码头岸电设施船岸电源切换能力检测技术研究

尹宏超 胡文浩 姚琪海

[摘    要]船舶靠港期间主要是利用船舶辅机发电机组发电来满足船舶用电需求，船舶辅机一般是燃烧重油或柴油，在消耗燃油获得动力的同时，船舶向大气排放大量的污染性气体。靠港船舶使用岸电是一项有效地船舶大气污染控制技术，是“十三五”期间我国重点推广的港口船舶污染物控制措施，也是水运行业顺应国际绿色发展潮流，实现科学发展的具体举措。多年来，国家和交通运输部已把船舶岸电作为推动绿色低碳港区建设的重点项目，先后发布了多项岸電建设及检测文件，全力推进船舶岸电系统建设。

[关键词]港口;岸电;变频电源;无缝并网;励磁涌流;逆功率

[中图分类号]TM91 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）11–0–04

Research on Detection Technology of Ship Shore Power

Switching Capability of Wharf Shore Power Facilities

Yin Hong-chao， Hu Wen-hao， Yao Qi-hai

[Abstract]During the ship's berthing， the ship's auxiliary engine generator set is mainly used to generate electricity to meet the ship's power demand. The ship's auxiliary engine generally burns heavy oil or diesel. While consuming fuel to obtain power， the ship emits a large amount of polluting gases to the atmosphere. The use of shore power by berthing ships is an effective ship air pollution control technology. It is a key pollutant control measure for port ships promoted by China during the 13th Five Year Plan period. It is also a specific measure for the water transportation industry to comply with the international green development trend and realize scientific development. Over the years， the state and the Ministry of transport have taken ship shore power as a key project to promote the construction of green and low-carbon port areas， and successively issued a number of shore power construction and testing documents to fully promote the construction of ship shore power system.

[Keywords]port; shore power; variable frequency power supply; seamless grid connection; inrush current; reverse power

1 港口岸电介绍

船舶靠港期间辅机燃烧重油或柴油向大气排放大量的污染性气体，其主要成分含二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、有机挥发物VOC和可吸入颗粒物PM2.5等有害污染物，破坏港区周围的生态环境。据统计，港口城市由于停靠船舶产生的废气排放比其他城市平均多25 %，这些污染性气体对人类健康和环境安全构成极大威胁。据不完全统计，港口周边地区居民患呼吸系统疾病的比例要比内地城市高近10 %。

随着我国对环保意识的不断加强，船舶对我国的环境污染也越来越引起人们的关注，建设“资源节约型、环境友好型”的绿色生态港口得到国家和港口企业高度重视，船舶停靠港口后停用船上发电机改用岸电供电这一减排节能的重大举措目前正在我国港口码头行业逐步展开，规定新建码头规划、设计、建设中包含码头船舶岸电设施内容。

2015年交通运输部印发《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015—2020年）》，要求主要港口90 %的钢制船舶、公务船舶靠泊使用岸电，50 %的集装箱、客轮和邮轮专业化码头具备向船舶供应岸电的能力。

由于靠港船舶电制不统一，存在400V/50 Hz、440 V/60 Hz、6 kV/50 Hz、6.6 kV/60 Hz等形式，尤其欧美等国家船舶电源频率多为60 Hz，我国港口电网供电多为6 kV/50 Hz或10 kV/50 Hz，上述电能供需的差异造成了岸电政策推广的现实技术问题。为解决上述问题，目前岸电设施尤其是沿海岸电设施是指具有变频变压功能、与船舶发电机组无缝并网功能及能量集中管理功能的岸电系统。岸电系统整体分为码头岸电电源（岸基设备）、船岸连接设备、船载岸电设施（船基设备），共三部分。岸基设备由输入配电柜、降压变压器、变频设备、隔离变压器、输出计量柜、插座箱及监控系统等构成，如图1所示。

采用岸电上船有如下优点：①船舶靠港后实现废气零排放;②由于停用船上发电机，给港口周边和船上人员有更好的舒适环境;③满足当地和国际环保法规;④由于陆上电源价格与船上发电电源价格存在较大的价格差，船舶靠港改用岸电供电会产生很大的经济效益，给港口和船东带来可观的经济收入。

