蘆 寧， 胡建君， 陳迪秋

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化系統(tǒng)事業(yè)部， 上海 200135)

0 引 言

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖和環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)峻，綠色航運(yùn)和綠色港口相關(guān)技術(shù)得到越來(lái)越多的關(guān)注。與以往的低壓岸電相比，高壓岸電系統(tǒng)(HVSC)能在為船舶提供更多電量的同時(shí)使用更少的電纜。以集裝箱船為例，高壓岸電系統(tǒng)使用6.6 kV供電電壓，2根岸電電纜可為船舶提供7.5 MVA的岸電容量，足以滿足該集裝箱船靠港期間的電力需求。同時(shí)，由于在使用岸電時(shí)船舶所有副機(jī)都停止工作，能有效減少?gòu)U氣排放對(duì)港區(qū)環(huán)境的破壞。

隨著高壓岸電技術(shù)不斷成熟、設(shè)備逐步完善，在國(guó)家有關(guān)政策的支持下，越來(lái)越多的中大型船舶計(jì)劃安裝或加裝高壓岸電系統(tǒng)。在該背景下，上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所牽頭研制國(guó)內(nèi)首套適用于大型集裝箱船的高壓岸電系統(tǒng)，并將其加裝在某大型集裝箱船上。

本文主要介紹該系統(tǒng)各組成部分的主要功能和技術(shù)特點(diǎn)，并以洋山港接電測(cè)試為例，闡述其操作流程和注意事項(xiàng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓岸電系統(tǒng)是指供電電壓在1～15 kV的岸電系統(tǒng)，對(duì)于集裝箱船高壓岸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì),主要參考IEC/ISO/IEEE 80005-1及其附件四的相關(guān)內(nèi)容。

岸電系統(tǒng)可分為岸基供電系統(tǒng)和船載受電系統(tǒng)，其中：岸基供電系統(tǒng)通過(guò)變壓器和變頻裝置(若需要)等部件將岸上的電源轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電壓和頻率，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的插座將其提供給船舶使用；船載受電系統(tǒng)通過(guò)岸電高壓電纜和標(biāo)準(zhǔn)的插座將岸電連接至船舶配電系統(tǒng)。

集裝箱船的高壓岸電系統(tǒng)主要包括電纜管理系統(tǒng)、岸電連接屏、岸電變壓器(若需要)、岸電接入屏和岸電控制系統(tǒng)等，可按照安裝方式分為固定式和移動(dòng)式2種。在固定式安裝方式下，所有設(shè)備都安裝在甲板上或艙室內(nèi)(見圖1)；在移動(dòng)式安裝方式下，部分主要設(shè)備(如電纜管理系統(tǒng)、岸電連接屏和岸電變壓器等)集中安裝在一個(gè)集裝箱內(nèi)，當(dāng)船舶靠泊需使用岸電時(shí)，可臨時(shí)吊上船舶使用(見圖2)。本文主要對(duì)船端固定式高壓岸電系統(tǒng)進(jìn)行分析。

船舶岸電切換有全船斷電切換和自動(dòng)同步不斷電切換2種方式，其中：在全船斷電切換方式中，通過(guò)斷開船舶發(fā)電機(jī)供電，連接岸電，完成船電到岸電的切換，這種方式操作簡(jiǎn)單，但在切換過(guò)程中會(huì)影響船上用電設(shè)備的正常工作；在自動(dòng)同步不斷電切換方式中，自動(dòng)同步設(shè)備首先將船電與岸電同步，然后將負(fù)載轉(zhuǎn)移至岸電(靠港)或船電(離港)，轉(zhuǎn)換過(guò)程中船舶不斷電，不影響船上各用電設(shè)備的正常工作，這種方式會(huì)提高系統(tǒng)的復(fù)雜度。

應(yīng)用本文所述高壓岸電系統(tǒng)的目標(biāo)船為某大型集裝箱船，該船在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到高壓岸電系統(tǒng)的安裝需求，預(yù)留有電纜管理系統(tǒng)、岸電連接屏和岸電接入屏等設(shè)備的安裝空間。該船配備4臺(tái)高壓發(fā)電機(jī)組，電壓為6.6 kV/60 Hz，單臺(tái)發(fā)電機(jī)組的功率為3 800 kW。高壓岸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率為6 400 kW，足以滿足該船靠港時(shí)對(duì)用電功率的需求。由于該船的主配電板為高壓配電板，故不需要安裝變壓器。表1和表2為該系統(tǒng)的主要設(shè)備和參數(shù)。圖3為設(shè)計(jì)并應(yīng)用于該集裝箱船上的固定式高壓岸電系統(tǒng)的原理示意。

