杜學(xué)鵬

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240;2.南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通226005)

南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司承接了中遠(yuǎn)集運(yùn)股份有限公司8艘13 360 TEU集裝箱船，詳細(xì)設(shè)計(jì)由日本川崎重工和南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司聯(lián)合完成，入ABS船級(jí)，掛香港旗。

該船為超大型集裝箱船，居住區(qū)在船中部，配置冷藏集裝箱插座1 008個(gè)，采用中壓配電系統(tǒng)并安裝了岸電接入系統(tǒng)(AMP)。需要在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、AMP系統(tǒng)型式與布置以及中壓電氣系統(tǒng)保護(hù)等方面進(jìn)行特別考慮和研究［1-3］。

1 配電系統(tǒng)

1.1 電制

該船采用AC6 600 V/60 Hz/3PH為主電源，低壓電源有AC440 V/60 Hz、AC220 V/60 Hz和DC24 V。

1.2 電源

該船配置5臺(tái)AC6 600 V、60 Hz、3 PH中壓發(fā)電機(jī)組，其中2臺(tái)較大的容量為3 000 kW，另外3臺(tái)較小的容量為2 500 kW。AC6 600 V電源直接供電給2臺(tái)功率較大的艏、艉側(cè)推進(jìn)器馬達(dá)，同時(shí)通過(guò)8臺(tái)1 300 kVA、6 600/450 V配電變壓器變壓后向冷藏集裝箱插座供電，另通過(guò)2臺(tái)4 200 kVA、6 600/450 V配電變壓器變壓后向船內(nèi)其它設(shè)備正常供電。

配置了1臺(tái)AC450 V、60 Hz、3 PH的應(yīng)急發(fā)電機(jī)，額定功率為350 kW，供給船上應(yīng)急負(fù)荷。

該船另配置了岸電接入系統(tǒng)(AMP)，可直接從岸上接入AC6 600 V電源至船上的中壓配電盤(pán)，以盡量少開(kāi)船上的柴油發(fā)電機(jī)，減少排放、保護(hù)環(huán)境。

1.3 配電網(wǎng)絡(luò)

高壓主配電盤(pán)分2段母排，3臺(tái)2 500 kW容量的主發(fā)電機(jī)向1號(hào)主母排供電，2臺(tái)3 000 kW容量的主發(fā)電機(jī)向2號(hào)主母排供電。艏側(cè)推功率較大，達(dá)2 700 kW，從1號(hào)主母排供電;艉側(cè)推功率稍小，為1 070 kW，從2號(hào)主母排供電;普通低壓負(fù)荷和冷藏箱插座平均對(duì)稱從1、2號(hào)母排通過(guò)AC6 600/440 V變壓器供電。這樣，2個(gè)主母排上的負(fù)荷大致上與所供電的發(fā)電機(jī)容量成比例分配。岸電接入系統(tǒng)在舵機(jī)室設(shè)置1個(gè)AC6.6 kV接入屏，岸電通過(guò)此屏引至高壓主配電盤(pán)的2號(hào)主母排。2個(gè)高壓主母排間的連接真空開(kāi)關(guān)在正常供電時(shí)處于閉合狀態(tài)。

低壓主配電盤(pán)布置在機(jī)艙集控室，分2段母排，分別從中壓主配電盤(pán)的2個(gè)主母排供電，然后給船上普通低壓負(fù)荷供電。低壓主配電盤(pán)2個(gè)母排間的連接空氣開(kāi)關(guān)在正常供電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)某臺(tái)主變壓器發(fā)生故障時(shí)，此空氣開(kāi)關(guān)可閉合以保證重要設(shè)備的連續(xù)供電，提高電氣系統(tǒng)的冗余度。

另外，由于考慮駕駛室視野問(wèn)題，本船的居住區(qū)在船中部，與機(jī)艙相距較遠(yuǎn)，所以為機(jī)艙和居住區(qū)分別配置AC440/220的變壓器。

