大型集装箱船高压岸电系统的设计与应用

芦 宁， 胡建君， 陈迪秋

(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化系统事业部， 上海 200135)

0 引 言

近年来，随着全球气候变暖和环境污染等问题日益严峻，绿色航运和绿色港口相关技术得到越来越多的关注。与以往的低压岸电相比，高压岸电系统(HVSC)能在为船舶提供更多电量的同时使用更少的电缆。以集装箱船为例，高压岸电系统使用6.6 kV供电电压，2根岸电电缆可为船舶提供7.5 MVA的岸电容量，足以满足该集装箱船靠港期间的电力需求。同时，由于在使用岸电时船舶所有副机都停止工作，能有效减少废气排放对港区环境的破坏。

随着高压岸电技术不断成熟、设备逐步完善，在国家有关政策的支持下，越来越多的中大型船舶计划安装或加装高压岸电系统。在该背景下，上海船舶运输科学研究所牵头研制国内首套适用于大型集装箱船的高压岸电系统，并将其加装在某大型集装箱船上。

本文主要介绍该系统各组成部分的主要功能和技术特点，并以洋山港接电测试为例，阐述其操作流程和注意事项。

1 系统设计

高压岸电系统是指供电电压在1～15 kV的岸电系统，对于集装箱船高压岸电系统的设计,主要参考IEC/ISO/IEEE 80005-1及其附件四的相关内容。

岸电系统可分为岸基供电系统和船载受电系统，其中：岸基供电系统通过变压器和变频装置(若需要)等部件将岸上的电源转换成标准规定的电压和频率，并通过标准的插座将其提供给船舶使用；船载受电系统通过岸电高压电缆和标准的插座将岸电连接至船舶配电系统。

集装箱船的高压岸电系统主要包括电缆管理系统、岸电连接屏、岸电变压器(若需要)、岸电接入屏和岸电控制系统等，可按照安装方式分为固定式和移动式2种。在固定式安装方式下，所有设备都安装在甲板上或舱室内(见图1)；在移动式安装方式下，部分主要设备(如电缆管理系统、岸电连接屏和岸电变压器等)集中安装在一个集装箱内，当船舶靠泊需使用岸电时，可临时吊上船舶使用(见图2)。本文主要对船端固定式高压岸电系统进行分析。

船舶岸电切换有全船断电切换和自动同步不断电切换2种方式，其中：在全船断电切换方式中，通过断开船舶发电机供电，连接岸电，完成船电到岸电的切换，这种方式操作简单，但在切换过程中会影响船上用电设备的正常工作；在自动同步不断电切换方式中，自动同步设备首先将船电与岸电同步，然后将负载转移至岸电(靠港)或船电(离港)，转换过程中船舶不断电，不影响船上各用电设备的正常工作，这种方式会提高系统的复杂度。

应用本文所述高压岸电系统的目标船为某大型集装箱船，该船在设计时考虑到高压岸电系统的安装需求，预留有电缆管理系统、岸电连接屏和岸电接入屏等设备的安装空间。该船配备4台高压发电机组，电压为6.6 kV/60 Hz，单台发电机组的功率为3 800 kW。高压岸电系统的设计功率为6 400 kW，足以满足该船靠港时对用电功率的需求。由于该船的主配电板为高压配电板，故不需要安装变压器。表1和表2为该系统的主要设备和参数。图3为设计并应用于该集装箱船上的固定式高压岸电系统的原理示意。

表1 系统主要设备

2 岸电系统设备设计

2.1 电缆管理系统

电缆管理系统起到连接船端和岸端供配电的作用，是实现电力传输的重要设备[1]。电缆管理系统由电缆卷车(含集电器、动力驱动装置、卷盘、导缆架、液力传动装置、 复合电缆和快速插头等)及其控制系统组成。为适应海洋环境，电缆卷筒、导缆架和控制箱等均采用316不锈钢制造，并喷涂相应的漆面防止锈蚀，整体防护等级达到IP56。高压电缆卷车主体结构和实物图分别见图4和图5。

表2 岸电系统供电参数

图3 船载固定式高压岸电系统原理示意

设计的电缆管理系统应具有电缆手动和自动收放、电缆恒张力控制、电缆剩余圈数报警和保护及应急切断等功能，以满足安全性需求。

1) 电缆手动和自动收放功能。手动操作模式为定速控制模式，实现电缆匀速收放；自动操作模式为扭矩控制模式，根据张力的大小实现电缆自动调节。

2) 电缆恒张力控制。在使用过程中能自动调节电缆的张紧度，无论何种因素导致船体高低位置发生变化，电缆的张力保持恒定，有效保护电缆。

3) 电缆剩余圈数报警和保护功能。当电缆释放过度，卷车上电缆的剩余圈数小于等于设定报警值时，电缆管理系统发出声光报警；当卷车上电缆的剩余圈数小于等于设置保护值时，电缆管理系统立即发出分闸指令。