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備

2 岸電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 電纜管理系統(tǒng)

電纜管理系統(tǒng)起到連接船端和岸端供配電的作用，是實(shí)現(xiàn)電力傳輸?shù)闹匾O(shè)備[1]。電纜管理系統(tǒng)由電纜卷車(含集電器、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、卷盤、導(dǎo)纜架、液力傳動(dòng)裝置、 復(fù)合電纜和快速插頭等)及其控制系統(tǒng)組成。為適應(yīng)海洋環(huán)境，電纜卷筒、導(dǎo)纜架和控制箱等均采用316不銹鋼制造，并噴涂相應(yīng)的漆面防止銹蝕，整體防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP56。高壓電纜卷車主體結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖分別見圖4和圖5。

表2 岸電系統(tǒng)供電參數(shù)

圖3 船載固定式高壓岸電系統(tǒng)原理示意

設(shè)計(jì)的電纜管理系統(tǒng)應(yīng)具有電纜手動(dòng)和自動(dòng)收放、電纜恒張力控制、電纜剩余圈數(shù)報(bào)警和保護(hù)及應(yīng)急切斷等功能，以滿足安全性需求。

1) 電纜手動(dòng)和自動(dòng)收放功能。手動(dòng)操作模式為定速控制模式，實(shí)現(xiàn)電纜勻速收放；自動(dòng)操作模式為扭矩控制模式，根據(jù)張力的大小實(shí)現(xiàn)電纜自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2) 電纜恒張力控制。在使用過(guò)程中能自動(dòng)調(diào)節(jié)電纜的張緊度，無(wú)論何種因素導(dǎo)致船體高低位置發(fā)生變化，電纜的張力保持恒定，有效保護(hù)電纜。

3) 電纜剩余圈數(shù)報(bào)警和保護(hù)功能。當(dāng)電纜釋放過(guò)度，卷車上電纜的剩余圈數(shù)小于等于設(shè)定報(bào)警值時(shí)，電纜管理系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警；當(dāng)卷車上電纜的剩余圈數(shù)小于等于設(shè)置保護(hù)值時(shí)，電纜管理系統(tǒng)立即發(fā)出分閘指令。

4) 應(yīng)急切斷：在電纜管理系統(tǒng)操作處所設(shè)置應(yīng)急切斷裝置，用于在緊急情況下切斷岸基供電電源。

高壓岸電電纜采用特殊的電纜，每根電纜包含3根185 mm2動(dòng)力線、1根95 mm2接地線、6根2.5 mm2控制線纜和6根通信光纖。在選擇電纜長(zhǎng)度時(shí)，需充分考慮卷車所在的甲板層到碼頭岸電箱的高度和距離，并留有相應(yīng)的余量。

自主設(shè)計(jì)和制造的高壓岸電船用高壓插頭(見圖6)滿足IEC 62613-2的相關(guān)要求，最高電壓7.2 kV，最大電流350 A。

圖6 高壓岸電船用高壓插頭

2.2 岸電連接配電板

岸電連接配電板是金屬鎧裝的開關(guān)中置式高壓開關(guān)柜，用于連接兩舷的岸電電纜管理系統(tǒng)，向高壓主配電板供電。該裝置的設(shè)計(jì)符合IEC 62271—200的要求，具有岸電相序、電壓、電流和頻率等參數(shù)檢查功能，以及數(shù)字式繼電保護(hù)、船岸等電位連接保護(hù)、手動(dòng)應(yīng)急切斷和安全聯(lián)鎖等功能。岸電連接配電板設(shè)計(jì)為3屏，分別為左舷岸電連接屏、右舷岸電連接屏和岸電供電屏，圖7和圖8分別為岸電連接配電板單線圖和實(shí)物圖。

