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1、船舶高压岸电系统组成及相关短路研究港口科技船黧曦撰文陈梦陈钢王利鹃国际海事组织IMO海洋环境委员会MEPC58在2008年10月提出一系列船舶减排目标,标准和计划.体现了IMO对环境保护的关注.为了保护港13环境.对靠港船舶.欧盟和美国部分州已制定针对低硫燃油等的相关规定:同时为了减少靠港船舶的废气排放对港口的污染.国际电工协会IEC结合欧盟相关标准近期提出了靠港船舶接岸电的标准供参考.一,岸电系统发展概述1.产生背景对于最常见的三大主力船型.散货船和油船在停泊时功率约500kW.靠港装卸货时根据船舶载重量需要的功率可能较大.集装箱船根据装箱数量和冷藏箱的数量.可能需要更多的电力.但是船舶的电
2、站配置主要考虑航行工况,靠港和装卸货时的发电机负荷率很低.不仅造成了较大的资源浪费.同时对港口城市的环境也造成了极大的污染.船舶虽然大多配有岸电箱.但是配置容量一般在250A左右.仅能满足进坞维修或停泊时照明通信和日常生活设施等用电.另外.欧盟法令2o05/33/EC修正的欧盟法令1999/32/EC的4b章Directive2005/33/ECArticle4b要求”自2010年1月1Et起,在欧盟港口停泊(包括锚泊,系浮筒,码头靠泊)超过2小时的船舶不得使用硫含量超过0.1%m/m的燃油(该要求不适用于停转换为低硫燃油(硫含量不超过0.1%m/m),船舶开航前尽量晚切换成高硫燃油:燃油转换
3、操作应记录在船舶日志上”首先低硫燃油价格非常昂贵,为满足低硫燃油的需要还要对船舶进行相应的改造,如:对锅炉,柴油机的燃油转换装置,供油系统,燃烧装置,监控和显示系统进行改造;油柜,燃油泵的改造等等.其次,需要进行文件资料配备和更新,设备和系统进行维护保养以及对人员进行培训.最后还要进行相关的船级社送审,检验,审核和发证.除欧盟以外.美国加利福尼亚也要求自2012年1月1日起对距1Jn)Vl岸线24NM内水域不得使用硫含量超过0.1%m/m的燃油.所以.综合考虑.船舶靠港使用岸电对于航运公司,港口,还是对于人类环境都是有利的事情,船舶靠港使用岸电渐渐变成趋势.2.船舶高压岸电系统的引出实际上最近
4、几年.已经有一些港口进行了岸电改造.部分配电厂商也推出岸电装置.典型的如美国洛杉矶港就可以提供440V60Hz低压岸电和6.6kV60Hz高压岸电.当船舶需要靠港时只需提供本船的电制.港口工作人员即会把相应的供电电缆和供电连接装置整体吊装到船上.与船上预留好的岸电接口相连即可Et本某着名配电产品生产商在几年前就推出了集装箱型式的AMP产品下表主要介绍已经使用过的几种岸电供电方式.当然前提掉所有机器而使用岸电的船舶);船舶靠泊后应尽早是船舶需要在甲板上预留岸电的连接装置.岸电供电方式实现方法主要优点主要缺点车载岸电供电供电装置把岸电转换成船上需要的电制.在不需要对岸上电网进行改造.(1)占用港口
5、区域,影响港口作业.船舶靠港时.该车行驶到船舶靠港处.同时电只需要配备车载变压变频装置.(2)如果船舶是低压电站,则电装置缆吊装到船上进行连接即可转换成岸电供电.改造方便,投资低.缆数量较多.安全因素低.集装箱式供电供电装置把岸电转换成船上需要的电制.在不需要对岸上电网进行改造.船舶靠港时.把集装箱吊装到船上.同时电缆只需要配备集装箱式变压变频装(1)船上甲板区域需预留足够空装置连接到船上即可转换成岸电供电.置.改造方便,投资低.间.港151提供和低压船舶电制相同的岸电.把低方便可靠.特别是国外港口.直(1)电缆数量较多.安全因素低.低压直接上船接准备连接电缆即可.国外已经(2)对国内港口还需