4) 应急切断：在电缆管理系统操作处所设置应急切断装置，用于在紧急情况下切断岸基供电电源。

高压岸电电缆采用特殊的电缆，每根电缆包含3根185 mm2动力线、1根95 mm2接地线、6根2.5 mm2控制线缆和6根通信光纤。在选择电缆长度时，需充分考虑卷车所在的甲板层到码头岸电箱的高度和距离，并留有相应的余量。

自主设计和制造的高压岸电船用高压插头(见图6)满足IEC 62613-2的相关要求，最高电压7.2 kV，最大电流350 A。

图6 高压岸电船用高压插头

2.2 岸电连接配电板

岸电连接配电板是金属铠装的开关中置式高压开关柜，用于连接两舷的岸电电缆管理系统，向高压主配电板供电。该装置的设计符合IEC 62271—200的要求，具有岸电相序、电压、电流和频率等参数检查功能，以及数字式继电保护、船岸等电位连接保护、手动应急切断和安全联锁等功能。岸电连接配电板设计为3屏，分别为左舷岸电连接屏、右舷岸电连接屏和岸电供电屏，图7和图8分别为岸电连接配电板单线图和实物图。

图7 岸电连接配电板单线图

图8 岸电连接配电板实物图

在岸电连接配电板中，左舷岸电连接屏的电气原理和器件布局设计与右舷岸电连接屏相同，岸电连接屏上安装有真空断路器、继电保护装置、电压互感器、电流互感器和接地开关等，面板上安装有电压表、电流表、频率表、相序表、电度表、分合闸按钮指示灯、蜂鸣器、消音按钮、加热指示、DC 110 V 电源指示、等电位故障指示、等电位故障复位按钮、电流转换开关、电压/频率转换开关、带电显示装置和紧急停止按钮等。岸电连接屏面板布置图见图9。

2.3 岸电接入屏

岸电接入屏安装在高压主配电板上，也是金属铠装的开关中置式高压开关柜，用来将岸电电源接入主母排，具有岸电相序、电压、电流、频率及用电量等参数的检查和测量功能，以及数字式继电保护、安全联锁、断电切换和手动应急切断等功能。

图9 岸电连接屏面板布置图

岸电接入屏面板上安装有电流表、电压表、频率表、相序表、电度表、分合闸开关、指示灯组和选择开关等。屏体内部安装有电压互感器、电流互感器、真空断路器、继电保护装置和接地开关等。岸电接入屏单线图见图10。

由于岸电接入屏为实船预留加装设计，因此需充分考虑诸多因素，包括：面板元器件的布置和设计风格尽量与原船相契合以符合船员的使用习惯；重要器件的选型满足船级社规范的要求并持有相应证书；充分考虑安装的适应性和便利性、内部元器件布置的灵活规范性，以便于安装、维修和更换等。岸电接入屏面板布置图见图11。

岸电接入屏的保护功能包括过流保护、过压保护、欠压保护、过频保护、欠频保护、逆功保护和接地故障保护等。相关的保护策略和参数都是根据实船的相关应用数据、参数和保护要求，经过严格的计算和测试得到的。

按照设计方案设计的高压岸电接入屏在外观、结构、功能和性能等方面均满足实船应用需求，使用效果良好。

2.4 高压岸电控制系统

高压岸电控制系统主要用来实现高压岸电应用过程中的自动控制和监控，其核心硬件主要是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)和数据采集处理模块，通过软件实现相应的控制算法，使系统具有以下功能。

1) 测量和指示船载发电机组及岸电电源的电压、频率和功率等状态信息；

2) “一键靠港”和“一键离港”控制，自动进行船、岸电力系统并网和负载转移；

3) 手动进行船、岸电力系统并网和负载转移；

4) 手动进行船舶发电机组间的并网和负载转移；

5) 指示岸电系统运的行状态和报警状态；

6) 指示船舶发电机组的运行状态和报警状态。

7) 手动紧急切除岸电电源；

8) 船岸通信，满足IEC/IEEE 80005-2的要求。

岸电控制系统控制器的核心是控制软件，在软件设计上按照功能划分，采用模块化设计方式，有利于软件的需求分析、分工合作和后期集成测试等。高压岸电控制系统软件组成架构见图12。

岸电控制系统可根据实船情况进行安装，若为新造船，一般安装在主配点板内。为满足船舶加装岸电系统的需求，提高控制系统安装的通用性和灵活性，将岸电控制系统设计为独立控制柜形式。岸电控制屏面板上安装有电压、频率等二次仪表，以及状态指示和报警灯组、操作旋钮和开关等，内部安装有电源、控制继电器、变送器和PLC等器件。岸电控制屏面板布置图见图13。

3 高压岸电系统实船供电试验

为检验该高压岸电系统在某大型集装箱船上加装的成功性，于2017年4月4日在洋山深水港冠东码头对该船进行6.6 kV高压岸电实船供电试验。试验中，岸电系统持续供电16 h，最大供电功率为1.5 MW。对于相关高压岸电设备的实船安装施工，可参考刘峰等[2]给出的方法。

