基于海工船的科考船配电系统改装

摘    要：本文探讨了由近海工程支持船改装为具有科考能力的配电系统设计、配置及工程实施方法。通过分析两型船配电系统差异性，并根据科考船的实际需求进行了系统设计和改造。改造后的配电系统能够满足科考船的高可靠性、稳定性和灵活性的要求。本次改造为其它类似科考船的新建和改造提供了有益的参考和借鉴。

关键词：科考船；配电系统；改造

中图分类号：TB472                                  文献标识码：A

Renovation Technology of Power Distribution System for Scientific Research Ship Converted from Offshore Vessel

XIE Xinghuan

（ Jiangmen Hangtong Shipbuilding Co.， Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.， Ltd.，  Jiangmen 529145 ）

Abstract： This article explores the process of transforming the power distribution system of an offshore engineering support ship into a power distribution system suitable for scientific research ship. By analyzing their differences， the system design and modification are carried out according to the actual needs of scientific research ship. The renovated power distribution system can meet the high reliability， stability and flexibility requirements of scientific research ship. The successful implementation of this renovation provides useful reference and inspiration for the construction and renovation of other similar scientific research ships.

Key words： scientific research ship; power distribution system; renovate

1     前言

新建造一艘科考船成本高、周期长，采用现有船舶改装成科考船是一条优选途径。本项目改装船是一型近海工程支持船，原为海洋结构物海上安装、检验、维修以及水下机器人作业提供多功能支持，并兼作近海作业的海上设施、船舶供应物资和食品等补给，具有浮油回收、对外消防、动力定位等多种功能，配备直升机起降场地、结构、存放、消防、供油等设施，适宜改装。

基于该型船的配电系统无法满足科考船的需求，对其配电系统进行改造，以适应科考船的需求。其改造后可独立开展海工作业和海洋科考，具有水文调查、地质调查、大气调查科考能力和重物调运能力。

2     配电系统差异性分析

改装前需对所需科考船与改装船现有配置的差异进行分析，以有利于减少改装工作量，节约成本和缩短工期。原船配电系统满足DP2要求，其冗余度方面符合使用要求，电站管理系统功能完善，能满足全自动控制的要求，具有优化的负荷分配能力，符合科考船配电设备用电的基本要求。

科考船和海洋平台工作船因为用途不一样，其配电系統存在差异，主要有以下几个方面：

1）配电系统交流供电方式不同。原海工船上的供电和配电系统为交流三相三线制绝缘系统，而部分科考设备需要使用中性点接地的交流三相四线系统；交流电源电制方面原海工船上的电制为AC440 V 60 Hz，AC220 V 60 Hz，而科考船设备的电制为AC380 V 50 Hz，AC220 V 50 Hz，需要安装变压器、大功率变频设备进行相应的转换才能满足科考设备用电的要求；

2）灵活性要求不同。海工船舶针对性强，所需功能为固定式。而科考船因为实验项目存在阶段性和可变性，需要搭载移动型设备，因此，须在主甲板预留较多大功率的开关；

3）电源质量要求不同。科考船的用电设备功率大，而且精密仪器多，对电网谐波要求更高，需要配备大功率AFE变频器。AFE变频器具备低谐波高效能的作用，以满足精密科考仪器使用[1]。

3    改造流程规划

为节约改造成本，尽可能在不改变原配电板外形尺寸的基础上，需要合理规划配电板上的开关布局、布置各分电箱的位置。配电系统改造设计的主要流程：

1）统计需要增加、删减的设备数量和功率；

2）进行电力负荷分析和短路电流计算，确定配电板的改造方案；

3）进行配电开关布置的规划处理，对配电开关进行处理：

（1）现有的备用开关框架电流和额定电流容量足够的就用备用开关；

（2）现有的备用开关额定容量不足，但是框架电流可以满足的，就更换相同框架且额定电流满足要求的开关，以保证安装空间足够；

（3）配电板上开关的布置要按从大到小的原则，优先考虑布置空气断路器的位置，再布置塑壳断路器；

（4）剩余的配电开关则布置增加一屏配电板。注意新增的配电屏在高度和宽度尺寸方面做好控制。

4    改造设计及实施

4.1  主配电板改造

本船主配电系统改造工程需增加以下设备，见表1。

原船主配电板有12屏，集控室区域需要新增1台空调。新增配电板采用分配电板的型式，从原配电板的NP1屏供电。

经过综合分析后，需要对主配电板进行改造：

1）拆除原配电板的第一屏（NP1屏）上半屏所有负载开关，开关根据具体情况移到第一屏下部分和第二屏的备用开关，多余开关移到新配电板，第一屏（NP1屏）的上半屏安装1个4 000 AF的联络开关，给新配电板供电；

