超大型集装箱船冷箱配电系统设计探析

傅晓红，谢宋清，周祎隆，夏 骏

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

超大型集装箱船冷箱配电系统设计探析

傅晓红，谢宋清，周祎隆，夏 骏

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

分析辐射型、内环式和外环式等3种集装箱船冷箱配电系统，从可靠性、经济性和安装尺寸等3个方面阐述每种冷箱配电系统的特点。引入陆用母排技术的概念，在质量、电压降、热量损失、短路承受能力及安装施工等方面对母排和电缆进行比较，对母排在冷箱配电系统中应用的可能性进行前瞻性研究。

超大型集装箱船；冷藏集装箱；配电系统；母排

0 引 言

近年来集装箱船大型化愈演愈烈，从10000TEU[1]发展到18000TEU，再到现在的21000TEU，中国、日本和韩国在超大型集装箱船的设计与建造上各显其能，订单量逐年攀升。超大型集装箱船均装载有数量众多的冷藏集装箱（以下简称“冷箱”），数量在1000个左右。由于需要给数量庞大的冷箱供电，使得超大型集装箱船的冷箱配电设计成为有别于其他船型的一个特点，同时保证冷箱配电系统的安全性和可靠性成为配电系统设计的重点。

1 超大型集装箱船冷箱配电系统的型式

目前，国际上对冷藏集装箱的供电通常采用辐射型[2]供电、内环式供电和外环式供电等3种方式。

1.1 辐射型供电

辐射型供电方式是由中压配电板直接向冷箱变压器供电，再经冷箱分电箱向冷箱供电。由于其初次投资成本较低，应用较为广泛。辐射型供电的设计简单明了，易于进行故障检查和维护保养，目前我国自主设计建造的超大型集装箱船均采用这种冷箱配电方式。图1为典型的辐射型供电系统。

1.2 环形供电

近几年，冷箱供电开始借鉴城市电网供电模式[3]，采用环形供电方式。环形供电是把各冷箱变压器适当地组合起来，由中压配电板左右馈电屏向两边供电，形成环路。环形供电又可分成内环式供电和外环式供电2种方式。图2为典型的内环式供电系统。

采用环形供电方式时环数根据冷箱的数量来确定。内环式供电系统的冷箱中压配电板安装在机舱内专用的中压设备舱室里，冷箱变压器和冷箱分电箱安装在上甲板下面的通道内。受通道内空间的限制，每个冷箱变压器的容量选择范围有限，考虑到变压器安装和维修空间，一般选择的容量在1000kVA左右。

外环式供电方式采用的电网结构更接近城市供电环网结构[4]，环路中的冷箱中压环网柜、冷箱变压器和冷箱分电箱均安装在上甲板下面的通道内。同样，受通道空间的限制，冷箱变压器容量的选择方法与内环式供电方式相同。此外，由于冷箱中压环网柜安装在通道内，为提高人员的安全性，此类中压环网柜均设置有吸弧装置，避免故障时对周围人员造成伤害。外环式供电系统根据冷箱的数量分成单环、双环和多环供电。图3为典型的外环式供电系统。

2 3种冷箱配电方式的比较分析

2.1 可靠性分析

通过对辐射型供电、内环式供电和外环式供电等3种不同的冷箱供电方式的供电可靠性比较，可明显看出内环式供电和外环式供电的可靠性要比辐射型供电高。

辐射型供电方式具有简明直观的特点，每个冷箱都由中压馈电屏通过中压冷箱变压器、冷箱区配电板和冷箱分电箱供电，供电的可靠性直接受中压馈电屏的影响，一旦某种故障致使中压馈电屏上的断路器跳闸，就会使冷箱供电中断。

环形供电可弥补上述不足。环形供电由中压配电板左、右2个中压馈电屏供电，每个中压馈电屏的断路器按100%冷箱负荷计算；平时在环路的中间断开，冷箱负荷分别由左、右2个中压馈电屏供电；任何一个中压馈电屏的断路器若发生故障而跳闸，全部冷箱依然可由另一个中压馈电屏的断路器供电，从而提高冷箱供电的可靠性。内环式供电或外环式供电在实际运行过程中处于“开环”状态，系统保护功能并不复杂，发生单点故障后可自动断开故障回路，保证非故障支路正常运行，实现自动转供电功能[5]。

