船载高压岸电系统的应用与设计要素分析

林富有

（大连中远海运重工有限公司，辽宁 大连 116113）

0 引言

随着全球经济的一体化发展与国际贸易的不断扩大，国际航运事业蒸蒸日上，全球船队数量不断增加，燃油消耗量不断增大，废气排放量不断增多[1]。船舶靠港作业期间使用岸电供电已经成为减少船舶污染排放的主要措施之一。目前，包括我国在内的全球大多数国家已普遍推广或强制要求船舶靠港使用岸电。船舶岸电系统是船舶在靠泊码头期间停止使用船舶发电机，将岸端电源输送至船上配电系统，供船舶生活用电、辅助机械、冷箱供电、装卸作业等使用。实现船舶靠泊码头期间船舶能够关闭船载发电机，减少废气排放，从而减少空气污染和噪声污染。目前新造船上，在相关规范指引下岸电系统设备逐渐纳入常备系统。国外某些大型集装箱船、客船、滚装船港口，已经强制要求靠泊船舶安装岸电系统，该系统在码头和该类船舶上已经成熟应用[2]。岸电系统的全面应用将是行业发展的必然趋势。

1 高压岸电系统概述

运输船需要在港口进行装货，卸货等作业，消耗功率大，因此需要采用高压岸电系统对船舶供电。除特种船外，世界上大多数国家的船舶使用三相交流6.6 kV/60 Hz、440 V/60 Hz、400 V/50 Hz等3种电制。当船舶电站主配电板电压为6.6 kV/60 Hz高压电时，岸端可提供相同6.6 kV电源实现岸-船连接；当船舶电站主配电板为440 V/60 Hz或400 V/50 Hz低压电时，在船端需要增加变压器将岸电调整为与船舶电站电制一致。各国岸电方案有一些差异，但是大体船用岸电系统是由岸端高压供电系统和船载高压岸电系统等2个部分组成。岸端高压供电系统中岸端电源为码头电源或市电电源见图1，经变压变频后调整为6.6 kV/60 Hz的高压电源，接入码头岸端配电柜，岸端配电柜输出多路岸电插座箱供船舶靠港使用。船载高压岸电系统中电缆管理系统岸电插头与岸电插座箱对接，电缆管理系统连接船载高压配电柜，实现岸电接入船舶。

图1 高压岸电系统示意图

如船舶电站主配电板使用高压电源，则船载高压配电板直接接入船舶电站；如船舶电站主配电板使用低压电源，则船载高压配电板经船载变压器降压后接入船舶电站。本文结合某大型纸浆运输船项目（简称“本项目”）高压岸电系统，船舶电站为440V/60 Hz低压系统，对其船载高压岸电系统应用与设计要素进行分析。

2 船载高压岸电系统组成

如图2所示，本项目船载高压岸电系统，主要由以下相关部件组成：电缆管理系统（电缆绞车、岸电电缆、岸电插头）、船载岸电配电柜、专用UPS、船载变压器、船舶电站岸电屏（集成于船舶电站）等。

图2 船载高压岸电系统框图

2.1 电缆管理系统

电缆管理系统是安装于船上，设计用于收放船岸电缆的系统，本项目设计使用岸电管理系统2套，安装在船舶主甲板的左右舷侧。当船舶在码头系泊时，可在任意一侧操作系统使电力电缆连接岸电电源与船舶电站。如图3和图4所示，电缆管理系统主要部件构成包含：船岸连接电缆、岸电插头、滚筒、导缆架、液力传动装置、液压泵站、驱动控制中心、齿轮旋转限位开关等。

图3 电缆管理系统（侧视图）

图4 电缆管理系统（俯视图）

2.1.1 船岸连接电缆

船岸连接电缆用作电力供电电源，信号控制（分闸控制线）和光纤通信。该电缆满足高温高腐蚀海洋环境要求，适用卷盘而特殊设计，导体采用多股线芯，拥有优异的柔性、耐张力等特点。如图5所示，对比常规船用电缆，船岸连接电缆结构更为复杂，增加了专用接地线芯，分闸控制线芯，光纤通信纤芯。主电绝缘外半导屏蔽层与接地线芯导通，发生故障时，故障电流能够进入接地线芯引出，提高系统的安全性能。根据《高压岸电连接系统》GB/T 30845.1—2014要求：船岸连接电缆需要使用分闸控制线，构成安全控制回路，当系统发生故障时，用来实现对船端或岸端主开关的分闸控制，进而确保操作人员的安全[3]。光纤可用于系统监测，视频监控及其他潜在通信要求等。本项目根据计算选用电缆规格为：电缆规格3×95+50E+4×2.5+6F0，电缆额定载流量250 A，满足船舶在码头作业期间需求。