6、要在岸上配压电缆吊装到船上并连接至配电板.备专门的变压变频装置把岸电有实例.变成船舶电站电制.港口提供和中压船舶电制相同的岸电.把中连接方便,电缆数量较少.国外(1)港口需要投资配备多种电制中压直接上船岸电设施.压电缆吊装到船上并连接至配电板.已经有实例.(2)对低压船舶,电缆数量较多,安全因素低船舶配备变压.(.J)甩中压上船,连接方便,器.中压上船新建和改造船舶.在机舱配备变压器电缆数量较少增加造船和改造成本.(2)港口和船东分散投资._00|撼峨械辆警甓倦口献嵌通过比较可知.低压上船方案对靠港时需要容量不大的船如散货船,油船等较适合.而对于有冷藏箱的集装箱船几乎不可能实现:中压直接上船的
7、方案电缆数量较少,连接方便.特别是自身配有变压器的船舶.虽然增加了造船和船舶改造成本.但是避免了柴油发电机组长期低效率的运行.节省了燃油成本,降低了废气排放.另一方面此类船舶有更多的港口可供选择.综上考虑.船舶配备变压器对航运公司而言是值得的.3.船舶高压岸电系统的组成以连云港港口集团公司岸电装置和新造配有变压器的河北远洋180000t散货船为例为大家介绍船舶高压岸电系统的组成.船上部分llli|l.饕一一圈船舶商压岸电系统组成由上图可见.船舶高压岸电包括岸基部分和船上部分两部分.分别包括:岸基部分:变压变频装置,码头电源箱等;船上部分:中压开关柜,中压变压器,400V主配电板岸电开关屏等近期
8、.由中国船级社上海规范研究所,中国船级社上海分社设备检验处和中国船级社共同起草的船舶高压岸电系统检验原则(以下简称检验原则正在讨论中.二,船舶高压岸电系统短路研究众所周知.船舶电网的短路电流计算采用IEC61363标准.陆上电网的短路电流计算采用IEC60909标准但是当岸电和船舶柴油发动机组并联进行负荷转移时.即船舶不断电时靠港应采用IEC60909标准.因为IEC61363标准只能根据发电机参数和用电设备参数进行计算.连接岸电和并网连接时岸电馈送的短路电流无法计算,而IEC60909标准虽然利用陆上发电机替代船上发电机时的计算结果有偏差.但是可以计算连接岸电和并网连接时的短路电流.所以采用
9、IEC60909标准计算的短路尽管有偏差.还是可以作为短路电流的评估依据.岸电系统短路分析内容和主要事项为根据原则的短路评估,需要计算船舶仅连接岸电和并网连接时的短路电流.目的是要求新造船的主汇流排短路容量和开关设定值即要在船舶电网短路时满足,对于船上接通岸电的设备.断路器和接地开关的额定短路接通能力应不低于预期短路电流最大峰值IP.断路器额定短路分断能力应不低于最大预期短路电流lac(O.ST)要求.还应在仅连接岸电和并网连接时(船舶断电连接岸电时仅考虑连接岸电时短路电流)同时满足以上要求;改造船在仅连接岸电和并网连接时(船舶断电连接岸电时仅考虑连接岸电时短路电流)的短路电流不超过原船的主汇
10、流排短路容量和开关设定值.如果船舶的主汇流排短路容量和开关设定值不能满足要求.可以采用防止岸电与船舶电源并网运行等方法.这里主要介绍”限制高压岸电船载接入端短路电流”两个方法.一是限制接人的岸电电网的短路容量.间接限制短路电流.这样做也符合”船舶第一次到达某港VI.在接人岸电前,应对船舶连接岸电进行评估”.二是在岸电供电的中压变压器的原边设置保护.使得在接岸电过程中短路时.变压器原边的保护先动作.使电路电流不会传到船上电网或船上的短路电流在足够小时就被切除.所以保护时间要快于船上,这样就不会造成船上电网受到大的短路电流的冲击.第一种方法比较容易做到.但是如果岸电电网的容量大于根据短路电流反算的