3.1 高压岸电系统的供电操作流程

该供电试验由上海船舶运输科学研究所高压岸电系统开发技术人员与码头方岸电供电服务工程师共同完成。图14为高压岸电系统供电试验场景和试验记录。由于是第一次在该码头进行岸电试接工作，双方就该船的高压岸电系统和码头供电系统的基本情况进行了初步沟通，在确定供电的电压、频率、船舶需求功率和安全回路等信息无误之后，开始接电相关工作，具体步骤如下。

3.1.1 船电转岸电

3.1.1.1 切换之前的检查

检查岸电连接屏中的VCB(Vacuum Circuit Breaker)是否均处于摇出状态，接地开关是否可靠接地。配合码头工程师对安全回路进行测试，确认码头侧开关位于摇出位置，接地开关可靠接地。

图14 高压岸电系统供电试验和场景试验记录

3.1.1.2 岸电电缆插头与岸端岸电箱连接

打开电缆卷车防护门，放下导缆架，用遥控器操作卷盘旋转，慢慢放下电缆至岸上。待相关人员完成电缆插头与插座箱的连接和电缆的固定之后，将控制模式切换为“自动模式”。图15为高压岸电电缆连接场景。

图15 高压岸电电缆连接场景

3.1.1.3 紧急切断测试

在供电之前，必须对岸电系统的紧急切断功能进行测试。船端技术人员配合岸端服务工程师分别按下位于电缆卷车、岸电连接屏、岸电接入屏和岸电控制系统等部位的紧急切断按钮，在岸端确认紧急切断有效之后，进入下一阶段。

3.1.1.4 岸端供电和检查

将岸电供电侧(左舷/右舷)对应的接地开关断开，并将开关置于工作位置，通知码头供电。在岸电连接屏上检查岸电相序、电压和频率等参数的取值是否正确，若无问题，操作开关合闸。图16为岸电连接屏岸电参数显示。

3.1.1.5 使用岸电

船电切换至岸电有断电切换和不断电切换2种模式，此次测试采用不断电切换模式。不断电切换模式又分为手动模式和自动模式2种，均通过岸电与船电同步并网实现。图17为在岸电控制屏上切换岸电场景。

在操作之前先确认当前只有1台发电机在工作，然后将主配电板上的发电机控制模式切换为手动模式，并检查岸电接入屏上“允许合闸”灯是否已点亮。

1) 在手动模式下，岸电与发电机的同步过程基本上与2台发电机组之间的手动同步过程相同，但只有船舶发电机输出频率可调节，操作规则可参考船舶发电机组手动同步操作规则。

2) 在自动模式下，整个转换过程可通过按下岸电控制系统上的按键完成。岸电管理系统自动进行岸电与船电并网、负载转移、发电机开关断开和停机等一系列操作。岸电与船电并网和负载转移的时间应尽量短，系统参数可设置，若在到达规定时间之后仍未完成负载转移，岸电控制系统将自动切除岸电电源。

3.1.2 岸电转船电

在由岸电切换至船电之前，确保船舶用电负荷少于1台发电机组额定负荷的80%，并启动1台发电机组。与船电转岸电相同，“手动模式”和”自动模式”均完成同步测试；在负载转移完成之后，切除岸电，转为船用发电机供电，整个过程中船舶供电未中断。随后按照以下步骤完成岸电系统的复位工作:

1) 在得到岸电操作人员确认的情况下，用急停按钮断开岸端VCB；

2) 岸电操作人员将岸电电缆插头与岸电箱分离；

3) 遥控操作电缆卷车收回岸电电缆，待电缆完全收回之后，收回导缆架，并关闭防护门。

3.2 注意事项

在岸电测试过程中，需特别注意以下要点:

1) 在连接岸电之前，必须做好相关准备工作，且在整个操作过程中需有2位专业人员相互监督；

2) 船端负责人确保与岸端人员充分沟通，在保证船舶用电设备安全的前提下，在获得轮机长的确认之后，方可转换岸电；

3) 在采用岸电供电时，应严格控制船舶用电负荷，避免出现过载情况[3]，且有一台发电机始终处于备用状态；

4) 在采用岸电供电时，应有人员值班，定时检查甲板上和机舱内的岸电设备，尤其重点检查电缆卷车及其管理系统、电缆张力控制是否正常；

5) 在恢复船舶供电之后，仔细检查高压岸电设备，确保其恢复到相关状态，并可供下次使用。

4 结 语

在高压岸电系统运行测试的16 h内，有效节省燃油3.3 t，减少CO2、SOx和NOx等气体排放10 t，减少了噪声污染，达到了预期的效果。该高压岸电系统的实船试验成功验证了系统和设备设计的合理性，显著提高了经济效益，响应了国家治理环境污染的目标，对提高超大型集装箱船关键设备的国产化水平具有积极意义。