2 船舶岸電接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶岸電接入系統(tǒng)(alternative marine power supply，AMP)，用于船舶停靠港口時(shí)從岸上接入電源供船舶設(shè)備使用，避免使用船舶柴油發(fā)電機(jī)。

AMP系統(tǒng)的配置要基于港口電源的情況及當(dāng)?shù)卣囊?，多由船東提出要求后考慮。

AMP系統(tǒng)配置情況有多種選擇，根據(jù)電纜卷筒的位置不同，可分為shore-based和ship-based;根據(jù)固定方式，可以分為mobile、fixed和bargemounted type(僅針對(duì)shore-based);電壓等級(jí)不同也有區(qū)分，基本上是6.6 kV和450 V。

該船配置的是ship-based fixed type電纜卷筒，設(shè)置了2個(gè)電纜卷筒，分別布置在船舶艉部的左右舷，方便船舶無(wú)論是左舷靠岸還是右舷靠岸都能夠方便地接入岸電。根據(jù)船舶的吃水和電纜卷筒的布置位置高度，卷筒電纜選擇35 m。AC6 600 V電源通過(guò)電纜卷筒接至舵機(jī)室內(nèi)的中壓岸電屏，然后饋電至中壓主配電盤(pán)。岸電接入功率按5 400 kW考慮，相關(guān)的電纜和保護(hù)裝置據(jù)此選型。在舵機(jī)室內(nèi)分別為左右舷電纜卷筒配置控制屏，以電力控制卷筒電纜的收放。

AMP系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 AMP系統(tǒng)

3 中壓配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地保護(hù)設(shè)計(jì)

該船電力消耗巨大，出于對(duì)技術(shù)合理性和經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，采用AC6 600 V的中壓配電系統(tǒng)。由于電壓等級(jí)的提高，設(shè)備和人員安全問(wèn)題愈加突出，需要在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行特別的考慮。

傳統(tǒng)的船舶低壓電力系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地方式，即中性點(diǎn)絕緣。此種方式工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，發(fā)生單相故障時(shí)的供電可靠性也高。但當(dāng)一相接地時(shí)，非故障相的對(duì)地電壓升高，以及發(fā)生弧光接地時(shí)也會(huì)造成電壓升高，這些過(guò)電壓會(huì)對(duì)設(shè)備的絕緣造成威脅，在中高壓配電系統(tǒng)中很少采用。該船采用高阻抗接地方式，基本原理見(jiàn)圖2。

這種接地方式在兩各主母排上分別設(shè)置接地變壓器，通過(guò)接地變壓器二次側(cè)電阻檢測(cè)出接地電流。單相接地故障時(shí)的接地電流可以通過(guò)ET二次測(cè)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以獲得選擇性保護(hù)，切斷故障回路。各饋電回路設(shè)置接地方向繼電器，防止因各回路對(duì)地電容電流引起繼電器誤動(dòng)作。此種方式在保持供電連續(xù)性的同時(shí)，可以在一定程度上抑制單相接地故障時(shí)的異常電壓。

圖2 高電阻接地方式

4 冷藏集裝箱插座、貨艙風(fēng)機(jī)及貨艙區(qū)域照明的供電網(wǎng)絡(luò)

4.1 冷藏集裝箱插座供電網(wǎng)絡(luò)

該船共配置了1 008個(gè)冷藏集裝箱插座，分布從2號(hào)貨艙到10號(hào)貨艙(共10個(gè)貨艙)，均布置在甲板上。插座數(shù)量多、分布廣，如何合理設(shè)計(jì)其供電網(wǎng)絡(luò)和布置，直接影響到供電的連續(xù)性和船廠的經(jīng)濟(jì)成本。

