胡國(guó)昭，周 興，耿 鵬

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LNG發(fā)電船供電聯(lián)鎖系統(tǒng)的研究

胡國(guó)昭，周 興，耿 鵬

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

針對(duì)港口日趨嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)，本文介紹了一種新型移動(dòng)式岸電系統(tǒng)—發(fā)電船，探討了發(fā)電船設(shè)計(jì)中的主要問題，重點(diǎn)對(duì)發(fā)電船供電主回路、聯(lián)鎖與應(yīng)急控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，給出了LNG發(fā)電船電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例，為解決港口城市大氣污染問題提供了新的技術(shù)途徑。

發(fā)電船 主回路 接地 安全聯(lián)鎖

0 引言

船舶在靠港期間多采用重油發(fā)電，靠港船舶排放的污染物已成為沿海港口城市污染治理的重要組成部分。在日益嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)下，港口岸電技術(shù)已成為解決港口大氣污染的重要措施之一，并在國(guó)內(nèi)外港口得到實(shí)際應(yīng)用。然而在一些已建成港口的基礎(chǔ)上新建或擴(kuò)建岸電設(shè)施存在成本高、施工難等諸多制約因素。因此，參考現(xiàn)有陸上岸電技術(shù)，一種基于發(fā)電船的新型移動(dòng)岸電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，這為港口岸電的應(yīng)用提供了新的技術(shù)途徑。發(fā)電船可以以天然氣等清潔能源作為燃料組成船舶電網(wǎng)并對(duì)外供電，如圖1所示。

本文以LNG發(fā)電船為例，結(jié)合理論與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，針對(duì)發(fā)電船主回路、接地、聯(lián)鎖與應(yīng)急控制等主要問題開展研究，給出了設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)推廣發(fā)電船的應(yīng)用具有重要價(jià)值。

圖1 發(fā)電船電氣系統(tǒng)

1 LNG發(fā)電船主回路分析

1.1 LNG發(fā)電船供電電制的分析

目前，國(guó)外已有LNG發(fā)電船工程應(yīng)用的實(shí)例，發(fā)電船是船舶技術(shù)、工業(yè)發(fā)電技術(shù)、岸電技術(shù)的綜合。陸上岸電主要有低壓供電和高壓（1kV~15kV）供電兩種，高壓供電可用較少的電纜實(shí)現(xiàn)大容量供電，具有連接便捷化和操作自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，IEC也是按照高壓供電來編制IEC/ISO/IEEE80005-1規(guī)范的，因此本LNG發(fā)電船設(shè)計(jì)為高壓對(duì)外供電的方式。IEC/ISO/ IEEE80005 -1標(biāo)準(zhǔn)中列舉了一些典型船舶的額定供電電壓，主要有6.6 kV、11 kV，由中國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 155-2012中對(duì)岸電的額定供電電壓進(jìn)行明確規(guī)定，高壓岸電主要有6 kV、10kV兩種，因此為使LNG發(fā)電船具備滿足良好的供電兼容性，LNG發(fā)電船對(duì)外供電電壓需滿足6 kV(50 Hz)、6.6k V(60 Hz)、10 kV（50 Hz）、11 kV(60 Hz)四種電制。

1.2 LNG發(fā)電船接地方式研究

長(zhǎng)期以來，我國(guó)艦船多采用的低壓電網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)多為IT（三相三線絕緣）系統(tǒng)，IT系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠保障供電的連續(xù)性，當(dāng)電網(wǎng)的對(duì)地絕緣電阻滿足規(guī)范要求時(shí)，如果發(fā)生單相接地短路，由于電源中性點(diǎn)不接地，相線無法通過短路點(diǎn)與電源構(gòu)成回路，因此不會(huì)出現(xiàn)單相短路電流，三相用電設(shè)備的正常工作并未受到影響，仍可維持短時(shí)的運(yùn)行，這對(duì)提高艦船獨(dú)立電網(wǎng)的可靠性是非常有必要的。然而低壓電網(wǎng)已不能滿足發(fā)電船這種大容量船舶電網(wǎng)的需求，對(duì)于中高壓電網(wǎng)，特別是以電纜為主要配電線路的船舶電網(wǎng)，系統(tǒng)的對(duì)地分布電容不可忽視。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)故障電流通過系統(tǒng)對(duì)地電容形成回路，極易在短路點(diǎn)產(chǎn)生接地電弧并形成電弧接地過電壓，該電壓通常會(huì)達(dá)到系統(tǒng)額定電壓的3.5到5倍，給系統(tǒng)的絕緣設(shè)計(jì)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，中高壓配電區(qū)必須考慮中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式。