11、电网容量最大值的话只能采用第二种方法,而第二种方法较难实现,所以在进行岸电短路电流评估时需要综合考虑.以达到各种方法的平衡为方便进行短路电流计算.这里不考虑变压变频装置对短路电流的影响.其他主要参数如下:电网短路容量15MVA,仅岸电供电和并网供电时等效电动机分别为400kW和800kW,并网时考虑一台发电机功率900kW.1500kVA和120kVA变压器的短路比分别为5.91%和3.5%.采用ETAP5.5.6对仅岸电连接时进行短路电流计算和分析结果如下表所示:表仅岸电连接时的短路电流计算结果港口科技短路计算结果原船短路计算结果序号短路点短路发生对称短路电流短路电流上包对称短路短路电流上岸
12、电进线原船装配后时间(kA】络线值(kA)电流(kA)包络线值(kA)开关型号开关型号1岸电端RM6SF6绝缘a岸电变压器原边1I,21.554.3开关柜2440V主配电板a岸电进线开关1I,221.8442.6MT25H1b发电机进线开关r,221.8442.636.887490.2782MT20H1120kVA主照明变压器C原边开关1y221.8442.636.8874.90.2782NS40OHNS400H440V主配电板440VN$250Hd负载开关21.8442.636.887490.2782NSI60HNS10IDHNSl0oNe230V配电板负载开关1I,25.429.O6.57
13、5510.479C65H配电保护设备选择(岸电供电模式采用IEC50909标准)对上图并网连接时进行短路电流计算和分析.结果如下表所示:表并网连接时的短路电流计算结果短路计算结果原船短路计算结果序号短路点短路发生对称短路电流短路电流上包对称短路短路电流上岸电进线原船装配后时间(kA)络线值(kA)电流(kA)包络线值(kA)开关型号开关型号l岸电端RM6SF6绝缘a岸电变压器原边I,2l_755.4开关柜l440V主配电板a岸电进线开关1y232.2365_3MT25Hlb发电机进线开关耽32.2365_336.887490.2782Mr2OHl120kVA主照明变压器C原边开关耽32.236
14、5-336.887490.2782NS4OOHNS400H440V主配电板440VN$250Hd负载开关T,232.2365.336.887490.2782NSl6oHf1O0HNS10oNe230V配电板负载开关T,25.619.46.575510,479C65H配电保护设备选择(岸电和一台发电机短时并联供电模式采用IEC50909标准)由上述2表的计算结果可以看出.无论在仅岸电供电还是在并网连接岸电.对称短路电流和峰值短路电流均小于船舶电站提供的短路电流的最大值,满足检验原则的要求.根据检验原则,船舶停靠码头准备使用码头岸电电源之前.必须确认码头岸电电源设备是否满足如下要求.只有满足下述两条中的一条才可以使用岸电:1.岸电供电短路容量不大于15MVA:2.或在岸电变压器原边设置断路器.并且断路器额定分段能力不低于1.75KA.额定接通能力不低于5.4KA.瞬动整定值不大于1.55KA.为满足检验原则,根据”岸电短路评估”计算结果.在岸电高压进线端设置了施耐德RM6SF6绝缘紧凑性开关柜(0功能),开关柜内设有接地开关,接地故障保护和报警等装置.开关柜中装有交流高压限流熔断器.用于岸电高压进线端的短路保护.在变频装置中设有综合保护测控装置.具有欠电压,过电压,过载保护等功能.(作者单位:上海交通大学连云港港口集团有限公司沪东中华造船集团有限公司)