0 引言

2018年，国家交通运输部印发《船舶大气污染物排放控制区实施方案》，对港口船舶的排放控制区地理范围、污染物控制范围、排放控制标准和实施时间、具体要求等提出详细要求。同时，交通运输部颁布《深入推进绿色港口建设行动方案(2018—2022年)》，为我国港口向环境友好型的绿色港口转型做了充分阐释。

目前，国内船舶停靠港口时大多采用船舶发电机组满足装卸货或生活用电需求，存在噪声大、经济性差及环境污染大等缺点。为此，本文以15 000 t成品油船为研究对象，对高压岸电系统的组成、设备参数、设计要点等方面进行研究。

1 系统组成

船舶高压岸电系统是指船舶在靠泊期间停用船上发电机，而改用陆地电源供电，以减少废气排放的船舶供电方式。该系统适用于额定电源(相间电压)1 kV以上、15 kV及以下交流供电系统。船舶高压岸电系统的典型结构见图1。

1.1 船载装置

船载装置是安装在船舶上用于连接岸电的设备，一般包括插头/插座、岸电连接配电柜、高压变压器、岸电接入控制屏(通常组合在主配电板内)、岸电电缆和电缆管理系统。

①—港口高压供电系统(包含变压器)；②—港口高压配电柜；

1.2 岸基装置

岸基装置是安装在港口，向船舶提供岸电的设备。该装置一般包括高压配电柜、变压器、变频器(适用时)和港口岸电插座箱。

1.3 电缆管理系统

典型的电缆管理系统是由电缆绞车、电缆长度或张力自动控制设备和相关仪表组成。船舶通过电缆管理系统收放岸电电缆，与岸上电源进行连接。

1.4 等电位连接

等电位连接是指使导电部件之间电位基本相等的电气连接。

2 系统设计

2.1 适用规范及附加标志

(1)15 000 t成品油船设计、建造需满足中国船级社《钢质海船入级规范》(2018)、中华人民共和国海事局《国内航行海船法定检验技术规则》(2011)等现行规范、规则及其修改通报。

(2)该船高压岸电系统需满足IEC/ISO/IEEE 80005-1、中国船级社《钢质海船入级规范》(2018)(第8篇-其他补充规定第19章-交流高压岸电系统)等规范要求。

(3)该船应取得CCS船级附加标志：AMPS(Altemative Maritime Power Supply)。

2.2 主要设备参数确认

港口的高压岸电系统是建造方按照港口需求和国家标准设计建造的，其船载设备必须与其匹配。经过港口方面确认，高压岸电系统基本参数为：电压AC6 600 V，频率50 Hz，电网容量15 MVA。

岸基设备高压配电柜和岸电插座箱由船东方面协调港口电气部门进行配套。

该船为国内航行船舶，根据建造规格书要求电制为AC400 V、50 Hz、3相。

船舶停港状态所需的容量：配置主发电机3台，额定功率为550 kW；应急兼停泊发电机1台，额定功率为150 kW；经过电力负荷估算，装卸货工况所需功率约为878.42 kW，可使用2台主发电机组并车运行；船舶停港使用高压岸电时负载功率约为880.59 kW。因此，使用总功率为1 000 kW的高压岸电系统可以满足实际需求。

根据岸基设备电制容量、船舶电制、船舶停港所需功率等，确认高压变压器主要电气参数如下：

初级侧电压AC6 600 V，次级侧电压AC400 V，相数3，频率50 Hz，容量1 250 kVA(1 000 kW)。

岸电连接配电柜参数如下：电压AC6 600 V，频率50 Hz，相数3相。

电缆管理系统参数如下：电压AC380 V、频率50 Hz、相数3相。

电缆管理系统高压电缆电压等级：6/10 kV。

岸电接入屏参数如下：电压AC400 V，功率1 000 kW，相数3相。

2.3 设计要求

(1)船舶和港口之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。

(2)高压岸电和船舶电站之间的负载转移通过短时并联方式进行，在主配电板内部的电源管理系统中设置岸电供电模式，保证并联运行时岸电与发电机组的自动同步和控制负载转移。

(3)船舶使用高压岸电期间，至少1台船舶主发电机处于备机状态。一旦岸电电源发生故障，船舶发电机应自动启动并连接至主配电板，船舶功率管理系统应进行实时监控。

(4)当高压岸电系统出现等电位连接断开、电缆管理系统报警信号、岸电系统控制和监测线路故障、岸电连接插头带电拔出等情况时应自动触发应急切断。应急切断应设置在岸电连接配电柜、电缆绞车操作站、机舱集控室等关键位置。

