中型集装箱船配电网电压等级选择

周祎隆,夏骏,傅晓红

(中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011)

为实现正确且快速地选择中型集装箱电压等级,以某实船为例,从实际情况出发,结合多种电压等级的配电方案进行全面的技术和经济分析,论证出基于不同容量范围所对应的电压等级选择方案。

1 配电系统电压等级选择依据

对于船舶电力系统,常选择低压AC 440V,AC 690 V或高压AC 6600 V作为电力系统额定电压[1-2]。在中型集装箱的设计过程中,必须遵循入籍船级社的规范要求,根据实船电站容量、配电网络架构、配电设备布置空间和短路电流的大小,并参照所选择的配电板、断路器及保护装置制造厂家的产品技术参数,在综合考虑所有限制约束条件后,最终明确配电系统的电压等级。

1.1 断路器性能限制因素

决定配电系统在船上应用的关键因素是预期流过相关电路的短路电流大小;用在配电系统中的断路器的分断能力和额定接通能力必须与预期的短路电流相适应。

不同船级社对配电系统中用于短路保护的断路器有不同的要求;中国船级社要求重要设备的有关电路的断路器其额定运行短路分断能力(Ics)不低于该断路器安装点的预期对称短路电流(均方根值);而其他国外船级社则要求在配电板主汇流排由汇流排连接装置(BUS-TIE SWITCH)分成两部分的情况下,同意接受断路器的极限分断能力(Icu)不低于该断路器安装点的预期对称短路电流(均方根);此外,所有可能在短路情况下接通的断路器或开关其额定接通能力(Icm)应不低于其安装点的预期短路电流的最大峰值。

在交流低压配电系统中发电机的保护一般采用空气断路器(air circuit breaker,ACB),单台发电机的额定工作电流和其出线端的预期短路电流大小,会受到空气断路器性能的限制。目前主流的船用断路器制造商生产的空气断路器主要性能技术参数见表1。

表1 各品牌空气断路器性能指标

以施耐德品牌为例,空气断路器的最大框架电流为6 300 A,但实际使用时考虑到断路器温升以后会降低容量,空气断路器的最大保护整定值只能设置在5 700 A。对于AC 440 V的低压配电系统而言,单台发电机的最大输出功率不能超过3 500 kW。

1.2 汇流排容量限制因素

为保证船舶配电系统能够安全稳定的运行,SOLAS规范在Part D,Sec41,4中明确要求,如果船舶推进必需依靠主电源时,当主发电机组的总装机功率超过3 MW,则主汇流排应至少分成2段,通常应由可拆装的连接件或其他认可的装置加以连接,并应尽实际可能将各发电机组和其他双套设备均等地连接在各分段上。

决定配电板汇流排容量除需要考虑系统预期的短路电流以外,还有汇流排连接断路器或装置允许的额定工作电流。对于大容量的低压配电系统来说汇流排连接断路器或装置大多采用空气断路器。以施耐德公司制造的具有经过完全型式认可的MB301型船用低压配电板为例,选择单水平铜母排,考虑环境温度为45℃的情况下,配电板的汇流排技术参数见表2。

表2 施耐德单水平铜母排性能指标

依据表2中数据,如果考虑AC 440 V电力系统,全船发电机组对称安装在汇流排左右屏上,总发电机组的最大输出功率不要超过8 MW,并且要求在设计时尽量使得汇流排左右屏上负载均衡,以降低流过母联断路器和汇流排上不同分段的最大电流值。

当电站总容量超过8 MW,为满足配电板电动应力和热应力的要求,可以设计双母联断路器的双水平铜母排。仍以施耐德公司的MB301型船用低压配电板为例,选择双水平铜母排,考虑环境温度为45℃的情况下,配电板的汇流排技术参数见表3。

表3 施耐德双水平铜母排性能指标

依据表3中数据,仍然考虑AC 440 V电力系统,全船发电机组对称安装在汇流排左右屏上,总发电机组的最大输出功率不要超过10 MW,并且要求将艏侧推的联络开关调整至汇流排连接断路器旁,在设计时根据实际使用工况尽量使得汇流排左右屏上负载均衡,以降低流过母联断路器和汇流排上不同分段的最大电流值。

2 低压配电系统容量极限

对于载运800～1 000只冷藏集装箱的6 000～7 000 TEU中型集装箱船来说,通常采用4台交流发电机组作为主电站,在满足船用负荷使用且发电机组负荷率不超过90%的情况下,船舶电站总功率可选择为10 MW。

2.1 AC 440 V低压配电系统

如果电力系统使用AC 440 V的电压等级,其主汇流排预期交流短路对称分量有效值估算如下。

(1)

