改造码头岸电的供电设计与研究

2022-10-27中交第三航务工程勘察设计院有限公司王时彦

电力设备管理 2022年18期

中交第三航务工程勘察设计院有限公司王时彦

1 引言

泰州永安港务有限公司是被国家质量监督检验检疫总局定为首批进口粮食入境的口岸，码头是以装卸粮食为主，并且逐步降低其他散、杂货种的装卸量。随着粮油吞吐量的逐年增长，现有码头装卸能力已经不能满足后方粮油企业原料增长的需求，为更好地服务地方经济，永安港务拟对永安作业区一期工程进行改建。因此，为配合泊位功能的改变，满足泊船的岸电需求，本文针对改造码头岸电的供电设计问题进行研究。

2 工程项目的基本情况

拆除原1#泊位的下游1#引桥，拟将现有码头外档改建为7万吨级码头；在1#泊位后沿加宽20m，扩建一个1.5万吨级散粮泊位，即4#泊位（见图1、图2）。根据总平面布置方案和工艺方案的调整，需对码头上原有廊道及转运站进行改造，并新建引桥。

图1 原一期码头

图2 改造后的码头

由于本项目涉及改造的内容多、工期紧张，并且业主要求改造工程分阶段实施，需要保证岸电在改造过程中能正常使用。因此，决定增设并搬迁原1#泊位的岸电设施（包括现有岸电箱式变电所及岸电接电箱等），以满足码头内外档不同船舶的用电需求。

本工程现有1座0.4kV 变电所（现有岸电变电所），容量为630kVA，为箱式变电所（位于1#泊位码头后档扩展平台上）。由于现有箱式岸电变电所已无法满足改造后1#泊位泊船的用电需求，故本工程需新设一座岸电箱式变电所（新建岸电箱式变电所），站内设一套隔离变压器、变压变频装置等相关设备提供岸电电源，同时现有箱式变电所因引桥拆除相应搬迁。

3 供电设计

3.1 岸电系统

3.1.1 岸电容量根据业主对目前靠泊船舶做的岸电需求（需求容量，上船电压、频率等）调研及用电负荷估算：1#泊位靠泊70000DWT 散货船，岸电容量为800kVA，提供450V 60Hz 和400V 50Hz 两种电源规格；4#泊位靠泊15000DWT 散货船，岸电容量为250kVA，上船电压为0.4kV，频率为50Hz。

3.1.2 岸电系统单线图

岸电系统单线图如图3所示。

图3 岸电系统单线图

3.1.3 岸电设施要求

本工程岸电系统选用变频变压形式，并根据规范要求选用不停电切换的方式为靠港船舶供电，且需具备以下要求：

一是岸电系统由隔离变压器、变频变压装置、岸电接电箱等设备组成。

二是岸电系统能适应靠港船舶的用电需求，在船、岸电源切换异常时，能确保船舶电源不对陆上供电系统产生干扰。

三是岸电系统的容量，能保证靠港船舶连接岸电时预期使用设备的正常工作；供电时电压能自动调整，电压波动范围能满足规范规定的要求，并能根据船舶的需要适时微调。还应具备较强的带各种性质负载能力和快速的波形修正稳压能力，不但能适应电容性、电感性、混合型负载等线性负载，而且能适应带大功率非线性整流负载和启动大功率电动机冲击性负载，满足靠港船舶在各种负荷情况下岸电电源质量符合船舶电源质量标准，不会因为电源质量而引起船上设备跳闸或损坏。

四是岸电系统能保证船舶的用电安全，在接入岸电时不会对船上原有设备的使用产生影响。

五是岸电系统具有完备的保护功能，当船方设备出现异常时，应能快速切断陆上电源。

六是岸电系统应具有完善的电能计量装置，满足船岸双方结算或用电量统计的要求。

七是船岸的连接具备完善的防误闭锁装置，保证操作人员的安全。

八是当岸电系统选用工频方式时，根据规范要求选用停电切换的方式为靠港船舶供电。

3.1.4 上船连接方式及断开方式

一是采用低压上船方式，船岸连接系统中陆域与船方交接点布在接电装置（船方岸电）处，船岸连接装置（包含电缆及其配置的电缆卷筒等）均由港务方提供。当船舶停靠码头时，可直接将岸电电缆插入相应的岸电接电箱，实现船岸电缆的快速连接。本工程的岸电系统配电方式采用一对一的放射式供电，并且采用电隔离装置（隔离变压器）。

