客滚船高压岸电系统设计

2022-08-23翁伟达顾敏敏朱静波

船舶标准化工程师 2022年4期

翁伟达，顾敏敏，朱静波，吴林

（招商局邮轮研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引言

随着世界航运贸易的持续发展，停靠各国港口的船舶数量大幅增加。在船舶靠港期间，为保障船上生活设施和工作机械的正常运行，船舶发电机需要长时间工作，这不仅会消耗大量的能源，还会对港口区域造成严重的大气和噪声污染。为减少污染、保护环境，近十年间国内外港口不断增加高压岸电系统的配套数量，提升高压岸电的技术及储能水平。本文对高压岸电系统的组成、方式、类型及船级社相关规范要求进行介绍。以一艘客滚船为例，对高压岸电系统的组成、设备参数、设计要点等进行分析，并对系统设计的注意事项进行阐述。

1 高压岸电系统介绍

1.1 系统名称

船舶高压岸电系统是指在船舶停靠港口期间为其供电的港口高压电源。使用高压岸电系统为船舶供电可减少船舶发电机的使用，进而减少船舶废气排放。高压岸电系统适用于1～15 kV额定电压的及交流供电系统。

不同组织和企业提供的船舶高压岸电系统不同，如：世界港口可持续发展计划（World Ports Sustainability Programme，WPSP）和国际港口协会（International Association of Ports and Harbors，IAPH）的OPS（Onshore Power Supply）System，CAVOTEC 集团的 AMP（Alternative Maritime Power）System，ABB集团、SIEMENS股份公司和Wärtsilä集团的 HVSC（High Voltage Shore Connection）System。

1.2 船舶高压岸电系统组成

船舶高压岸电系统组成示意图见图 1。船舶高压岸电系统由岸基供电设备、电缆传输及连接设备、岸电接入设备等3部分组成。

图1 船舶高压岸电系统组成示意图

1）岸基供电设备，岸上供电系统将电力从港口高压变电站（A）供应到港口岸电电源箱（B）的连接点。

2）电缆传输及连接设备，即连接港口岸电电源箱（B）与船舶上岸电插座箱（C）的电缆和传输电缆的设备。

3）岸电接入设备，一般包含岸电插座箱、岸电变压器、变频器和岸电管理系统（D）。

1.3 船舶高压岸电系统连接方案

1.3.1 岸基方案

岸基方案一般包括固定式方案、移动式方案和驳船式方案。

1）固定式方案（岸基）

固定式方案（岸基）主要包括高压电缆滚筒装置、高压软电缆及控制电缆、高压岸电插头、岸电控箱、可伸缩臂装置等设备，在岸边设置高压岸电的固定输出点。

2）移动式方案

移动式方案主要包括可移动滑移装置、高压电缆滚筒、高压软电缆及控制电缆、高压岸电插头、岸电控箱、可伸缩臂装置等设备，在岸边设置高压岸电的移动输出点。

3）驳船式方案

驳船式方案与固定式方案配置的设备相同，驳船式方案主要采用一艘配备缆绳绞车和变压器的驳船同时连接岸上系统和船舶系统，驳船上的变压器可将岸基高压电转换为船用低压电。该方案的优点是机动灵活，缺点是驳船连接电缆数量多，电缆连接操作时间长，前期投资大、成本高。

1.3.2 船基方案

船基方案一般包括半固定式方案和固定式方案。

1）半固定式方案

半固定式方案将岸电降压供电装置布置在船舶尾甲板的一个集装箱内。集装箱内配置有变压器、高压岸电连接屏、高压电缆管理系统、变频器（如需）、岸电插座箱等。其中，高压岸电连接屏、变压器、变频器（如需）、电源装置布置于主体电源移动舱内，岸电插座箱、高压电缆管理系统等布置于电缆卷放移动舱内。半固定式方案在集装箱船上应用比较广泛，只需要在船上预留对应的集装箱箱位即可。

2）固定式方案（船基）

固定式方案（船基）主要是将高压岸电绞车（包含高压岸电电缆管理系统）、高压岸电连接屏、变压器等固定安装在船舶上。在船舶靠港时通过高压岸电绞车将高压电缆及插头布放于岸端并连接到岸基供电装置，该方式方便快捷，可有效降低人员劳动强度、降低岸电建造成本。固定式方案（船基）特别适用于新制船舶，可考虑在艉部露天甲板舷侧设置高压岸电绞车，在船上设置一个高压岸电设备间布置高压岸电连接屏和变压器等相关设备。