圖7 岸電連接配電板單線圖

圖8 岸電連接配電板實(shí)物圖

在岸電連接配電板中，左舷岸電連接屏的電氣原理和器件布局設(shè)計(jì)與右舷岸電連接屏相同，岸電連接屏上安裝有真空斷路器、繼電保護(hù)裝置、電壓互感器、電流互感器和接地開關(guān)等，面板上安裝有電壓表、電流表、頻率表、相序表、電度表、分合閘按鈕指示燈、蜂鳴器、消音按鈕、加熱指示、DC 110 V 電源指示、等電位故障指示、等電位故障復(fù)位按鈕、電流轉(zhuǎn)換開關(guān)、電壓/頻率轉(zhuǎn)換開關(guān)、帶電顯示裝置和緊急停止按鈕等。岸電連接屏面板布置圖見圖9。

2.3 岸電接入屏

岸電接入屏安裝在高壓主配電板上，也是金屬鎧裝的開關(guān)中置式高壓開關(guān)柜，用來(lái)將岸電電源接入主母排，具有岸電相序、電壓、電流、頻率及用電量等參數(shù)的檢查和測(cè)量功能，以及數(shù)字式繼電保護(hù)、安全聯(lián)鎖、斷電切換和手動(dòng)應(yīng)急切斷等功能。

圖9 岸電連接屏面板布置圖

岸電接入屏面板上安裝有電流表、電壓表、頻率表、相序表、電度表、分合閘開關(guān)、指示燈組和選擇開關(guān)等。屏體內(nèi)部安裝有電壓互感器、電流互感器、真空斷路器、繼電保護(hù)裝置和接地開關(guān)等。岸電接入屏單線圖見圖10。

由于岸電接入屏為實(shí)船預(yù)留加裝設(shè)計(jì)，因此需充分考慮諸多因素，包括：面板元器件的布置和設(shè)計(jì)風(fēng)格盡量與原船相契合以符合船員的使用習(xí)慣；重要器件的選型滿足船級(jí)社規(guī)范的要求并持有相應(yīng)證書；充分考慮安裝的適應(yīng)性和便利性、內(nèi)部元器件布置的靈活規(guī)范性，以便于安裝、維修和更換等。岸電接入屏面板布置圖見圖11。

岸電接入屏的保護(hù)功能包括過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)頻保護(hù)、欠頻保護(hù)、逆功保護(hù)和接地故障保護(hù)等。相關(guān)的保護(hù)策略和參數(shù)都是根據(jù)實(shí)船的相關(guān)應(yīng)用數(shù)據(jù)、參數(shù)和保護(hù)要求，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算和測(cè)試得到的。

按照設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的高壓岸電接入屏在外觀、結(jié)構(gòu)、功能和性能等方面均滿足實(shí)船應(yīng)用需求，使用效果良好。

2.4 高壓岸電控制系統(tǒng)

高壓岸電控制系統(tǒng)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓岸電應(yīng)用過(guò)程中的自動(dòng)控制和監(jiān)控，其核心硬件主要是可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)和數(shù)據(jù)采集處理模塊，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制算法，使系統(tǒng)具有以下功能。

1) 測(cè)量和指示船載發(fā)電機(jī)組及岸電電源的電壓、頻率和功率等狀態(tài)信息；

2) “一鍵靠港”和“一鍵離港”控制，自動(dòng)進(jìn)行船、岸電力系統(tǒng)并網(wǎng)和負(fù)載轉(zhuǎn)移；

3) 手動(dòng)進(jìn)行船、岸電力系統(tǒng)并網(wǎng)和負(fù)載轉(zhuǎn)移；

4) 手動(dòng)進(jìn)行船舶發(fā)電機(jī)組間的并網(wǎng)和負(fù)載轉(zhuǎn)移；

5) 指示岸電系統(tǒng)運(yùn)的行狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)；

6) 指示船舶發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)。

7) 手動(dòng)緊急切除岸電電源；

8) 船岸通信，滿足IEC/IEEE 80005-2的要求。

岸電控制系統(tǒng)控制器的核心是控制軟件，在軟件設(shè)計(jì)上按照功能劃分，采用模塊化設(shè)計(jì)方式，有利于軟件的需求分析、分工合作和后期集成測(cè)試等。高壓岸電控制系統(tǒng)軟件組成架構(gòu)見圖12。

