周祎隆,夏駿,傅曉紅

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011)

為實(shí)現(xiàn)正確且快速地選擇中型集裝箱電壓等級,以某實(shí)船為例,從實(shí)際情況出發(fā),結(jié)合多種電壓等級的配電方案進(jìn)行全面的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析,論證出基于不同容量范圍所對應(yīng)的電壓等級選擇方案。

1 配電系統(tǒng)電壓等級選擇依據(jù)

對于船舶電力系統(tǒng),常選擇低壓AC 440V,AC 690 V或高壓AC 6600 V作為電力系統(tǒng)額定電壓[1-2]。在中型集裝箱的設(shè)計(jì)過程中,必須遵循入籍船級社的規(guī)范要求,根據(jù)實(shí)船電站容量、配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、配電設(shè)備布置空間和短路電流的大小,并參照所選擇的配電板、斷路器及保護(hù)裝置制造廠家的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù),在綜合考慮所有限制約束條件后,最終明確配電系統(tǒng)的電壓等級。

1.1 斷路器性能限制因素

決定配電系統(tǒng)在船上應(yīng)用的關(guān)鍵因素是預(yù)期流過相關(guān)電路的短路電流大小;用在配電系統(tǒng)中的斷路器的分?jǐn)嗄芰皖~定接通能力必須與預(yù)期的短路電流相適應(yīng)。

不同船級社對配電系統(tǒng)中用于短路保護(hù)的斷路器有不同的要求;中國船級社要求重要設(shè)備的有關(guān)電路的斷路器其額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰?Ics)不低于該斷路器安裝點(diǎn)的預(yù)期對稱短路電流(均方根值);而其他國外船級社則要求在配電板主匯流排由匯流排連接裝置(BUS-TIE SWITCH)分成兩部分的情況下,同意接受斷路器的極限分?jǐn)嗄芰?Icu)不低于該斷路器安裝點(diǎn)的預(yù)期對稱短路電流(均方根);此外,所有可能在短路情況下接通的斷路器或開關(guān)其額定接通能力(Icm)應(yīng)不低于其安裝點(diǎn)的預(yù)期短路電流的最大峰值。

在交流低壓配電系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的保護(hù)一般采用空氣斷路器(air circuit breaker,ACB),單臺(tái)發(fā)電機(jī)的額定工作電流和其出線端的預(yù)期短路電流大小,會(huì)受到空氣斷路器性能的限制。目前主流的船用斷路器制造商生產(chǎn)的空氣斷路器主要性能技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 各品牌空氣斷路器性能指標(biāo)

以施耐德品牌為例,空氣斷路器的最大框架電流為6 300 A,但實(shí)際使用時(shí)考慮到斷路器溫升以后會(huì)降低容量,空氣斷路器的最大保護(hù)整定值只能設(shè)置在5 700 A。對于AC 440 V的低壓配電系統(tǒng)而言,單臺(tái)發(fā)電機(jī)的最大輸出功率不能超過3 500 kW。

1.2 匯流排容量限制因素

為保證船舶配電系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行,SOLAS規(guī)范在Part D,Sec41,4中明確要求,如果船舶推進(jìn)必需依靠主電源時(shí),當(dāng)主發(fā)電機(jī)組的總裝機(jī)功率超過3 MW,則主匯流排應(yīng)至少分成2段,通常應(yīng)由可拆裝的連接件或其他認(rèn)可的裝置加以連接,并應(yīng)盡實(shí)際可能將各發(fā)電機(jī)組和其他雙套設(shè)備均等地連接在各分段上。

決定配電板匯流排容量除需要考慮系統(tǒng)預(yù)期的短路電流以外,還有匯流排連接斷路器或裝置允許的額定工作電流。對于大容量的低壓配電系統(tǒng)來說匯流排連接斷路器或裝置大多采用空氣斷路器。以施耐德公司制造的具有經(jīng)過完全型式認(rèn)可的MB301型船用低壓配電板為例,選擇單水平銅母排,考慮環(huán)境溫度為45℃的情況下,配電板的匯流排技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 施耐德單水平銅母排性能指標(biāo)

