关于船舶高压岸电改装设计的探讨

潘银飞，李晓奎，周均怡，陈 伟，曹 峰

（上海江南长兴造船有限责任公司，上海 202150）

0 引言

随着国际海事组织（IMO）对船舶硫排放的限制日益严格，越来越多的港口开始重视环境保护，许多船舶在港靠泊期间将不再使用船上的发电机作为电源，取而代之的是使用港口码头提供的电源，以满足港口的节能排放要求。集装箱船、客滚船、邮轮等船舶在靠港期间对电源的需求量较大，高压岸电系统改造较为迫切。因此，近期集装箱船进行高压岸电系统改造的工程不断增多，其它船型靠港期间对用电负荷的需求也呈现出不断增加的趋势。未来船舶与码头间使用高压岸电的方案将会被越来越多地采用。

1 船舶高压岸电系统简介

普通的船舶岸电其电压等级多为AC 440 V，而进行船舶岸电系统改造后使用的岸电电压等级多为AC 6 600 V，在各船级社规范的定义中，高于1 kV的电压即称为高压，因此，目前各船舶改造后使用的 6 600 V岸电系统可称为高压岸电系统（Alternative Marine Powered，AMP）[1]。

由于高压岸电系统厂家设计以及改装船舶自身电制的差异，高压岸电系统构成可以有多种方案，但一般都包含插拔式快速接头、高压岸电电缆绞车、高压岸电连接屏、高压岸电接入屏、高压岸电控制屏以及高压电缆等部分，将港口岸电与船舶电网相连接[2]。

以上部件中，插拔式快速接头与岸上插座为一组，可以在短时间内牢固连接，以达到码头快速作业要求。电缆绞车通常左右2舷各设1台，主要用于收放到岸上的高压电缆。高压电缆敷设船上与高压岸电连接屏相接，高压电缆的可收放部分和固定部分通过电缆绞车集电环相连接。高压岸电连接屏通常由左舷高压岸连接屏、右舷高压岸电连接屏以及高压岸电配电屏组成，可以显示电压、电流、相序、频率、功率等相关参数。高压岸电接入屏通常位于主配电板上，用于接受高压岸电连接屏输入的岸电电源，以连接船舶电网。同样的，高压岸电接入屏也可以显示电压、电流等相关参数，用于监测和保护系统正常运行。

对于高压岸电装置的安装形式主要分为移动式和固定式。移动式安装形式通常会将岸电连接屏、电缆绞车、变压器等整合在一个可移动的集装箱内，船舶只需敷设至主配电板的高压电缆，同时提供移动式集装箱位以供临时摆放。对于固定式安装形式，其电缆绞车、岸电连接屏、变压器等都需要固定安装在船舶上，船舶靠港后，只需通过绞车放下高压电缆并与码头岸基供电装置相连接便可。因此，船舶航运公司需要根据不同船型自身特点及需求进行考虑和设计。

2 船舶高压岸电改造设计

船舶高压岸电的改造重心在于原船电力系统的改造升级以及新设备的安装工作，因此，高压岸电具体的改造需要基于原船电力系统确定，如原船为AC 440 V低压电力系统，则新装船的高压岸电系统需要配备降压变压器，将接入的AC 6 600 V高压岸电降为AC 440 V，以连接原船电网，见图1。如原船为AC 6 600 V高压电力系统的，则其不需要额外的降压变压器，见图2。

图1 AC 440 V高压岸电改造电力系统示意图

图2 AC 6 600 V高压岸电改造电力系统示意图

高压岸电使用时，分为断电连接岸电和并网连接岸电。在短时并联运行情况下进行负载安全转移时，因为存在短时联网运行的过程，在并联期间，船舶发电机和岸电的总容量有可能引起系统智路电流大于原船电力系统最大短路电流的情况。因此，需要计算此种工况下的短路电流[3]，因短路电流计算涉及的公式较多，此处不再引用，具体计算可以参考《CCS钢制船舶建造规范2006》附录1中的计算公式。目前此类计算大多通过软件计算，如CCS船级社的COMPASS计算软件。利用计算软件取得短路电流计算结果后，根据系统中各计算点的短路电流值与断路器分断能力和接通能力进行匹配，核查改装后，原船断路器是否能满足要求，断路器性能参数与短路电流计算出的相关参数关系可参考如式（1）和式（2）：

式中：Ics为断路器的短路分断能力；Icm为断路器的短路接通能力；Iac为计算出的对称短路电流；Ip为计算出的最大短路电流峰值。

根据短路电流计算书及系统实际的选择性保护需求，对增加的高压岸电接入屏，高压岸电连接屏（包括左舷岸电连接屏、右舷岸电连接屏）及各主要断路器进行选型，以配合实现各级设备保护。

若原船为AC 440 V低压电力系统，还需要对选用的降压变压器容量进行计算。根据原船的电力负荷情况，确定靠泊港口期间需要的电力负荷，通过此负荷计算出所需要的变压器容量，计算公式为[4]

