潘銀飛，李曉奎，周均怡，陳 偉，曹 峰

（上海江南長興造船有限責任公司，上海 202150）

0 引言

隨著國際海事組織（IMO）對船舶硫排放的限制日益嚴格，越來越多的港口開始重視環(huán)境保護，許多船舶在港靠泊期間將不再使用船上的發(fā)電機作為電源，取而代之的是使用港口碼頭提供的電源，以滿足港口的節(jié)能排放要求。集裝箱船、客滾船、郵輪等船舶在靠港期間對電源的需求量較大，高壓岸電系統(tǒng)改造較為迫切。因此，近期集裝箱船進行高壓岸電系統(tǒng)改造的工程不斷增多，其它船型靠港期間對用電負荷的需求也呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢。未來船舶與碼頭間使用高壓岸電的方案將會被越來越多地采用。

1 船舶高壓岸電系統(tǒng)簡介

普通的船舶岸電其電壓等級多為AC 440 V，而進行船舶岸電系統(tǒng)改造后使用的岸電電壓等級多為AC 6 600 V，在各船級社規(guī)范的定義中，高于1 kV的電壓即稱為高壓，因此，目前各船舶改造后使用的 6 600 V岸電系統(tǒng)可稱為高壓岸電系統(tǒng)（Alternative Marine Powered，AMP）[1]。

由于高壓岸電系統(tǒng)廠家設計以及改裝船舶自身電制的差異，高壓岸電系統(tǒng)構成可以有多種方案，但一般都包含插拔式快速接頭、高壓岸電電纜絞車、高壓岸電連接屏、高壓岸電接入屏、高壓岸電控制屏以及高壓電纜等部分，將港口岸電與船舶電網相連接[2]。

以上部件中，插拔式快速接頭與岸上插座為一組，可以在短時間內牢固連接，以達到碼頭快速作業(yè)要求。電纜絞車通常左右2舷各設1臺，主要用于收放到岸上的高壓電纜。高壓電纜敷設船上與高壓岸電連接屏相接，高壓電纜的可收放部分和固定部分通過電纜絞車集電環(huán)相連接。高壓岸電連接屏通常由左舷高壓岸連接屏、右舷高壓岸電連接屏以及高壓岸電配電屏組成，可以顯示電壓、電流、相序、頻率、功率等相關參數。高壓岸電接入屏通常位于主配電板上，用于接受高壓岸電連接屏輸入的岸電電源，以連接船舶電網。同樣的，高壓岸電接入屏也可以顯示電壓、電流等相關參數，用于監(jiān)測和保護系統(tǒng)正常運行。

對于高壓岸電裝置的安裝形式主要分為移動式和固定式。移動式安裝形式通常會將岸電連接屏、電纜絞車、變壓器等整合在一個可移動的集裝箱內，船舶只需敷設至主配電板的高壓電纜，同時提供移動式集裝箱位以供臨時擺放。對于固定式安裝形式，其電纜絞車、岸電連接屏、變壓器等都需要固定安裝在船舶上，船舶靠港后，只需通過絞車放下高壓電纜并與碼頭岸基供電裝置相連接便可。因此，船舶航運公司需要根據不同船型自身特點及需求進行考慮和設計。

2 船舶高壓岸電改造設計

船舶高壓岸電的改造重心在于原船電力系統(tǒng)的改造升級以及新設備的安裝工作，因此，高壓岸電具體的改造需要基于原船電力系統(tǒng)確定，如原船為AC 440 V低壓電力系統(tǒng)，則新裝船的高壓岸電系統(tǒng)需要配備降壓變壓器，將接入的AC 6 600 V高壓岸電降為AC 440 V，以連接原船電網，見圖1。如原船為AC 6 600 V高壓電力系統(tǒng)的，則其不需要額外的降壓變壓器，見圖2。

圖1 AC 440 V高壓岸電改造電力系統(tǒng)示意圖

圖2 AC 6 600 V高壓岸電改造電力系統(tǒng)示意圖

高壓岸電使用時，分為斷電連接岸電和并網連接岸電。在短時并聯(lián)運行情況下進行負載安全轉移時，因為存在短時聯(lián)網運行的過程，在并聯(lián)期間，船舶發(fā)電機和岸電的總容量有可能引起系統(tǒng)智路電流大于原船電力系統(tǒng)最大短路電流的情況。因此，需要計算此種工況下的短路電流[3]，因短路電流計算涉及的公式較多，此處不再引用，具體計算可以參考《CCS鋼制船舶建造規(guī)范2006》附錄1中的計算公式。目前此類計算大多通過軟件計算，如CCS船級社的COMPASS計算軟件。利用計算軟件取得短路電流計算結果后，根據系統(tǒng)中各計算點的短路電流值與斷路器分斷能力和接通能力進行匹配，核查改裝后，原船斷路器是否能滿足要求，斷路器性能參數與短路電流計算出的相關參數關系可參考如式（1）和式（2）：

式中：Ics為斷路器的短路分斷能力；Icm為斷路器的短路接通能力；Iac為計算出的對稱短路電流；Ip為計算出的最大短路電流峰值。

根據短路電流計算書及系統(tǒng)實際的選擇性保護需求，對增加的高壓岸電接入屏，高壓岸電連接屏（包括左舷岸電連接屏、右舷岸電連接屏）及各主要斷路器進行選型，以配合實現(xiàn)各級設備保護。