依據(jù)表2中數(shù)據(jù),如果考慮AC 440 V電力系統(tǒng),全船發(fā)電機(jī)組對稱安裝在匯流排左右屏上,總發(fā)電機(jī)組的最大輸出功率不要超過8 MW,并且要求在設(shè)計(jì)時(shí)盡量使得匯流排左右屏上負(fù)載均衡,以降低流過母聯(lián)斷路器和匯流排上不同分段的最大電流值。

當(dāng)電站總?cè)萘砍^8 MW,為滿足配電板電動(dòng)應(yīng)力和熱應(yīng)力的要求,可以設(shè)計(jì)雙母聯(lián)斷路器的雙水平銅母排。仍以施耐德公司的MB301型船用低壓配電板為例,選擇雙水平銅母排,考慮環(huán)境溫度為45℃的情況下,配電板的匯流排技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 施耐德雙水平銅母排性能指標(biāo)

依據(jù)表3中數(shù)據(jù),仍然考慮AC 440 V電力系統(tǒng),全船發(fā)電機(jī)組對稱安裝在匯流排左右屏上,總發(fā)電機(jī)組的最大輸出功率不要超過10 MW,并且要求將艏側(cè)推的聯(lián)絡(luò)開關(guān)調(diào)整至匯流排連接斷路器旁,在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際使用工況盡量使得匯流排左右屏上負(fù)載均衡,以降低流過母聯(lián)斷路器和匯流排上不同分段的最大電流值。

2 低壓配電系統(tǒng)容量極限

對于載運(yùn)800～1 000只冷藏集裝箱的6 000～7 000 TEU中型集裝箱船來說,通常采用4臺(tái)交流發(fā)電機(jī)組作為主電站,在滿足船用負(fù)荷使用且發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率不超過90%的情況下,船舶電站總功率可選擇為10 MW。

2.1 AC 440 V低壓配電系統(tǒng)

如果電力系統(tǒng)使用AC 440 V的電壓等級,其主匯流排預(yù)期交流短路對稱分量有效值估算如下。

(1)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,配電系統(tǒng)的預(yù)期短路電流達(dá)到100.2 kA,以此可預(yù)估預(yù)期短路電流最大峰值將達(dá)到300 kA左右,已經(jīng)接近各品牌空氣斷路器的額定接通能力的極限值。

以大連船舶重工集團(tuán)建造的6 600 TEU集裝箱為例,該船配置4臺(tái)AC450 V,2 500 kW發(fā)電機(jī)組,經(jīng)計(jì)算,4臺(tái)發(fā)電機(jī)出線端短路點(diǎn)對稱短路電流和峰值短路電流分別為94.2和272.4 kA,艏側(cè)推饋電端短路點(diǎn)對稱短路電流和峰值短路電流分別為112.3和328.3 kA,與估算結(jié)果基本一致。

2.2 AC 690 V低壓配電系統(tǒng)

如果電力系統(tǒng)使用AC 690 V的電壓等級,按照式(1)計(jì)算其主匯流排預(yù)期交流短路對稱分量有效值為65.4 kA。雖然發(fā)電機(jī)額定電流降低,主匯流排短路電流下降。但是受到空氣斷路器極限分?jǐn)嗄芰Φ南拗?空氣斷路器極限分?jǐn)嗄芰Σ怀^100 kA及額定接通能力不超過220 kA,在保證整個(gè)配電系統(tǒng)供電可靠性和安全性的前提下,整體電站容量增加并不突出?？紤]匯流排水平母排容量最大不超過7 300 A、電站選擇AC 690 V電制最大容量不超過14 MW。

目前國內(nèi)設(shè)計(jì)的多型電站容量在9～12 MW科考公務(wù)船,采用的是AC 690 V低壓配電系統(tǒng)。

3 高低壓配電系統(tǒng)比較

選擇AC 6 600 V高壓交流電力系統(tǒng)也是當(dāng)中型集裝箱船電站容量處于AC 440V電壓等級臨界值時(shí)的一種解決方案。高壓電力系統(tǒng)可以大大減小短路電流的水平,降低配電系統(tǒng)對斷路器及保護(hù)裝置分?jǐn)嗄芰Φ囊骩4]。而且短路電流的顯著降低,對斷路器短路耐受能力要求也相應(yīng)降低。為選擇更為合理的設(shè)計(jì)方案,必須從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性對AC 690 V和AC 6 600 V 2種電壓等級的系統(tǒng)進(jìn)行全面比較論證。

