低压船舶岸电供电系统方案研究

马涛 王金全 金伟一 李建科

（1. 解放军理工大学工程兵工程学院 南京 210007；2. 驻宁波军代处，浙江宁波 315020）

1 引言

按现行标准，我国港口码头大都采用三相四线加保护线的 TN-S制供电系统，而船舶多以三相三线制IT系统为主[1]。船舶交流供电系统采用的三相三线制IT系统，供电连续性高，当船舶供电系统发生单相接地时，可在短时间内连续供电，但投资较大[2]。港口低压供电系统采用的是三相四线加保护线的 TN-S系统。投资小但其供电连续性不高。目前国内外港口码头多采用 TN-S供电系统做为低压船舶岸电系统，即将船舶直接接入港口供电系统。但供电可靠性不高。本文提出带相应高精度绝缘监测装置的三相四线制 IT系统方案即三相三线制IT系统配出中性线。该系统供电连续性高，且能直接获得220 V电源供给用电设备。目前三相四线制IT系统在南极观察站[3]欧洲地区一些公用系统[4]及我国陕西省临猗县黄家庄已有应用[5]。

2 船舶岸电系统方案设计

船舶岸电系统设计的目的是既能为船舶提供三相三线制电源又能为港口提供三相四线加保护线电源，提高设备利用率，降低系统运行成本。本小节提出两种设计方案。

2.1 系统中性点经断路器接地

船舶岸电系统中性点经断路器接地，其工作电气原理图如图1所示。系统中性点经低压断路器QF4接地，QF3、QF4与QF5互锁。没有船舶时，QF4合闸，为港口码头提供标准的三相四线加保护线的TN-S系统电源。船舶靠岸时，断开QF6，解除船舶自带绝缘监测装置。QF4分闸，断开系统中性点接地断路器，形成中性点浮空的船舶岸电三相四线制IT系统。QF5合闸，对系统进行绝缘监测，QF3合闸，船舶引接IT电源。正常运行时，系统可兼容码头负荷和船舶负荷供电；系统发生单线接地故障时，中性点浮空，故障回路电流小，系统能持续运行，通过系统绝缘监测装置报警，提醒维护管理人员及时处理，可保证系统供电的可靠性和连续性。

2.2 系统中性点经大电阻接地

船舶岸电系统中性点和保护线之间串接大电阻R，即构成中性点经大电阻接地的供电系统，如图2所示，其中QF3、QF4与QF6互锁。

系统单独向码头供电时，断路器QF4合闸，大电阻R被短接，向码头提供标准的中性点直接接地的TN-S系统电源。

当系统兼容船舶与码头供电时，断路器 QF3合闸，QF4与 QF6分闸，形成中性点经大电阻接地的三相四线制IT系统。

图1 变压器中性点经断路器接地电气原理图

图2 变压器中性点经电阻接地电气原理图

系统没有发生单相接地时，电阻R起到抑制中性点漂移的作用；系统发生单相接地时，可以限制接地相的接地电流。正常运行时，系统可兼容码头负荷和船用负荷供电；系统发生单线接地时，由于接地大电阻的限流作用，故障回路电流小，系统亦能持续运行，采用接地监测报警装置，可提醒维护管理人员及时处理，保证系统供电的可靠性和连续性。为了降低系统发生单相接地时设备外壳的对地电压和流过人体的电流，阻值可取 110 Ω[6]。

3 船舶岸电系统模型建立

船舶岸电三相四线制 IT系统模型如图 3所示。模型系统中包括理想三相电源、一个一级配电柜、一个连接船舶专用的二级配电柜、一个码头专用的二级配电柜，船舶三相负荷、码头三相负荷、三个单相纯电阻负荷。系统中性点接地方式分两种，闭合断路器表示中性点经大电阻接地，断开断路器QF表示中性点浮空。