岸電控制系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)船情況進(jìn)行安裝，若為新造船，一般安裝在主配點(diǎn)板內(nèi)。為滿足船舶加裝岸電系統(tǒng)的需求，提高控制系統(tǒng)安裝的通用性和靈活性，將岸電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為獨(dú)立控制柜形式。岸電控制屏面板上安裝有電壓、頻率等二次儀表，以及狀態(tài)指示和報(bào)警燈組、操作旋鈕和開關(guān)等，內(nèi)部安裝有電源、控制繼電器、變送器和PLC等器件。岸電控制屏面板布置圖見圖13。

3 高壓岸電系統(tǒng)實(shí)船供電試驗(yàn)

為檢驗(yàn)該高壓岸電系統(tǒng)在某大型集裝箱船上加裝的成功性，于2017年4月4日在洋山深水港冠東碼頭對(duì)該船進(jìn)行6.6 kV高壓岸電實(shí)船供電試驗(yàn)。試驗(yàn)中，岸電系統(tǒng)持續(xù)供電16 h，最大供電功率為1.5 MW。對(duì)于相關(guān)高壓岸電設(shè)備的實(shí)船安裝施工，可參考劉峰等[2]給出的方法。

3.1 高壓岸電系統(tǒng)的供電操作流程

該供電試驗(yàn)由上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所高壓岸電系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)人員與碼頭方岸電供電服務(wù)工程師共同完成。圖14為高壓岸電系統(tǒng)供電試驗(yàn)場(chǎng)景和試驗(yàn)記錄。由于是第一次在該碼頭進(jìn)行岸電試接工作，雙方就該船的高壓岸電系統(tǒng)和碼頭供電系統(tǒng)的基本情況進(jìn)行了初步溝通，在確定供電的電壓、頻率、船舶需求功率和安全回路等信息無(wú)誤之后，開始接電相關(guān)工作，具體步驟如下。

3.1.1 船電轉(zhuǎn)岸電

3.1.1.1 切換之前的檢查

檢查岸電連接屏中的VCB(Vacuum Circuit Breaker)是否均處于搖出狀態(tài)，接地開關(guān)是否可靠接地。配合碼頭工程師對(duì)安全回路進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)碼頭側(cè)開關(guān)位于搖出位置，接地開關(guān)可靠接地。

圖14 高壓岸電系統(tǒng)供電試驗(yàn)和場(chǎng)景試驗(yàn)記錄

3.1.1.2 岸電電纜插頭與岸端岸電箱連接

打開電纜卷車防護(hù)門，放下導(dǎo)纜架，用遙控器操作卷盤旋轉(zhuǎn)，慢慢放下電纜至岸上。待相關(guān)人員完成電纜插頭與插座箱的連接和電纜的固定之后，將控制模式切換為“自動(dòng)模式”。圖15為高壓岸電電纜連接場(chǎng)景。

圖15 高壓岸電電纜連接場(chǎng)景

3.1.1.3 緊急切斷測(cè)試

在供電之前，必須對(duì)岸電系統(tǒng)的緊急切斷功能進(jìn)行測(cè)試。船端技術(shù)人員配合岸端服務(wù)工程師分別按下位于電纜卷車、岸電連接屏、岸電接入屏和岸電控制系統(tǒng)等部位的緊急切斷按鈕，在岸端確認(rèn)緊急切斷有效之后，進(jìn)入下一階段。

3.1.1.4 岸端供電和檢查

將岸電供電側(cè)(左舷/右舷)對(duì)應(yīng)的接地開關(guān)斷開，并將開關(guān)置于工作位置，通知碼頭供電。在岸電連接屏上檢查岸電相序、電壓和頻率等參數(shù)的取值是否正確，若無(wú)問(wèn)題，操作開關(guān)合閘。圖16為岸電連接屏岸電參數(shù)顯示。

3.1.1.5 使用岸電

船電切換至岸電有斷電切換和不斷電切換2種模式，此次測(cè)試采用不斷電切換模式。不斷電切換模式又分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式2種，均通過(guò)岸電與船電同步并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。圖17為在岸電控制屏上切換岸電場(chǎng)景。