3.1 高低壓配電系統(tǒng)拓?fù)洳町?/h3>

以某型7 000 TEU“雙島”型集裝箱船為例,全船電站由4臺(tái)2 500 kW、4 009.5 A柴油發(fā)電機(jī)組組成,其艏側(cè)推電機(jī)功率為2 500 kW。此電站容量如果電力系統(tǒng)采用AC 690 V電壓等級,按照輻射型的690 V/440 V/220 V三級配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[5],具體電力單線見圖1。

圖1 交流690 V電力系統(tǒng)單線圖

若采用AC 6 600 V電壓等級,調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出電壓等級,其他按照輻射型的6 600 V/440 V/220 V三級配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過對比可知,高低壓配電系統(tǒng)差異主要有:①為減少至艏側(cè)推電機(jī)的電纜數(shù)量及其敷設(shè)工作量,在AC 690 V配電系統(tǒng)中使用了AC 690/6 600 V的升壓變壓器與艏側(cè)推起動(dòng)器連接;②為滿足高壓岸電的接入需求,在AC 690 V配電系統(tǒng)中使用了AC 6 600/690 V的降壓變壓器與主配電板岸電接入屏連接。兩種方案具體配電板控制屏、發(fā)電機(jī)組、變壓器、電源設(shè)備進(jìn)出線電纜配置和實(shí)際布置差異對比見表4～7。

表4 兩種配電系統(tǒng)配電板對比

表5 兩種配電系統(tǒng)變壓器對比

表6 兩種配電系統(tǒng)電纜對比

表7 高低壓配電系統(tǒng)布置差異 mm

3.2 高低壓配電系統(tǒng)重量和價(jià)格差異

根據(jù)表4～7高低配電系統(tǒng)設(shè)備配置的區(qū)別,對兩種電力系統(tǒng)在前期設(shè)計(jì)中尤為關(guān)注的設(shè)備重量和價(jià)格因素進(jìn)行比較分析,具體見表8、9。

表8 高低壓配電系統(tǒng)重量差異 t

表9 高低壓配電系統(tǒng)價(jià)格差異 萬元

結(jié)合表8～9可知,對于7 000 TEU集裝箱,選擇低壓AC 690 V配電系統(tǒng)初投資成本和設(shè)備尺寸重量比使用高壓AC 6 600 V配電系統(tǒng)都有所增加。從經(jīng)濟(jì)性和控制空船重量角度而言,并沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。所以,AC 690 V電壓等級并不適合當(dāng)電站容量達(dá)到或超過了低壓AC 440 V配電系統(tǒng)的限制時(shí)選擇使用。

4 結(jié)論

1)當(dāng)電站容量小于8 MW時(shí),選擇AC 440 V低壓配電系統(tǒng)、配電板選用單水平銅母排的成熟方案,即可滿足電力系統(tǒng)需求;當(dāng)電站容量接近10 MW時(shí),選擇AC 440 V低壓配電系統(tǒng)、配電板需選用雙水平銅母排的方案,并在前期設(shè)計(jì)過程中,需要重點(diǎn)關(guān)注對兩段匯流排進(jìn)行合理負(fù)荷分配以及艏側(cè)推接入?yún)R流排安裝點(diǎn)的選擇;當(dāng)電站容量大于10 MW時(shí),選擇AC 6 600 V高壓配電系統(tǒng)更為適宜,而且對于港口高壓岸電的接入使用也比低壓系統(tǒng)更為便利。

2)當(dāng)電站容量大于10 MW時(shí),如果仍想采用低壓配電系統(tǒng)達(dá)到經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo),則首先應(yīng)該采取措施降低系統(tǒng)預(yù)期產(chǎn)生的短路電流。在滿足船級社規(guī)范限制和船東實(shí)際使用要求,并保證不降低整個(gè)配電系統(tǒng)供電安全可靠性的前提下,今后的設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注采取系統(tǒng)控制比較復(fù)雜的分區(qū)供電形式對系統(tǒng)中并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)數(shù)量進(jìn)行限制。