船舶采用岸电所需容量从 kW到MW不等[1，7]。本文选择船舶供电容量为180 kW，变压器容量为400 kW；

相关参数为：三相交流电源，线电压380 V，频率50 Hz，A相电势初相角为0°。

船舶三相负荷有功功率180 kW，功率因数为0.8滞后；

码头三相负荷分别为100 kW和50 kW且功率因数都是 0.8滞后；码头单相负荷每相都为 5 kW；

电缆线路：船舶供电电缆300 m，岸电一二级配电线路150 m，二级配电箱至负荷线路150 m,详细电缆参数参见表1。

图3 船舶岸电三相四线制IT系统模型图

表1 交联聚氯乙烯电缆线路参数[8，9，10]

根据所选参数设置，建立系统仿真模型如图4所示。

Source和 Transformer表示电源，ment1～9表示电压电流测量仪表；Line1～9表示传输线路，Load1～6表示负荷，Load7表示110 Ω接地电阻；Breaker0～12表示断路器，不同的断路器开断，表示系统处于不同运行状态。

4 系统模型仿真分析

船舶接入岸电，船舶获得电压（船舶专用配电柜母线相电压）；船舶断开岸电，船舶电压降为零。对船舶接入岸电前后母线电压（一级配电柜母线相电压）及船舶电压变化情况进行仿真，分析中性点浮空或经大电阻接地两种方式的船舶岸电系统兼容船舶与码头供电可行性。

控制断路器Breaker1和Breaker0可得船舶接入岸电前后系统电压电流如表2所示。其中中性点浮空或经大电阻接地两种方式的船舶岸电系统各设备参数基本相同。

由表2可知，船舶接入岸电前后，中性点电压为零，说明系统中性点不发生偏移；母线电压降低，且船舶电压降超过10%，应采用有载调压措施进行稳压，或在船舶接入岸电前后，适当调高变压器输出电压，以满足用电设备供电质量要求。

（1） 断路器Breaker0断开，中性点浮空的船舶岸电系统

图4 船舶岸电三相四线制IT系统仿真模型图

表2 船舶接入/断开岸电前后系统参数值

系统中性点浮空，船舶接入/断开岸电，母线电压波形如图 5所示。0.05 s，断路器 Breaker1闭合，表示船舶接入岸电，母线电压小幅下降；0.15 s，断路器Breaker1断开，表示船舶断开岸电连接，母线电压恢复成船舶负荷接入前波形，说明船舶接入/断开岸电，系统电压有变化，过渡过程时间短，且不会产生大的冲击和波形畸变，采取有载调压变压器即可实现电压调节，不影响正常运行。

系统中性点浮空，船舶接入/断开岸电，船舶电压波形如图 6所示。0.05 s，断路器 Breaker1闭合，表示船舶接入岸电，船舶配电柜母线获得电源，电压升高到相电压，船舶电气设备能正常运行；0.15 s，断路器Breaker1断开，表示船舶断开岸电连接，船舶电压逐渐将为零，船舶停止供电。

图5 船舶接入/断开岸电母线电压波形

图6 船舶连接/断开岸电船舶电压波形

因船舶负载为感性负载，而传输线路存在对地电容，所以当船舶断开岸电后，其电压存在短时振荡衰减过程。显然，中性点浮空的船舶岸电系统能兼容船舶与码头供电。

（2） 断路器Breaker0闭合，中性点经大电阻接地的船舶岸电系统

断路器Breaker0闭合时，船舶接入断开岸电时母线电压波形和船舶电压波形和断路器Breaker0断开时情况相似，在此不赘述。

上述仿真分析表明，中性点浮空或经大电阻接地两种方式的船舶岸电系统均能实现船舶和码头同时兼容供电。

5 结语

由于船舶采用的是三相三线制 IT系统供电而港口码头多采用三相四线加保护线的 TN-S制供电系统。对于船舶的靠港接用岸电不相互兼容，目前很多港口采用的船舶岸电系统其供电连续性不高，且运行成本较高。本文提出的船舶岸电系统方案能较高效率解决此问题，且供电连续性高，运行成本低，但对于其绝缘监测要求相对较高。

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