图5 船岸连接电缆示意图

2.1.2 岸电插头

根据GB/T 30845.1—2014要求，岸电插头具备兼容性和互换性，其结构形式需严格按照标准制作[4]。本项目根据前期负荷计算码头工况计算需选用350 A档位岸电电源。如图6所示：按照GB/T 30845.2—2021标准，350 A岸电插头选用形式要求含主电源相极触头L1/L2/L3，分闸控制极触头P1/P2/P3，接地极触头E，共7处接插触头。光纤线芯不通过主触头连接，在接插件壳体外单独连接。高压岸电插头、插座系统需要完全遵循国际已有标准，与国内外现有岸电插头、插座匹配兼容。

图6 350 A 高压岸电接插件示意图

2.1.2 卷盘

卷盘用来存储电缆。卷盘的内径需要满足电缆最小弯曲半径要求，也能保证在卷盘转矩和电缆张力间获得最佳效果。外径的选择需要确保适应电缆的总长度。卷盘宽度的划分由电缆直径以及铺设方式决定。

2.1.3 导缆器

导缆器通过放下转臂为将电缆从卷盘引导到船舷外侧提供一个相对光滑的路径。转臂上并列排放了若干个托辊，这些托辊形成的导向的半径大于电缆的最小弯曲半径。导缆器转臂的放下和折收通过两侧液压油缸和1套液压动力站来实现。

2.1.4 集电器

集电器用于卷盘上的旋转电缆和机械上的固定电缆间的电力和数据传输。中压集电器用1×3条动力线和1条地线的连接到铜制集电环上，与之相对的，安装有多块碳刷随卷筒同步旋转，实现将来自卷筒电缆的电力传输到每一相铜制滑环上。每一相电力分别用1条动力电缆并联从滑环上接到卷筒端部的动力端子箱内。铜制滑环的相间和相地绝缘靠绝缘子和空气实现绝缘。接地滑环线（PE）必须用1根接地电缆连接到卷盘结构上，确保来自岸上的地线可靠接地到船体。低压集电器包括6个旋转铜制集电环，与之相对地安装有很多旋转碳刷。玻璃纤维绝缘子和空气将每相隔离。LV集电环用于控制电路。光纤（FO）耦合器是通过一条特殊螺旋中继光缆传输旋转光信号。其后置于控制滑环后。

2.1.5 绞车驱动机构

电缆绞车驱动部分由一个硬齿面减速器和变频电机组成。传动装置由交流鼠笼式变频电动机驱动。驱动控制系统具有柔软的驱动特性，并且可以根据收、放电缆工况输出不同的驱动扭矩；传动机构还具有可靠的防抱死制动特性，即使在驱动控制系统发生故障，船舶吃水不断上升情况下，电缆也能被安全地拽出卷盘绝不会对电缆产生不良应力。

2.1.6 绞车驱动控制系统

绞车驱动控制系统具有卷盘驱动控制和电缆管理等2种功能。本项目动力电缆绞车采用的是变频驱动控制技术，具有自动和手动等2种操作模式。在自动模式下，变频器运行于直接力矩控制模式，能分别对收电缆和“放电缆”这2种工况输出卷入电缆扭矩和“放出电缆”扭矩。当系统被切换到手动模式下，变频器进入速度控制模式。手动控制模式主要用于安装调试，船舶靠/离岸边和临时应急收放电缆。绞车驱动控制系统配备了1个具有IP56防护等级包含电缆绞车操作所需的电气开关设备的附件。这是一个具有4个功能的拖线式远程控制器作为操作接口。能便于船员在操作时在船舷边观察到电缆。控制柜门上的指示器灯提供反馈信号。电缆管理是在自动模式下，通过设定工作时间间隔，使系统能实现自动控制收/放电缆的功能，见图7。