由于冷藏集裝箱插座數(shù)量多、電力消耗巨大，為其設(shè)計(jì)單獨(dú)的配電網(wǎng)絡(luò)。為降低單個(gè)回路故障時(shí)的影響范圍及考慮配電電纜的成本，該船采用分區(qū)域多輻射回路供電網(wǎng)絡(luò)。從中壓主配電盤(pán)引出8路電源通過(guò)AC6 600/450 V、1 300 kVA變壓器供給8個(gè)冷藏箱饋電屏，左右舷各4個(gè)，對(duì)稱布置。從8個(gè)冷藏箱饋電屏在配電給若干個(gè)冷藏箱分配電板，這些分配電板也是左右舷對(duì)稱布置，各自覆蓋一定區(qū)域。同時(shí)每個(gè)饋電屏和分配電板均是雙母排供電，在單一故障情況下，可避免某局部區(qū)域的冷藏集裝箱全部失電。配電網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 冷藏集裝箱插座配電網(wǎng)絡(luò)

4.2 貨艙風(fēng)機(jī)及貨艙區(qū)域照明的供電網(wǎng)絡(luò)

該船共有10個(gè)貨艙，每個(gè)貨艙大約有2～4個(gè)風(fēng)機(jī)。如果單獨(dú)為每個(gè)風(fēng)機(jī)供電的話，配電電纜的數(shù)量將會(huì)很多，施工量大且成本較高。故設(shè)計(jì)時(shí)將貨艙風(fēng)機(jī)的供電分成2組，居住區(qū)前面的4個(gè)貨艙組成1組，從居住區(qū)內(nèi)送出1路總電源至4號(hào)貨艙處組合啟動(dòng)器。一方面給4號(hào)貨艙的風(fēng)機(jī)供電;另一方面配電至3號(hào)貨艙的組合啟動(dòng)器，依次類(lèi)推，逐級(jí)配電，直至1號(hào)貨艙的風(fēng)機(jī)。另外6個(gè)貨艙組成1組，從機(jī)艙內(nèi)的配電盤(pán)送出1路總電源至9號(hào)貨艙處組合啟動(dòng)器，一方面給9號(hào)貨艙的風(fēng)機(jī)供電;另一方面配電至8號(hào)和10號(hào)貨艙的組合啟動(dòng)器，8號(hào)貨艙啟動(dòng)器再逐級(jí)配電，直至5號(hào)貨艙的風(fēng)機(jī)。為保證單一故障不影響某個(gè)貨艙完全失去通風(fēng)，每個(gè)組合啟動(dòng)器均設(shè)置2個(gè)主母排，分別給貨艙左右側(cè)的風(fēng)機(jī)供電。

關(guān)于貨艙內(nèi)和綁扎橋上照明配電，和貨艙風(fēng)機(jī)具有類(lèi)似的特點(diǎn)，故同樣設(shè)計(jì)兩組供電方式。考慮配電輻射的區(qū)域相同，該船將此用途的照明分配電板和上述的貨艙風(fēng)機(jī)組合啟動(dòng)器設(shè)計(jì)成一體式，減少了電氣屏的數(shù)量，便于布置和施工。

5 結(jié)論

該13 360 TEU集裝箱船由于電站容量龐大，采用了6 600 V中壓配電系統(tǒng)，由于電壓的升高，電氣安全方面需要特別考慮，采用高阻抗接地方式，既能保證供電連續(xù)性，又能在一定程度上抑制單相接地故障時(shí)的異常電壓。針對(duì)龐大的配電網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即兼顧配電安全和穩(wěn)定性，又可最大程度地降低造船成本。該船的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖紙得到ABS船級(jí)社和船東的認(rèn)可，順利進(jìn)入生產(chǎn)建造階段。

大型集裝箱船由于具有規(guī)模優(yōu)勢(shì)，能夠降低單箱運(yùn)營(yíng)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，受到越來(lái)越多的船東的青睞。此次設(shè)計(jì)過(guò)程中積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)可為今后設(shè)計(jì)同類(lèi)型船舶或具有類(lèi)似特點(diǎn)的船舶提供參考。

［1］彭傳圣.靠港集裝箱船岸電技術(shù)的應(yīng)用［J］.集裝箱化，2011(8):21-24.

［2］周振南.船舶連接岸電系統(tǒng)簡(jiǎn)介［J］.船舶設(shè)計(jì)通訊，2007(2):64-66.

［3］王 鵬.船舶中壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式研究［J］.船舶，2007(3):49-54.