船岸连接设备主要包括码头前沿的岸电插座箱和船上的电缆管理系统（电缆绞车）;船基设备主要包括岸电进线屏、岸电配电屏。

由于目前港口岸电容量较大，为便于船岸电缆连接方便，多采取高压上船模式，但大部分船舶电网多为低压，所以船基岸电设备除包括岸电进线屏、岸电配电屏外，大多还包括一台大容量降压变压器。船基岸电设备主要实现船岸电缆连接、电压匹配及船岸电源同期并网切换及负载转移，如图2所示。

2 岸电设施检测

岸电设施由码头岸电电源、船岸连接装置、船载岸电装置三部分组成。2019年6月1日，经交通运输部批准，交通运输部水运科学研究院颁布了JTS 155—2019《码头岸电设施建设技术规范》和JTS 155—1—2019《码头岸电设施检测技术规范》，上述标准对码头岸电设施的建设和检测进行规范管理。其中检测规范提出对陆上岸电设施的8项检测内容，包括一般性检查、保护功能检测、绝缘耐压和接地检测、电气参数检测、环境温度与噪声检测、负载能力检测、船岸电源切换检测、电缆管理装置检测。

上述检测项目中的部分内容，如一般检查、保护功能检测（部分）、绝缘耐压和接地检测、电气参数检测、环境温度与噪声检测、负载能力检测、电缆管理装置检测，目前是可以正常开展的，不会受到检测设备、技术及条件影响。但是保护功能检测中的船岸联锁保护检测和船岸电源切换检测两项重点项目需要船载岸电设备配合，而实际岸电检测现场，港方很少有机会提供具有船载岸电设施的实船配合检测。主要原因是，现阶段加装船载岸电设施的船舶较少，且船岸电源并网切换过程中存在逆功率、船侧降压变压器励磁涌流等风险，船方配合意愿不高，最终致使上述两项检测工作存在具体困难。

3 船岸电源切换关键技术

由于部分船舶的特殊运行工况，要求船舶靠港接入岸电期间负载不能断电，需要岸电设施具备与船侧电网无缝并网及负荷转移的功能。目前JTS 155—2019《码头岸电设施建设技术规范》推荐采取的是岸电设施被动并网方式，即由船载岸电设施同期并网装置调节船侧柴油机组电参数（频率、幅值、相位），实现与岸电电源的并车、负荷转移、解列等过程，在此过程中存在逆功率、励磁涌流、并网冲击等风险点，需要岸电电源在船岸电源切换过程中具有稳定的性能和应对技术，配合船载岸电系统完成电源切换过程。

逆功率是指在船岸并网过程中，由于船侧柴油发电机组输出电压幅值或者频率调节存在偏差，并网时刻功率输送至岸电系统的现象。逆功率将导致岸电电源直流母线电压瞬间增高，如岸电装置不能立刻将其消耗或者回馈至电网，会造成岸电装置过压报警、跳闸甚至损坏功率单元内支撑电容，最终导致并网失败。

目前海港岸电单机容量较大，导致输出电流较大，为减少船岸连接电缆数量和线径，实现船岸连接的便利性，港口岸电多为高压输出形式。但是实际较多船舶电网为低压440 V或者400 V，为此船载岸电装置中配置有大容量降压变压器，在此情况下，码头岸电设施供电过程中会面临船载变压器励磁涌流冲击或短时冲击负荷。

所谓励磁涌流，即当变压器空载合闸或外部故障排除后电压恢复时，由于铁芯中的磁通不能突变，变压器的铁芯将严重饱和，此时在变压器线圈内将出现很大冲击电流。变压器励磁涌流的大小与变压器铁芯的饱和程度密切相关，铁芯越饱和涌流就越大，励磁涌流其幅值可以达到变压器额定电流的6～8倍。盡管它对变压器本身没有直接的危害，但容易造成变压器继保装置的误动作，并对码头岸电电源形成严重的冲击电流，导致岸电装置输出跳闸。特别是大容量变压器为提高效率，设计的工作磁通密度很高，这种情况更为严重，容易造成变压器继保装置的误动作和变频电源报过流故障等。为此，需要岸电变频电源具有良好的抗冲击性能和涌流应对技术，确保变压器合闸瞬间能够有效抑制励磁涌流，船岸电源切换成功。图3和图4所示为船岸并网过程中示波器捕捉到的励磁涌流波形及并网冲击状态。