2 规范要求

现阶段船舶高压岸电国际标准主要由国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）、国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）以及国际电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）等组织完成制修订工作，相关标准及技术文件见表1。

表1 高压岸电系统主要标准及技术文件

此外，挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）、美国船级社（American Bureau of Shipping，ABS）、意大利船级社（Registro Italiano Navale，RINA）、中国船级社（China Classification Society，CCS）等各大船级社也针对船舶高压岸电系统制定了相关的规范及检验指南。CCS编制的《钢质海船入级规范》（2008版）对适用于1～15 kV额定电压的交流高压岸电系统提出明确要求，并对设备能力测试要求及检验指南进行规定。对于配备满足指南要求岸电系统船载装置的船舶，经审图、安装检验和试验后，CCS可授予其“AMPS”（Ahemative Maritime Power Supply）附加标志。

3 系统设计及应用

对于本例中的客滚船，船东希望在船舶上增配一套高压岸电系统，系统既要满足IEC和DNV的相关要求，还要满足船级社符号“Shore Power”的要求。根据船东提供的港口配套信息，本船高压岸电系统连接方案采用移动式（岸基）和固定式（船基）组合方案，岸电电缆和电缆绞车（含电缆管理系统）由港口配套提供。船舶高压岸电系统的典型结构组成见图2。

图2 船舶高压岸电系统典型结构组成

3.1 设备参数

3.1.1 岸基设备参数

港口的高压岸电系统是建造方按照港口需求和国家电网相关标准设计、建造的，其基本参数如下：电压为AC 11 000 V，频率为50 Hz，电网容量为50 MVA。港口岸电电源箱和电缆绞车均由港口电气部门进行配套。

3.1.2 船载设备参数

本船规格书对电制的要求为：AC 440 V、60 Hz、3相。

本项目船舶配置主发电机 3台，额定功率为1 880 W；应急发电机1台，额定功率为750 kW。根据电力负荷估算结果（见表2），装卸货工况所需功率约为2 859 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2 704 kW，故使用总功率为3 200 kW的高压岸电系统可满足实际需求。

表2 电力负荷估算结果

1）岸电插座箱

岸电插座箱的型号必须与岸基设备的插头相匹配，本船考虑在港口时船舶两侧均有停泊的要求，故在船舶左右舷分别设置一个岸电插座箱。岸电插座箱为CAVOTEC品牌PC6-VX04-L12027S型号，主要参数如下：额定电压为AC 12 000 V，额定电流为320 A，防护等级为IP56。

2）岸电连接配电柜

岸电连接配电柜是连接岸电插座箱和岸电变压器的设备，可与岸基系统进行数据交换，并对其进行监控。本船的岸电连接配电柜由 Terasaki集团提供。

3）岸电高压变压器

岸电高压变压器是将岸端提供的高压（AC 11 000 V）转化成船端电压（AC 450 V）的设备，具有电气隔离高低压电源的功能。根据电力负荷估算书配置变压器容量。本船的岸电高压变压器由ABB集团提供，主要参数如下：容量为4 000 kVA，电压比为11 000 V/(4×450) V，频率为50 Hz，冷却方式为空气冷却。

4）船舶变频器单元

岸基电源频率为50 Hz，船端电源频率为60 Hz，通过船舶变频器单元能将岸端电源频率调整至船舶电网适用的频率，保证岸电系统可靠稳定地使用。由于船舶原系统已配置轴发变频器单元，可以连接轴带发电机、首侧推、主配电板，因此岸电系统可通过在轴发变频器单元中增加模块的方式将岸电电源输出到主配电板上。本船变频器单元由 Wetech公司提供。

5）船舶主配电板

船舶主配电板对船舶电源进行输入、输出管理，船舶输入电源包括发电机、轴带发电机、高压岸电等，输出电源为船舶上所需供电的各类设备。高压岸电最终输入到主配电板上，为船舶上的生活设施、装卸货及应急设备的正常使用提供保障。本船主配电板由Terasaki集团提供。

3.2 设计要求

船舶和港口之间应建立等电位连接，且该连接不应改变船舶配电系统的接地原理。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功能。