(5)安全联锁：在岸电电缆接入船舶主配电板时应满足IEC 62271-200第5.3条要求的接地开关。当岸电连接断路器断开时，接地开关应保持接地。

(6)电缆管理系统：应保证电缆上承受的机械应力不超过允许的设计值；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；电缆出现过度拉伸时迅速断开岸电连接断路器。

3 系统设计要点

3.1 设备布置

在前期项目总图已经固化的背景下，增加一套高压岸电系统，包括高压电缆绞车、岸电连接配电柜、高压配电柜、岸电接入控制屏等设备，设备的外形尺寸、安装及操作要求需结合实际船舶情况进行核实。设备的布置需协调船东、港口、船级社、总舾专业等各方面，系统高/低压电力电缆、通讯及控制电缆的敷设路径需协调生产设计、结构专业等。

根据船东提供的船舶港口泊位、岸基高压配电柜位置等信息，充分考虑船岸工作人员操作便利性，同时根据电缆绞车厂家提供的设备外形、重量、基座及放缆操作要求进行综合考虑，最终明确高压电缆绞车布置在该船尾楼甲板右舷侧。

根据高/低压电气设备隔离、高压电缆的敷设要求，在船上单独设置一间高压变压器室，将岸电连接配电柜、高压变压器等主要高压设备集中布置，以减少高压电缆的敷设长度，避免过多的穿舱路径，同时也有利于船员对高压系统设备的操作和监测。

岸电接入控制屏是通过连接高压变压器的次级，将 AC400 V电源通过主配电板主汇流排向船舶电网供电。从电源设计角度考虑，最优方案是在主配电板上增加一屏，因为功率管理系统也集成在主配电板中，这样更加有利于提供过载、短路、逆功率、接地故障保护及岸电供电状态显示及监控功能。主配电板设置在船舶集控室内。

高压岸电系统港口和船舶的主要设备布置见图2。

1—港口岸电电源箱；2—船舶高压电缆绞车(含电缆管理

3.2 电缆选型

船岸间高压岸电电缆应符合IEC 80005-1号出版物附录A或其他接受的标准的规定。

船岸间高压岸电电缆布置在高压电缆绞车上，该电缆具有高柔性和高抗拉的特点。船岸间高压电缆主要包含高压动力电缆、接地电缆、控制电缆及光纤电缆。

(1)通过计算可以确定高压动力电缆规格，高压岸电系统电制为AC6 600 V，1 250 kVA，通过公式=1732cos(为功率；为电压；为电流；cos为功率因数，cos=0.8)，计算出电流值=109.3 A。查阅电缆样本发现，3×70 mm高压电缆在环境温度45 ℃时,电流载流量为169 A，能满足使用要求。

(2)接地电缆：接地连接的电流承载能力应不小于其他主连接额定电流。查阅电缆样本后可知，1×50 mm接地电缆在环境温度45℃ 时电流载流量为196 A，满足使用要求。

(3)控制电缆：包含应急停止、等电位监测、接地监测等信号，使用4×2.5 mm的控制电缆。

(4)船岸通讯的信号根据IEC 80005-2中相应要求进行设置，这些通讯内容均可通过多模光纤电缆进行信号传输，无线通信方式作为冗余。

最终确认船岸间高压岸电电缆由3×70 mm高压动力电缆、1×50 mm接地电缆、4×2.5 mm控制电缆、6F0(62.5/125 μm)通讯光纤电缆组成。

船岸间高压岸电电缆长度为100 m，其中10 m为电缆绞车上预留安全长度，同时该电缆带有插头，并与港口岸电插座箱相匹配。

固定敷设的高压电缆应符合IEC 60092-353和IEC 60092-354出版物或其他等效的标准的规定。船舶上固定敷设的高压电缆规格为CYJ86/SC 3×70 mm。

高压岸电系统船端所需低压电力电缆、控制电缆及通讯电缆型号依据建造规格书要求进行配置。高压、低压岸电系统电缆的部分参数见表1。

表1 高压、低压岸电系统电缆的部分参数

3.3 短路电流计算

高压岸电供电期间，船舶配电系统中任何安装点的预期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船舶配电系统最大短路电流的情况。故短路电流计算主要考虑岸电和一台发电机组短时并联进行负载转移时预期短路电流，参照IEC 60909系列出版物计算方法进行，计算软件采用ETEP 12.6.0版本。

首先确认港口电网短路容量为15 MVA，高压变压器额定容量为1 250 kVA、阻抗为6%，高压岸电工况总消耗功率为880 kW，等效电动机设定为1 100 kVA。通过系统短路电流单线图(见图3)确认岸电变压器原边、1号发电机组供电断路器、AC380 V负载断路器、AC230 V负载断路器、应急配电板负载断路器等作为主要计算点，并收集相应线路电缆长度数据。