上述提到的逆功率、励磁涌流及冲击负荷应对性能对于码头岸电设施而言，在负载能力检测中是无法体现的，只有与具有船载岸电设施的实船进行无缝并网及负荷转移过程才能真实反映出其应对措施、效果及性能。同时，码头岸电设施检测过程中也需要船载岸电设施提供船侧的联锁保护信号来完成整套岸电设施的联锁保护功能测试，如电缆管理装置张力报警信号、等电位信号、船侧急停信号、电缆剩余圈数报警信号等。岸电设施检测过程中的实际需求与当前具有船载岸电设施的船舶短缺的现实矛盾，构成了岸电检测过程中模拟船载岸电装置存在的必要性。

目前岸电设施检测过程中，船岸联锁保护多采取短接联锁信号的方式，如图5所示，短接岸电连接器中P1、P2点，屏蔽船侧联锁保护信号，规范性较差。

如图4、图6、图7所示，分别是通过电能质量分析仪记录的，岸电电源在船岸电源同期并网瞬间、船侧负载启动瞬间及负载能力测试过程中的突加负载瞬间岸电电源输出电压和电流的瞬态过程，用以分析计算岸电电源的电压偏差率、瞬变响应恢复时间等电能质量参数。与图7记录的负载能力测试中的50 %突加负载相比，图4、图6记录的船岸电源同期并网和船侧负载启动过程对岸电电源的瞬态响应能力考核要加严格，可见通过模拟阻感负载进行的满载测试、突加突卸测试、1.1倍过载测试无法取代船岸电源切换检测，负载能力测试过程无法反应岸电电源在船岸并网过程中应对逆功率、励磁涌流、并网冲击等关键点和难点的性能、控制策略及瞬态数据。

4 电源切换能力检测技术

针对码头岸电设施检测作业中存在的上述困境，需研发一套可移动运输的集装箱式，具有手动/自动船岸并网及负载转移功能的模拟船载岸电装置，用于在码头岸电设施检测作业中替代实船岸电装置，配合完成码头岸电设施的联锁保护功能检测和船岸电源切换检测，同时用于港方岸电设施运维人员技术服务培训。模拟船载岸电装置由标准高低压港口岸电连接器（插头）、高压岸电进线柜、船载降压变压器、岸电并网控制柜（含PPU、PLC控制系统及数据采集系统）、低压负载配电柜、船用柴油发电机组（或电力电子变流器DC/AC）、阻感负载、储能装置等部分组成，系统构成如图8所示。

此装置并不主要用于JTS 155—1—2019《码头岸电设施检测技术规范》检测项目中的负载能力检测，主要作用包括以下几个方面。①通过配置标准岸电连接器（插头），可为码头岸电箱提供船侧模拟安全联锁信号，如等电位信号、电缆张力报警信号、船侧急停信号等，用于集装箱码头高压岸电箱（双插座）、散货码头高压岸电箱（单插座）、低压岸电箱等联锁保护检测;②通过配置手动/自动同期并网和发电机保护装置，实现待检测码头岸电设施与模拟船侧电网（柴油发电机组及阻感负载）的无缝并网及负载转移性能检测;③通过配置船载降压变压器，实现对待检测码头岸电设施的励磁涌流控制功能检测;④通过此装置检测码头岸电设施在船岸并网及负载转移过程中的逆功率保护性能。

此模拟设备既可以配合完成码头岸电设施的保护功能检测和船岸电源切换检测，增加检测服务项目，也可以辅助港方岸电运维人员进行岸电操作培训及设备年检，由于设备为可移动集装箱形式，可以向港方租借，便于在不同泊位移动应用。

参考文献

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[2] 余墨多，黄文焘，邰能灵，等.岸电系统短路电流计算与保护配置研究[J].港工技术，2021（3）：80-84

[3] 刘红.高压船舶岸电安全应用浅析[J].天津航海，2019（3）：21-23.