式中：P为船舶靠港期间各运行设备功率总和，kW；S1为变压器计算容量，kVA；K为负载系数，通常取系数为0.8；S为变压器选型容量，kVA；K1为变压器使用率。

在以上设备选型确定后，可以进行高压电缆的选择。设计时可将电缆外护套颜色选择为枣红色，以便于电缆区分。而在电缆截面积选定时，则需要考虑以下几方面：

1）使用高压岸电时，确定电缆流过的最大负载电流，以便通过电缆载流量选择电缆截面积，电缆最大负载电流可通过式（6）计算获得：

式中：In为三相负载电流值，A；cosφ为功率因素。

2）因高压岸电电缆需在机舱内穿行敷设至配电板，部分区域可能存在工作环境温度较高情况，因此，需要根据实际情况，考虑环境空气温度系数，不同环境空气温度下的温度修正系数见表1。

表1 不同环境空气温度下的温度修正系数表

3）对于电缆敷设路径较长的，需要通过电压降计算核查压降值，确保压降值满足规范要求，电压降可根据式（7）进行计算：

式中：∆U为交流3相3线制回路电压降，%；L为电缆长度，m；I为电流，A；U为额定电压，V；S为电缆截面积，mm2；R为电导率；K为导体温度系数，K=1.27。注意：在高压电缆在改造时，通常单独敷设且电缆根数不多，故在此类改装中高压电缆暂不考虑电缆敷设系数。

考虑到保护装置的动作特性与电缆的保护协调，还需要核查断路器的整定电流值，电缆截流量及负载额定电流，三者间的关系如下：Ic＞In；Ic＞Is；Is＞In。其中，Is为断路器的整定电流值；Ic为电缆载流量；In为负载额定电流值。

最后，进行设备布置设计时，需要特别注意设备安装空间、设备使用便利性、船厂施工难度、改装成本等因素，综合考虑后选择合适的位置用于布置。而电缆路径设计时，也需要注意相关工艺及规范的要求。例如，高压电缆需要单独敷设并与其它控制及信号电缆保持300 mm以上的间距、高压电缆在机舱内敷设时禁止穿过分油机室、高压电缆注意尽量远离原船的热管等。

3 船舶高压岸电改造实例

为更好介绍关于高压岸电的改造安装，本文选取某公司的14 000 TEU集装箱船作为工程实例，原船电站主要配置见表2，各工况负荷情况见表3。

表2 船舶电站主要配置

表3 原船各工况电力负荷情况（单位：kW）

从表3中可看出，该船在含有冷藏集装箱在港的工况下，其所需功率约9 540 kW。因此，如要在靠港期间停用所有发电机，则所接岸电要大于船舶靠港需求功率。因船东额外提供参数，此工况下功率参数最大值不大于5 000 kW，因此，本项目所接入岸电按5 MW考虑和设计。因原船为AC 6 600 V高压电力系统，其整体供电方案可以按如图3所示进行设计。

图3 高压岸电供电单线图

确定供电方案后，可以进行主回路断路器选型及电缆选用。断路器的选型及保护设定可以参考船舶设计手册中相关说明描述或通过配电厂家设计选定[5]，因篇幅有限，本文中暂不对此部分做详细说明，此处附上本船断路器选用型号及整定值相关参数供参考，详见表4。

表4 电力系统选择性保护方案

通过所需要接入岸电功率5 MW，可以进行岸电电流计算，见式（6），得出使用AC 6 600 V高压岸电时电流值约为437.4 A。按照电缆截流量数据表可知3X95规格电缆截流量为205 安培/根，因此，本船高压岸电电缆初步确定选择使用3X95电缆3根。

在对高压岸电系统的设备进行布置时，考虑到本船机舱棚A甲板两舷处有较多空间，便于安装电缆绞车以收放连岸电缆，同时，此处布置AMP连接屏，连接屏至机舱高压配电板的电缆也相对较短，有利于减少改装成本。因此，其布置方案见图4。（机舱棚A甲板左舷，右舷电缆绞车布置相同）。如原船为低压电力系统，需要舱内增加6 600 V/450 V降压变压器的情况，还需要特别注意变压器进舱方案，并对设备进舱衍生工程量进行评估。

图4 电缆绞车及AMP连接屏布置

4 结论

对于靠港期间对电能要求较大的船舶，通过码头的高压岸电供电替代船舶自身发电机供电，全船需要的电能通过码头提供，基本实现了废气污染的零排放，这是应对国际海事组织的硫排放限制和未来可能的碳、硝排放物限制的有效措施之一,因此，如何对现有船舶进行可靠有效的改装，使得大量的老旧船舶也能使用高压岸电系统，其意义重大。希望本文中提到的高压岸电的改装设计要点及其在工程实例的应用可以为后续类似的改装工程提供参考。