在操作之前先確認(rèn)當(dāng)前只有1臺(tái)發(fā)電機(jī)在工作，然后將主配電板上的發(fā)電機(jī)控制模式切換為手動(dòng)模式，并檢查岸電接入屏上“允許合閘”燈是否已點(diǎn)亮。

1) 在手動(dòng)模式下，岸電與發(fā)電機(jī)的同步過(guò)程基本上與2臺(tái)發(fā)電機(jī)組之間的手動(dòng)同步過(guò)程相同，但只有船舶發(fā)電機(jī)輸出頻率可調(diào)節(jié)，操作規(guī)則可參考船舶發(fā)電機(jī)組手動(dòng)同步操作規(guī)則。

2) 在自動(dòng)模式下，整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程可通過(guò)按下岸電控制系統(tǒng)上的按鍵完成。岸電管理系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行岸電與船電并網(wǎng)、負(fù)載轉(zhuǎn)移、發(fā)電機(jī)開關(guān)斷開和停機(jī)等一系列操作。岸電與船電并網(wǎng)和負(fù)載轉(zhuǎn)移的時(shí)間應(yīng)盡量短，系統(tǒng)參數(shù)可設(shè)置，若在到達(dá)規(guī)定時(shí)間之后仍未完成負(fù)載轉(zhuǎn)移，岸電控制系統(tǒng)將自動(dòng)切除岸電電源。

3.1.2 岸電轉(zhuǎn)船電

在由岸電切換至船電之前，確保船舶用電負(fù)荷少于1臺(tái)發(fā)電機(jī)組額定負(fù)荷的80%，并啟動(dòng)1臺(tái)發(fā)電機(jī)組。與船電轉(zhuǎn)岸電相同，“手動(dòng)模式”和”自動(dòng)模式”均完成同步測(cè)試；在負(fù)載轉(zhuǎn)移完成之后，切除岸電，轉(zhuǎn)為船用發(fā)電機(jī)供電，整個(gè)過(guò)程中船舶供電未中斷。隨后按照以下步驟完成岸電系統(tǒng)的復(fù)位工作:

1) 在得到岸電操作人員確認(rèn)的情況下，用急停按鈕斷開岸端VCB；

2) 岸電操作人員將岸電電纜插頭與岸電箱分離；

3) 遙控操作電纜卷車收回岸電電纜，待電纜完全收回之后，收回導(dǎo)纜架，并關(guān)閉防護(hù)門。

3.2 注意事項(xiàng)

在岸電測(cè)試過(guò)程中，需特別注意以下要點(diǎn):

1) 在連接岸電之前，必須做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，且在整個(gè)操作過(guò)程中需有2位專業(yè)人員相互監(jiān)督；

2) 船端負(fù)責(zé)人確保與岸端人員充分溝通，在保證船舶用電設(shè)備安全的前提下，在獲得輪機(jī)長(zhǎng)的確認(rèn)之后，方可轉(zhuǎn)換岸電；

3) 在采用岸電供電時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制船舶用電負(fù)荷，避免出現(xiàn)過(guò)載情況[3]，且有一臺(tái)發(fā)電機(jī)始終處于備用狀態(tài)；

4) 在采用岸電供電時(shí)，應(yīng)有人員值班，定時(shí)檢查甲板上和機(jī)艙內(nèi)的岸電設(shè)備，尤其重點(diǎn)檢查電纜卷車及其管理系統(tǒng)、電纜張力控制是否正常；

5) 在恢復(fù)船舶供電之后，仔細(xì)檢查高壓岸電設(shè)備，確保其恢復(fù)到相關(guān)狀態(tài)，并可供下次使用。

4 結(jié) 語(yǔ)

在高壓岸電系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試的16 h內(nèi)，有效節(jié)省燃油3.3 t，減少CO2、SOx和NOx等氣體排放10 t，減少了噪聲污染，達(dá)到了預(yù)期的效果。該高壓岸電系統(tǒng)的實(shí)船試驗(yàn)成功驗(yàn)證了系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性，顯著提高了經(jīng)濟(jì)效益，響應(yīng)了國(guó)家治理環(huán)境污染的目標(biāo)，對(duì)提高超大型集裝箱船關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化水平具有積極意義。