2）对于150 t吊机的两路供电。考虑第一路由新配电板供电，第二路拆除原配电板的第十一屏（NP11屏）的800 AF的断路器（供电给原100 t吊机），安装1个2 000 A的ACB，供电给150 t吊机分配箱2，配置相应的控制回路。将拆下来的800 A开关用于尾部变频器（440 60 Hz/380 V 50 Hz）供电，配置相应的控制回路；

3）将原配电板中容量300 A岸电进线断路器更换为630 A插入式断路器，在原主配电板（NP11）上增加三相电压、电流表，电压、电流互感器及转换开关等；

4）其余设备布置在新增配电板或者原备用开关供电；

5）新增3屏配电板要求底部进线，前后维护，新增配电板尺寸控制在2 000 mm宽×800 mm深×2010 mm高以内；

6）配电板厂家对各电站管理系统（PMS）进行更新，PMS提供吊机重载问询功能。4台柴油发电机组可自动并网运行，并在动力定位工作站显示。

主甲板艉部（440 V 60 Hz）移动设备分电箱1#/2#供电的2个1250 AF的断路器与150 t吊机使用工况可以兼容，其可从150  t吊机的分配箱进行电源分接，以控制配电板尺寸。

4.2   电力负荷核算

经计算，本船最大负荷工况需要4台柴油发电机并车，其用电负荷产生了变化。为此，需要重新进行短路电流计算和保护电器选择性分析，对主配电板母排容量及各断路器进行重新校核。

最大短路电流应计及对应于船舶最大负载工况[2]，短路电流计算拓补结构图如图1所示。通过CCS计算软件COMPASS计算在4台发电机并车并网运行时各短路点的短路电流值。

将短路电流的计算结果对比原船断路器的额定分断能力Ics（kA）和额定合闸能力Icm（kA），发现4台主发电机主开关处（A1、A2、A3、A4）短路电流峰值Ip（kA）均大于NW20H1断路器的额定短路接通能力（Icm）143 kA。为此，需更换断路器才能满足要求，而其余断路器符合要求。通过查找施耐德的断路器手册型号为“NW20H2”的开关Icm值为220 kA能满足需求，且抽屉尺寸大小一致，不影响配电板安装空间，所以选择NW20H2作为新的主开关。

同時，对配电板汇流排进行校核，判断其汇流排等元件的电动力稳定性和热稳定性。经过测算第一屏和第十一屏的母排的电流容量需要增加，按计算结果进行铜排更换。

4.3   区域配电装置设置

为适应海上的多功能作业和实验多样性的需求，光电缆绞车集装箱、钢缆绞车集装箱、ROV及其它移动科考作业实验设备都为整体移动式安装，可根据不同项目灵活调换。为用电灵活方便，需要在露天设置大功率的固定式440 V 60 Hz和380 V 50 Hz分配电箱。

4.3.1 露天区域380V分电箱

为满足AC380 V用电设备的功率需求，需要增加一台容量为500 kVA的440 V 60 Hz/380 V 50 Hz的变频器进行电源变换。在变频器选型时需要对电网的谐波影响进行重点考虑。经过综合考虑采用有源前端（AFE）变频器，整流和逆变单元都带LCL虑波器，可以有效降低电源端的谐波干扰，确保对于电网侧谐波电压影响<5%。

新增设备尺寸控制是改装船考虑的重点之一。变频柜外形太大无法布置，为此采用变频柜拆屏布置，分为变频电源柜和输出开关柜。

布置于主甲板预处理区左、上甲板左、主甲板艉部左舷和右舷的4个380 V分电箱从输出开关柜处取电。艉部移动设备分电箱在布置时考虑到减小后期设备吊装对箱体的冲撞风险，布置在艉部防撞墙保护区域内。