2.2 经济性分析

以1400个40ft冷箱为例。

1 ) 在图1所示的辐射型供电系统中，1400只集装箱由中压配电板经6台2700kVA的冷箱变压器直接供电。根据冷箱的具体布置位置，按照就近配电的原则将2台冷箱变压器安装在机舱的变压器间内，将另外4台冷箱变压器安装在上层建筑下方的变压器间内。

2 ) 在图2所示的内环式供电系统中，通过中压主配电板上的馈电屏及3块冷箱中压配电板向18台冷箱变压器（1100kVA）供电。3块冷箱中压配电板安装在机舱的中压配电板间内，与中压主配电板放在一起，18台冷箱变压器及冷箱分电箱安装在上甲板下方两舷的通道内。

3 ) 在图3所示的外环式供电系统中，通过中压主配电板上的馈电屏及9个中压环网柜向18台冷箱变压器（1100kVA）供电。9个中压环网柜、18台冷箱变压器及冷箱分电箱安装在上甲板下方两舷的通道内。

表1列出3种供电系统设备的配置情况。

表1 3种供电系统设备的配置情况

从配置情况看，3种供电方式的区别很大，内环式供电和外环式供电配电板的初次投资成本上升比较明显，且外环式供电的初次投资成本最大。但是，由于内环式供电系统和外环式供电系统中冷箱变压器、环网柜及冷箱分电箱就近安装在上甲板下方的通道内，原由冷箱区配电板到冷箱分电箱的440V低压电缆中有相当一部分变成6.6kV的中压电缆，载流量降低，低压电缆敷设长度及数量大大减少，这部分降低的成本也是相当可观的。

2.3 设备安装空间分析

对于辐射型供电系统，除了冷箱分电箱就近安装在上甲板下方左右舷的通道内，冷箱区配电板和冷箱变压器均安装在机舱或上层建筑下方的变压器间内，这种布置方式较为常见，易于同其他机舱设备协调安装位置。

对于超大型集装箱船，为在控制船型尺度的同时载运更多的集装箱，机舱布局较为紧凑。采用内环式供电系统时需将冷箱中压配电板安装在机舱内，而将冷箱变压器和冷箱分电箱就近分散安装在上甲板下方左右舷的通道内；外环供电系统没有占用机舱空间的冷箱中压配电板，其中压环网柜、冷箱变压器及冷箱分电箱均就近分散布置在上甲板下方左右舷的通道内，可为机舱的布置提供更多可能。但是，这2种方案的设备布置较为特殊，需在总体布局上进行协调，这主要是由中压冷箱配电板、中压环网柜和中压冷箱变压器的尺寸引起的。表2给出需综合考虑安装空间的设备尺寸。

表2 环网设备尺寸

2.4 3种冷箱配电系统分析小结

目前国际上应用最多的供电方式还是辐射型供电，选择这种供电方式的主要原因是造船成本相对较低。与内环式供电系统相比，外环式供电系统中所有的中压环网柜和冷箱变压器均分散布置在通道内，不占用机舱内的空间，且供电冗余度更高。但是，由于中压环网柜的价格较高，目前冷箱数量较多的船舶多采用内环式供电系统，尤其是冷箱数量在1000只左右的超大型集装箱船，只要配置和运行得当，内环式供电方式可获得较高的供电可靠性。

3 新型的冷箱配电方式

在传统的电力系统中，设备与设备之间的电力传输主要依靠电缆来实现，不同规格的电缆承载电流的能力是不同的，对于电压等级相同的电力电缆，截面积越大，载流量就越大。考虑到电缆施工过程中允许的弯曲半径和硬度，一般AC440V电力电缆选用的规格多为3×95mm2，最大不超过3×120mm2。超大型集装箱船载运的冷箱数量多，若考虑成本因素，则优先选用辐射型配电系统，其优点是初次投资成本比环形配电系统小，但会在贯穿全船的通道内出现大量冷箱配电电缆，这对电缆通道的空间提出了更高的要求。

以一艘1000FEU集装箱船为例，其冷箱配电系统采用辐射型，配置6台2200kVA的冷箱变压器。冷箱变压器及中压主配电板分别布置在机舱中的变压器间和中压配电板间。由于冷箱遍及全船，这就意味着采用传统的辐射型配电系统，会在两舷的通道内聚集大量的冷箱供电电缆，这必然会造成电缆通道拥堵。对于上层建筑和机舱分别位于船中前部和艉部的“双岛式”船型而言，拥堵问题更为严峻。