二是当船舶靠港后，必须确保船岸之间双方的接地线接地正常，消除两者之间的静电电势差。

三是采用手动方式将船舶的电缆插头与码头前沿岸电接电箱连接的时候，必须采用可靠的电气连锁与机械连锁方式，来保证电缆插头与岸电接电箱内插座在连接过程中都不带电。

四是当船岸连接成功后，船舶综合电力系统发出可送电指令后，岸电主回路按从输入侧至输出侧方向依次闭合，船岸电压同步和负载转移，并由船舶上的岸电切换操作屏实现，之后船舶发电机关闭。

五是在岸电使用过程中，因船上用电故障造成的岸电断电，岸电系统能切开输出断路器并报警。只能在岸侧复位后才能手动再次合上岸电输出断路器。

六是岸电断开前，船上发电机船岸电压同步和负载转移，并切开船舶岸电开关的同步功能实现，然后切开岸电输出断路器。

七是采用手动方式将船舶的电缆插头与岸电接电箱断开的时候，必须采用可靠的电气连锁与机械连锁方式，来保证电缆插头与岸电接电箱在连接过程中都不带电。

3.1.5 设备布置

鉴于岸电系统设备应尽量位于负荷中心，进线馈线方便；应设置在少尘、无腐蚀及无落料的场所；不应设置地势低洼及可能积水的场所。且本工程的岸电均采用低压上船，故采用岸电接电箱的供电方式。

经业主核实船舶的发电机位置均位于船尾，且船舶为单向靠泊，故岸电接电装置均设置在码头前沿位于靠泊船舶的尾部位置。由于本工程为改造项目，1#泊位为已建码头，考虑当地的水位、本工程的工期及施工难度等综合因素，经与厂家、业主三方的方案商讨，决定1#泊位利用原有水工结构内的预埋管的位置设置岸电接电箱，4#泊位在靠泊船舶的船尾靠近前沿并在不影响船舶带缆的位置新增岸电接电箱，且岸电接电箱采用明装方式，防止高水位时箱体长时间泡水。

1#泊位的岸电接电装置配备4套350A 标准岸电专用插座，且带有电气连锁及机械连锁控制，包含岸电馈线断路器与电缆插头及岸电接电箱箱门分别设置互锁。4#泊位的岸电接电装置使用现有装置并搬迁。

3.1.6 计量

继电保护应根据其运行、接线方式和可能发生的故障或异常情况类型进行设计，并应满足选择性、速动性、可靠性和灵敏性的要求。10kV 进线应具备电流速断、低电压及其过电流保护等功能，变压器应具备电流速断、过电流、过负荷、接地和温度保护等功能，变频电源应具备电流速断、过电流、低电压、过负荷和逆功率保护等功能。紧急切断信号应采用硬接线方式。

3.1.7 计算机管理和监控系统

本工程系统选用分层分布式结构配置；通信网络采用嵌入式光缆，并应纳入港区电力监控系统。系统配备实时监测和控制设备，并实现数据存储和共享；具有自诊断和容错功能，实时检测系统自身的故障并报警；具有第三方系统接入的软硬件接口，能支持通用的通信接口和协议。系统设置时钟同步装置，对每个监测单元和监控计算机等时钟设备进行同步校正，并在监控终端派专人值守。监控系统功能应符合表1的规定。

表1 码头船舶岸电监控系统功能

3.2 变电所型式及定位

由于复核后现有岸电变电所容量及馈电柜开关整定值可以满足4#泊位岸电的需求，出于节约成本利旧的原则，新建岸电变电所只考虑1#泊位靠泊船舶的要求[1]。

常规的码头岸电变电所按其结构形式主要有钢筋混凝土及预装式两种型式。考虑到本工程为改造项目，码头及栈桥均已建，可利用的空间有限，新建变电所必须结构紧凑、安装方便且建造周期短，现场需尽量少堆积原材料，减少停电带来的生产损失，故新建岸电变电所采用预装式。由于码头上潮湿、设备的运行环境恶劣，普通预装式变电所并不适用，所以此次工程在业主经费允许的情况下选择预装式电气间（PowerHouse）。将高低压开关柜、低压变频器、隔离变压器及其配套的其他相关系统等主电气设备合理地布置在定制的钢结构房间内。内部配置空调、照明等系统，以满足运检人员的日常维护操作的要求（图4）。