4.3.2水下设备升压变压器

设置1台容量300 kVA水下设备升压变压器，原边AC380 V 3Φ、50 Hz，副边AC1500 V/2000 V/2600 V/2800 V，3100 V/3200 V/3300 V/4100 V/4200 V/4300 V，3Φ 50 Hz，绝缘F。变压器原边从变频开关柜供电。为防止变压器合闸时的涌流，升压变压器设置预充磁变压器和相应的联锁保护功能。安装水下升压变压器可满足各等级高电压的试验设备的使用。

4.3.3 露天区域440 V分电箱

1号和2号主甲板尾部（440 V 60 Hz）移动设备分电箱内都带1 250接线柱630/400/250/160/100/32各1个，适合各功率的设备取电。艉部移动设备分电箱布置在艉部防撞墙保护区域内，可防吊装作业冲撞。

上甲板专用分电箱 UDDB设置上甲板FR77舱壁，分电箱内开关框架至少包含630/400/250/160 AF开关各1个，50 AF开关5个。

4.3.4厨房分电箱

为更加有效地减少电磁干扰，对厨房设备的供电增加1台容量160 kVA，440 V/440 V，60 Hz（副边带440 V/380 V绕组）三绕组三相厨房隔离变压器，将原厨房设备分电箱NP1（440 V）改成厨房设备分配电板。增加1台容量约50 kVA，440 V/230 V，60 Hz三相厨房隔离变压器，并增设1个220 V厨房设备分电箱。隔离变压器的增加使得整个配电系统有良好的电磁屏蔽性能，保证科考设备供电稳定和可靠。

4.3.5实验室分电箱

设置1台容量50 kVA、440 V/380 V/60 Hz三相四线制实验室变压器，为实验室380 V/220 V设备供电，分电箱内每个供电回路设置有效漏电保护装置。

设置1台容量20 kVA的实验室UPS，输入三相三线AC440 V/60 Hz电源，输出三相四线AC220 V/60 Hz，为实验室220 V设备供电，分电箱内所有负载开关均带独立的漏电保护。

4.4   应急配电板改造

根据用电设备的变更情况，调整、更换配电屏上的部分馈电开关的型式和供电对象：

1）应急配电板上将 100 AF开关替换为160 AF，给150  t吊机的63 kW应急操作泵启动箱供电；

2）AC220 V配电屏增加1个3P 16 A/63 AF 的开关供电至液位测量主控制箱；

3）AC220 V配电屏增加1个3P 50 A/63 AF 的开关供电至1号应急AC220 V分电箱（新增）；

4）新增加1个32 A/63 AF3P开关供电给驾驶室AC220V分电箱（新增）；

5）新增加1个40 A/63 AF 3P开关供电给集控室外1号AC220 V分电箱（新增）。

4.5   岸电箱改造

配备4根长150 m的3×95 mm2符合相關规范要求的柔性电缆作为岸电电缆。岸电电缆连接码头岸电的一端采用专用插头，岸电箱设置630 A主开关，具有断相报警、相序自动转换等功能，带分时计费式电表。改造后的岸电系统加大了容量，满足海事局最新的规范要求，并满足船上中央空调系统供电。

5    结束语

经历改造，得到以下经验：

1）配电系统改造工程可采用先大后小，先主干后分支的方式。在实施的时候先从主配电板的改造着手，采用层层递进的方式，可保证改造工程有序进行；

2）前期规划、准备工作很重要。加强与船东沟通，在改造实施过程中需要兼顾与现有系统匹配性及现有船上空间限制。为保证用电负荷分配合理，满足科考设备用电需求，需制定详细的改造技术方案，包括新设备的选型、布线规划、安装调试等；

3）宜尽可能在不改变原来配电板结构的情况下，合理规划布置配电板的开关、独立分电箱、变压器和变频器等位置；

4）科考船对配电系统的谐波控制要求高，通过合理地选择变频器的滤波性能和适当设置隔离变压器，可有效地减小谐波对系统的影响，提高其性能和安全性。

参考文献

[1]吴刚，黄维.海洋综合科考船设计[M]．上海：上海交通大学出版社，2018.

[2]钢质海船入级规范[S]．北京：人民交通出版社，2021.

作者简介：谢行焕（1985- ），男，工程师。主要从事船舶、工程及装备的电气研发设计工作。

收稿日期：2023-12-10