母排供电是当前逐渐受到关注的一种供电技术，其在陆用配电系统中的应用已相当成熟，在大型豪华邮轮的照明配电中应用较广，具有大电流、小尺寸的优点。例如，一台2200kVA的冷箱变压器，AC450V侧与冷箱区配电板之间需要15根3×120mm2的电缆，需要宽度为900mm的电缆托架，而选用4000A的母排需要的安装宽度仅为566mm。

这里提出以下3种母排替代方案。

1 ) 方案一（S1）：冷箱配电网络架构保持不变，仅将原有的电力电缆替换成母排。

2 ) 方案二（S2）：等容量母排，母排容量由各台冷箱变压器所带冷箱的数量确定；在冷箱变压器的输出端和末端采用等容量母排，根据全船1000FEU集装箱的实际分布情况计算，只有4000A和3200A这2种规格（见图6）。

3) 方案三（S3）：并联母排，母排容量根据冷箱变压器所带冷箱的数量确定；离冷箱变压器越远，母排容量越低，采用2500A，2000A和1250A等3种规格。

通过计算可得到辐射型供电的方案质量、3种母排方案的母排质量及各方案质量比较结果（见表3～表5）。由此可见，无论采用哪种母排方案，都能减少约30%的质量，有助于进一步降低CO2排放量。

表3 辐射型供电的方案电缆质量

表4 3种母排替代方案的母排质量

表5 辐射型供电方案与母排方案质量比较结果

此外，母排是标准件，有不同的规格，可根据实际需要进行拼接，安装便利，特别适用于模块化施工。可先在分段中预装，在分段合拢时进行拼接，能提高施工工艺的标准化及效率。

图4～图6为我国自主设计建造的某海洋平台上安装的母排，安装过程简单、易于操作，对施工人员的技术要求较低。

综合以上计算分析，得到辐射型供电用电缆与母排替代方案的特点比较（见表6）。

表6 辐射型供电与母排替代方案的特点比较

由此可见，母排在集装箱船上应用是有前景的。参考母排在陆地和豪华邮轮上的成熟应用，考虑到集装箱船船体在满载时相比空载荷有形变的特殊性，在设计母排时也考虑船体振动及变形的影响，保证船舶供配电系统能在最恶劣的海况下正常运作。

4 结 语

尽管现在超大型集装箱船冷箱配电系统出于成本考虑，大多采用辐射型供电方式和内环式供电方式，但随着技术的不断发展和制造工艺的日益成熟，必然会有更经济、更节省空间、更安全可靠的配电系统应用到冷箱供电系统中。在不久的将来，外环式配电和母排的应用会给船舶配电系统的设计带来一场变革。

[1] 侯立平.节能型集装箱船型研究[J].船舶与海洋工程，2013 (3): 27-29.

[2] 施亿生，谢绍惠.船舶电站[M].北京：国防工业出版社，1981.

[3] 仵玉顶.城镇环网配电探析[J].山西建筑，2014, 40 (20): 167-168.

[4] 杨峥.环式配电系统及环网柜的运用[J].江苏冶金，2007, 35 (2): 59-63.

[5] 欧昌岑，岑冬梅.实现配电环网可靠自动转供电功能的关键策略[J].中国电力，2013, 46 (7): 95-99.

Design Analysis on the Power Distribution System for Reefer Containers of Very Large Container Vessel

FU Xiao-hong，XIE Song-qing，ZHOU Yi-long，XIA Jun

（Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China）

This paper analyzes three power distribution systems i.e.radial type, inner-ring type and outer-ring type for the reefer containers onboard containerships, and elaborates the characteristics of each reefer power distribution system from three aspects of reliability, efficiency and installation dimensions.The concept of bus-way technology is introduced, and comparisons between bus-way and cables are made in terms of weight, voltage drop, heat loss, ability to withstand short circuit and installation.It is a prospective study on the feasibility of bus-way application in reefer container power distribution system.

very large container ship; reefer containership; power distribution system; bus-way

U665.1

A

2095-4069 (2017) 04-0056-07

10.14056/j.cnki.naoe.2017.04.012

2016-09-13

工信部高技术船舶科研项目（[2013]173号）

傅晓红，女，高级工程师，1979年生。2004年毕业于上海交通大学电力系统及其自动化专业，现从事船舶电气设计工作。