图4 预装式电气间

在确认好变电所型式后，起初的方案是考虑将新建及现有岸电变电所布置在已建栈桥下方，这样一方面尽可能少的占用车道空间，另一方面是便于进出线的敷设。经过现场与图纸核实，并与厂家沟通后，新建岸电变电所的布置在满足业主岸电需求和现有栈桥下空间（柱间净距为4m，跨距为21m）的前提下，变电所的宽度最小做到4m，但是其长度超过21m，无法布置在1#泊位现有栈桥下，因此在1#泊位末端且不影响工作车辆行驶路径的区域布置新建岸电变电所，考虑到便于运检人员统一管理考虑，将现有岸电变电所在可调范围内尽量靠近新建岸电变电所位置布置，由于本工程方案的优势在于新建岸电变电所可以整体运输至现场，减少现场安装、调试环节。缺点在于占用了泊位空地，并且增加了进出线电缆的长度。

3.3 供电线路敷设

常规项目中，一般在两个泊位之间，码头面下专设一条水电的公共管廊并在其上设置盖板，这样在改造初期就可以先完成供电敷设路由，提供业主在改造期间临时用电的敷设路由。但是在管线综合后，发现在此条通道的码头面上有一条通长的油管道且无法移位，需在通长敷设路由上按固定间距设置盖板固定，这样在施工时将无法在管廊内敷设电缆，更不便于投运后的公共管廊的运维工作。综合考虑，还是部分利用码头面设置电缆桥架，新建岸电变电所及现有岸电变电所的进出线均沿着4#泊位已建栈桥下的电缆桥架敷设，至新增及原岸电预埋管道处电缆穿管引下，与码头前沿的岸电接电箱连接。考虑当地的设计高水位与码头面只差700mm，且汛期长，所以电缆在码头面下电缆托架敷设处可能长期泡在江中，在电缆选型时针对这点，故采用铜芯导体交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯内护套细钢丝铠装聚氯乙烯外护套电力电缆（YJV32）。

3.4 防雷与接地

为避免雷电直击与感应雷对岸电箱式变电所内部电气设备及人员安全造成危害，保障岸电供电设施的安全运行，故对变电所户内外相关的电气设备采取一定防雷与接地的措施。

岸电变电所10kV 系统接地方式是与上级变电所统一，0.4kV 的接地型式采用IT 系统。考虑到岸电变电所的特殊性及其重要性，防雷措施按第三类防雷建筑物设置，防雷接地、保护接地、工作接地与弱电接地等共用接地装置成为共同接地系统，且接地电阻不大于4Ω，共用接地系统的接地电阻不大于1Ω，上述接地电阻如不满足要求，需增设人工接地极。岸电变电所利用箱屋面（金属屋面）作为接闪器，利用其钢立柱作为防雷、接地引下线，作为防雷和接地用的钢材，凡焊接处均刷沥青防腐，搭接长度为钢筋直径的6倍，且至少三面焊接[2]。

常规的新建码头是利用码头平台每根桩作为垂直接地体、平台内上下两层钢筋网作为水平接地体。每根桩顶所设钢板和平台内上下两层钢筋网通过热镀锌扁钢-40×4可靠焊接，形成整个平台的网状接地装置。工作、保护及其防雷接地共用这一接地装置，平台面可视为设置均衡电位处理，防止接触电压和跨步电压。但是本工程为已建码头的改造，码头现浇层下的钢筋均已绑扎连接，无法再利用原水工桩位作为接地极。因此，在经现场踏勘观察并结合接地电阻测试报告，决定利用现有卸船机的钢轨作为箱式变电所的接地极，采用热镀锌扁钢（-40×4）与其可靠焊接，这样即满足了接地要求，也避免了开凿码头面重新做接地引上点，极大减少了接地这块的工程造价和施工难度。此外，船舶岸电系统自身应具备相应的保护功能，岸电接电箱应与水工预留的接地引上点可靠连接。定期组织专业测试员对船舶岸电系统的安全防护进行检测。