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。一旦岸电电源故障，船舶发电机应自动起动并连接至主配电板，船舶功率管理系统应进行实时监控。

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

在岸电电缆接入船舶主配电板时，接地开关应满足IEC 62271-200: 2011标准第的相关要求。当岸电连接断路器断开时，接地开关应保持接地。

电缆管理系统应保证电缆上承受的机械应力不超过设计值，电缆或导线连接的接线端要排除传递机械应力的可能性，电缆出现过度拉伸时应迅速断开岸电连接断路器。

4 系统要点

由于高压岸电系统是船东在建造后期阶段临时要求增加的，故其设计过程存在不少难点，主要表现在设备布置、电缆选型、短路电流计算等方面。

4.1 设备布置

船舶需要增加高压岸电插座箱、高压岸电连接柜、高压变压器、变频器单元等诸多设备，这些设备的外形尺寸、安装及操作要求均需结合实际情况进行综合考虑。设备的布置需要协调船东、港口方、船级社、总舾专业等各方要求，系统电力电缆、通信及控制电缆的敷设路径需要协调生产设计和结构等专业的需求。

通过船东提供的港口泊位、岸基电源箱位置等信息，充分考虑船舶两舷停港操作的便利性，以及输送电缆插头的高度要求，最终将高压岸电插座箱设置在船舶4号甲板20号肋位处的高压岸电充电间。

根据电气设备隔离、高压电缆的敷设要求，在船舶2号甲板处单独设置一间高压变压器室，将高压岸电连接柜、高压变压器等主要设备集中布置，这样既能减少高压电缆的敷设长度、避免出现过多穿舱路径，也有利于船员对高压系统设备的集中操作和监测。

4.2 电缆选型

船岸间高压岸电电缆应符合 IEC/ISO/IEEE 80005-1: 2012标准的规定。固定敷设的高压电缆应符合IEC 60092-353: 2011和IEC 60092-354: 2020标准的规定。

高压岸电电缆布置在高压电缆绞车上，该电缆柔性和抗拉性较好。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。高压动力电缆的规格通过计算确定，AMP系统电制为AC 11 000 V，4 000 kVA，可计算得出电流值为210 A。3×120 mm高压电缆在45 ℃环境温度下的载流量为237 A，可满足使用要求。接地电缆的电流承载能力不应小于额定电流，1×70 mm接地电缆在45 ℃环境温度下的载流量为242 A，可满足使用要求。控制电缆中主要包括应急停止、等电位监测、接地监测等信号，使用4×25 mm的控制电缆。船岸通信的信号需要按照IEC/IEEE 80005-2: 2016的要求设置，通信内容均可通过多模光纤电缆进行传输，无线通信方式可作为冗余。最终确认船岸间高压岸电电缆由3×120 mm高压动力电缆、1×70 mm接地电缆、4×2.5 mm控制电缆、6F（62.5/125 μm）通信光纤电缆组成。。

高压岸电电缆长度为100 m，其中电缆绞车上预留安全长度为10 m。

根据DNV相关要求，电缆和电机阻抗的差异会导致电机端电压反射和电压倍增，这将增大电缆绝缘和电机绕组潜在的有害应力。因此，低压侧变频器的主电源线路电缆的耐压等级应高于标称电压。高压岸电系统电力电缆、控制电缆及通信电缆的型号根据表3进行配置。

表3 高压岸电系统电缆参数表

4.3 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。在通过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。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的预期短路电流，参照IEC 60909: 2006标准中的方法进行计算，计算软件采用ETEP 16.1.1C。首先，通过船东确认港口电网短路容量为50 MVA，高压变压器额定容量为4 000 kVA、阻抗为6%，高压岸电工况总消耗功率为2 704 kW，等效电动机设定为3 380 kVA。通过系统短路电流单线图确认岸电连接柜断路器、岸电高压变压器原边、岸电变频器单元、岸电主配电板断路器、1号发电机组供电断路器、AC 380 V负载断路器、AC 230 V负载断路器、应急配电板负载断路器等作为主要计算点，并通过船厂面收集相应线路电缆长度数据。

通过计算软件得出短路电流值（见表4），高压岸电系统的对称短路电流和峰值短路电流均小于线路中配置断路器的短路分断和接通能力，满足规范要求。