图7 系统框架图

2.1.7 齿轮旋转限位开关

齿轮旋转限位开关分别用于卷满，倒数第2圈，最后1圈的监测，当到达指定对应检测点时在绞车本地控制中心发出对应声光报警提示操作人员进行对应的操作，同时报警信号传递至船上的高压配电板和监测报警系统，提醒船上相关人员对应处理。

2.2 船载高压配电板及专用UPS

本项目船载高压配电板含2路进线主开关实现从电缆管理系统接入高压电源，一路出线主开关实现将高压电源输出至船载岸电变压器，主开关均使用真空断路器。2个进线主开关通过选择开关实现连锁，每个主开关设置相序监测装置，保证岸电相序与船舶电站相序一致后才可接通；主开关面板设置多功能保护器，能够实时监控岸电管理系统主要参数，在监测到岸电管理系统故障时能够紧急关停系统。高压配电板控制回路使用专用UPS供电，可有效提高系统可靠性。

2.3 船载岸电变压器

岸电变压器安装用于岸电系统的输变电功能，将高压岸电转换为低压用电输入船舶主配电板上。变压器容量根据船舶在码头工况计算消耗功率得出。

2.4 船舶电站岸电连接屏

船舶主配电板岸电屏作为船舶电站的一部分，该岸电屏用于岸电接入船舶电站，其控制单元通过与主发电机控制单元的连锁控制，实现负荷在线转移，完成岸电供电。

3 高压岸电系统设计要素

3.1 岸电容量设计

岸基供电系统的容量应根据船舶靠港作业所需负荷决定。如表1所示，本项目预期使用负荷统计中，在装卸货工况和停泊工况下使用岸电供电，两者最大使用功率为1 500.5 kW，因此岸电容量对应选择使用2 000 kVA档位，相关船载高压岸电系统的电缆管理系统，船载高压配电板，船载变压器等均按此岸电容量开展对应选型和设计。

表1 某大型纸浆运输船预期使用负荷统计

3.2 船载高压岸电系统布置设计

电缆管理系统布置在露天甲板，2套分别布置在左右舷，这样可最大范围内方便接入港口岸电。

高压岸电配电板，岸电变压器布置在机舱上平台，根据中国船级社要求，高压电气设备的外壳防护等级均应与其安装场所相适应[5]。因此高压配电板、变压器等设备应集中布置在专用电气设备间。同时，应考虑靠近岸电管理系统，减少两者之间的高压电缆长度，降低电缆成本。

3.3 船载高压岸电系统应急切断设计

本项目在电缆管理系统本地，船载高压配电板，船舶电站均设计对高压压岸电系统的应急切断，提高系统安全，避免造成人员伤害。

3.3.1 电缆管理系统本地应急切断设计

电缆管理系统本地控制箱和手持操作盒安装应急停止按钮，当遇到突发状况时，可在本地绞车附件对整个系统进行急停操作，实现对本地卷盘电机电源开关，导缆架电机电源开关和高压配电板主开关同时分闸断电，岸电电源开关通过分闸控制线连锁控制对应分闸断电。

3.3.2 高压配电板应急切断设计

本项目高压配电板进线主开关通过分闸控制线与岸电电源开关连锁，触发分闸的信号含每个主开关多功能保护单元，含过载、短路控制回路故障，分闸命令信号；岸电管理系统本地分闸指令信号；绞车电缆最后一圈警告信号；高压配电板接地故障信号；高压配电板接地连锁信号；船舶电站应急停止命令信号等。任意信号均可同时触发高压配电板主开关和岸电主开关分闸断电。

3.3.3 船舶电站对高压岸电系统应急切断设计

本项目船舶电站低压配电板布置在集控室，在其岸电电源进线屏面板设置应急切断按钮，该信号连接至高压配电板，可直接切断高压配电板电源开关，并通过分闸控制线与岸电开关连锁。集控室监测报警系统能够实时监控高压岸电系统相关各项设备的运行状态和主要参数，操作人员可根据船舶运行状态判断并执行对高压岸电系统的应急切断操作。

4 结论

船舶靠港使用岸电供电有着巨大的环境效益，经济效益和社会效益。在船舶设计阶段对各项设计要素充分评估，能够进一步保证该系统的安全可靠运行。