若原船為AC 440 V低壓電力系統(tǒng)，還需要對選用的降壓變壓器容量進行計算。根據原船的電力負荷情況，確定靠泊港口期間需要的電力負荷，通過此負荷計算出所需要的變壓器容量，計算公式為[4]

式中：P為船舶靠港期間各運行設備功率總和，kW；S1為變壓器計算容量，kVA；K為負載系數，通常取系數為0.8；S為變壓器選型容量，kVA；K1為變壓器使用率。

在以上設備選型確定后，可以進行高壓電纜的選擇。設計時可將電纜外護套顏色選擇為棗紅色，以便于電纜區(qū)分。而在電纜截面積選定時，則需要考慮以下幾方面：

1）使用高壓岸電時，確定電纜流過的最大負載電流，以便通過電纜載流量選擇電纜截面積，電纜最大負載電流可通過式（6）計算獲得：

式中：In為三相負載電流值，A；cosφ為功率因素。

2）因高壓岸電電纜需在機艙內穿行敷設至配電板，部分區(qū)域可能存在工作環(huán)境溫度較高情況，因此，需要根據實際情況，考慮環(huán)境空氣溫度系數，不同環(huán)境空氣溫度下的溫度修正系數見表1。

表1 不同環(huán)境空氣溫度下的溫度修正系數表

3）對于電纜敷設路徑較長的，需要通過電壓降計算核查壓降值，確保壓降值滿足規(guī)范要求，電壓降可根據式（7）進行計算：

式中：?U為交流3相3線制回路電壓降，%；L為電纜長度，m；I為電流，A；U為額定電壓，V；S為電纜截面積，mm2；R為電導率；K為導體溫度系數，K=1.27。注意：在高壓電纜在改造時，通常單獨敷設且電纜根數不多，故在此類改裝中高壓電纜暫不考慮電纜敷設系數。

考慮到保護裝置的動作特性與電纜的保護協(xié)調，還需要核查斷路器的整定電流值，電纜截流量及負載額定電流，三者間的關系如下：Ic＞In；Ic＞Is；Is＞In。其中，Is為斷路器的整定電流值；Ic為電纜載流量；In為負載額定電流值。

最后，進行設備布置設計時，需要特別注意設備安裝空間、設備使用便利性、船廠施工難度、改裝成本等因素，綜合考慮后選擇合適的位置用于布置。而電纜路徑設計時，也需要注意相關工藝及規(guī)范的要求。例如，高壓電纜需要單獨敷設并與其它控制及信號電纜保持300 mm以上的間距、高壓電纜在機艙內敷設時禁止穿過分油機室、高壓電纜注意盡量遠離原船的熱管等。

3 船舶高壓岸電改造實例

為更好介紹關于高壓岸電的改造安裝，本文選取某公司的14 000 TEU集裝箱船作為工程實例，原船電站主要配置見表2，各工況負荷情況見表3。

表2 船舶電站主要配置

表3 原船各工況電力負荷情況（單位：kW）

從表3中可看出，該船在含有冷藏集裝箱在港的工況下，其所需功率約9 540 kW。因此，如要在靠港期間停用所有發(fā)電機，則所接岸電要大于船舶靠港需求功率。因船東額外提供參數，此工況下功率參數最大值不大于5 000 kW，因此，本項目所接入岸電按5 MW考慮和設計。因原船為AC 6 600 V高壓電力系統(tǒng)，其整體供電方案可以按如圖3所示進行設計。

圖3 高壓岸電供電單線圖

確定供電方案后，可以進行主回路斷路器選型及電纜選用。斷路器的選型及保護設定可以參考船舶設計手冊中相關說明描述或通過配電廠家設計選定[5]，因篇幅有限，本文中暫不對此部分做詳細說明，此處附上本船斷路器選用型號及整定值相關參數供參考，詳見表4。

表4 電力系統(tǒng)選擇性保護方案

通過所需要接入岸電功率5 MW，可以進行岸電電流計算，見式（6），得出使用AC 6 600 V高壓岸電時電流值約為437.4 A。按照電纜截流量數據表可知3X95規(guī)格電纜截流量為205 安培/根，因此，本船高壓岸電電纜初步確定選擇使用3X95電纜3根。

在對高壓岸電系統(tǒng)的設備進行布置時，考慮到本船機艙棚A甲板兩舷處有較多空間，便于安裝電纜絞車以收放連岸電纜，同時，此處布置AMP連接屏，連接屏至機艙高壓配電板的電纜也相對較短，有利于減少改裝成本。因此，其布置方案見圖4。（機艙棚A甲板左舷，右舷電纜絞車布置相同）。如原船為低壓電力系統(tǒng)，需要艙內增加6 600 V/450 V降壓變壓器的情況，還需要特別注意變壓器進艙方案，并對設備進艙衍生工程量進行評估。

圖4 電纜絞車及AMP連接屏布置

4 結論

對于靠港期間對電能要求較大的船舶，通過碼頭的高壓岸電供電替代船舶自身發(fā)電機供電，全船需要的電能通過碼頭提供，基本實現(xiàn)了廢氣污染的零排放，這是應對國際海事組織的硫排放限制和未來可能的碳、硝排放物限制的有效措施之一,因此，如何對現(xiàn)有船舶進行可靠有效的改裝，使得大量的老舊船舶也能使用高壓岸電系統(tǒng)，其意義重大。希望本文中提到的高壓岸電的改裝設計要點及其在工程實例的應用可以為后續(xù)類似的改裝工程提供參考。