根据计算结果可知,配电系统的预期短路电流达到100.2 kA,以此可预估预期短路电流最大峰值将达到300 kA左右,已经接近各品牌空气断路器的额定接通能力的极限值。

以大连船舶重工集团建造的6 600 TEU集装箱为例,该船配置4台AC450 V,2 500 kW发电机组,经计算,4台发电机出线端短路点对称短路电流和峰值短路电流分别为94.2和272.4 kA,艏侧推馈电端短路点对称短路电流和峰值短路电流分别为112.3和328.3 kA,与估算结果基本一致。

2.2 AC 690 V低压配电系统

如果电力系统使用AC 690 V的电压等级,按照式(1)计算其主汇流排预期交流短路对称分量有效值为65.4 kA。虽然发电机额定电流降低,主汇流排短路电流下降。但是受到空气断路器极限分断能力的限制,空气断路器极限分断能力不超过100 kA及额定接通能力不超过220 kA,在保证整个配电系统供电可靠性和安全性的前提下,整体电站容量增加并不突出。考虑汇流排水平母排容量最大不超过7 300 A、电站选择AC 690 V电制最大容量不超过14 MW。

目前国内设计的多型电站容量在9～12 MW科考公务船,采用的是AC 690 V低压配电系统。

3 高低压配电系统比较

选择AC 6 600 V高压交流电力系统也是当中型集装箱船电站容量处于AC 440V电压等级临界值时的一种解决方案。高压电力系统可以大大减小短路电流的水平,降低配电系统对断路器及保护装置分断能力的要求[4]。而且短路电流的显著降低,对断路器短路耐受能力要求也相应降低。为选择更为合理的设计方案,必须从技术和经济性对AC 690 V和AC 6 600 V 2种电压等级的系统进行全面比较论证。

3.1 高低压配电系统拓扑差异

以某型7 000 TEU“双岛”型集装箱船为例,全船电站由4台2 500 kW、4 009.5 A柴油发电机组组成,其艏侧推电机功率为2 500 kW。此电站容量如果电力系统采用AC 690 V电压等级,按照辐射型的690 V/440 V/220 V三级配电网络架构进行设计[5],具体电力单线见图1。

图1 交流690 V电力系统单线图

若采用AC 6 600 V电压等级,调整发电机的输出电压等级,其他按照辐射型的6 600 V/440 V/220 V三级配电网络架构进行设计。通过对比可知,高低压配电系统差异主要有:①为减少至艏侧推电机的电缆数量及其敷设工作量,在AC 690 V配电系统中使用了AC 690/6 600 V的升压变压器与艏侧推起动器连接;②为满足高压岸电的接入需求,在AC 690 V配电系统中使用了AC 6 600/690 V的降压变压器与主配电板岸电接入屏连接。两种方案具体配电板控制屏、发电机组、变压器、电源设备进出线电缆配置和实际布置差异对比见表4～7。

表4 两种配电系统配电板对比

表5 两种配电系统变压器对比

表6 两种配电系统电缆对比

表7 高低压配电系统布置差异 mm

3.2 高低压配电系统重量和价格差异

根据表4～7高低配电系统设备配置的区别,对两种电力系统在前期设计中尤为关注的设备重量和价格因素进行比较分析,具体见表8、9。

表8 高低压配电系统重量差异 t

表9 高低压配电系统价格差异 万元

结合表8～9可知,对于7 000 TEU集装箱,选择低压AC 690 V配电系统初投资成本和设备尺寸重量比使用高压AC 6 600 V配电系统都有所增加。从经济性和控制空船重量角度而言,并没有达到预期的目标。所以,AC 690 V电压等级并不适合当电站容量达到或超过了低压AC 440 V配电系统的限制时选择使用。

4 结论

1)当电站容量小于8 MW时,选择AC 440 V低压配电系统、配电板选用单水平铜母排的成熟方案,即可满足电力系统需求;当电站容量接近10 MW时,选择AC 440 V低压配电系统、配电板需选用双水平铜母排的方案,并在前期设计过程中,需要重点关注对两段汇流排进行合理负荷分配以及艏侧推接入汇流排安装点的选择;当电站容量大于10 MW时,选择AC 6 600 V高压配电系统更为适宜,而且对于港口高压岸电的接入使用也比低压系统更为便利。

2)当电站容量大于10 MW时,如果仍想采用低压配电系统达到经济性的目标,则首先应该采取措施降低系统预期产生的短路电流。在满足船级社规范限制和船东实际使用要求,并保证不降低整个配电系统供电安全可靠性的前提下,今后的设计应关注采取系统控制比较复杂的分区供电形式对系统中并联运行的发电机数量进行限制。