適用于高壓船舶或岸電電力系統(tǒng)的接地方式主要有經(jīng)消弧線圈接地、電阻接地兩種，這兩種接地方式均能有效降低故障電流，限制故障電弧，提高系統(tǒng)供電的可靠性。但對(duì)發(fā)電船而言，發(fā)電船供電受電對(duì)象在經(jīng)常變化，系統(tǒng)的分布電容也在變化，因此消弧線圈需要經(jīng)過頻繁的整定，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，并易與系統(tǒng)電容形成諧振過電壓，反而對(duì)設(shè)備形成危害。經(jīng)電阻接地的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)可以有效抑制間歇性電弧接地過電壓，適用于受電對(duì)象、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化較多的系統(tǒng)，因此經(jīng)電阻接地是發(fā)電船宜采用的接地方式。IEC/ISO/IEEE80005-1:2012也是將電阻接地作為岸電接地的指定方式，對(duì)于使用電力電子變頻電源的岸電供電系統(tǒng)，由于不存在中性點(diǎn)，可通過接地變壓器引出中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地。

1.3 LNG發(fā)電船供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)上述理論分析，結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，論文設(shè)計(jì)的LNG發(fā)電船電氣系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 LNG發(fā)電船電氣系統(tǒng)圖

本LNG發(fā)電船采用低壓發(fā)電、高壓供電的分級(jí)式母線結(jié)構(gòu)。由若干臺(tái)低壓LNG發(fā)電機(jī)組和一臺(tái)功率補(bǔ)償裝置并聯(lián)到一段低壓母線上，經(jīng)升壓變壓器升至高壓，構(gòu)成一個(gè)供電單元，采用變速發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同頻率下的供電需求，相比于使用電力電子變頻電源具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)對(duì)多個(gè)受電系統(tǒng)進(jìn)行供電時(shí)，通過斷開高壓配電區(qū)的母聯(lián)斷路器以實(shí)現(xiàn)各受電系統(tǒng)干擾隔離和故障隔離。高、低壓配電區(qū)之間的變壓器采用隔離變壓器，變壓器原、副邊采用獨(dú)立的繞組以實(shí)現(xiàn)高、低壓配電區(qū)隔離。隔離變壓器采用△/Y的聯(lián)結(jié)組別，原邊采用△接線方式可有效抑制3次諧波，副邊通過Y型繞組引出中性點(diǎn)并經(jīng)電阻接地。當(dāng)受電系統(tǒng)采用低壓配電系統(tǒng)時(shí)，在受電配電柜與主配電系統(tǒng)之間還應(yīng)增設(shè)降壓變壓器，受電變壓器的高壓側(cè)應(yīng)為Y連接，中性點(diǎn)也應(yīng)經(jīng)電阻接地。

2 LNG發(fā)電船供電聯(lián)鎖系統(tǒng)的研究

2.1 發(fā)電船供電聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能需求

系統(tǒng)保護(hù)是發(fā)電船供電系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)電船除需要配置繼電保護(hù)系統(tǒng)用于電氣保護(hù)外，還應(yīng)配置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，用于供電與受電系統(tǒng)電氣、控制、機(jī)械等方面的聯(lián)鎖控制和緊急控制，例如在接地刀閘處于閉合狀態(tài)、控制電路未建立、等電位連接電路未建立、通信未建立等情況下供電輸出斷路器不應(yīng)閉合。同時(shí)，在控制電路失效、等電位連接電路失效、連接電纜張力超標(biāo)、連接電纜或連接器斷線等緊急工況下，應(yīng)能通過手動(dòng)或自動(dòng)的緊急措施及時(shí)斷開供電連接系統(tǒng)。根據(jù)IEC/ISO/IEEE80005-1標(biāo)準(zhǔn)的要求，用于緊急控制的電路應(yīng)遵循故障安全的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并由硬線組成，該電路應(yīng)獨(dú)立于由可編程電子設(shè)備組成的電路。

2.2 發(fā)電船供電聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)上述功能需求分析，論文設(shè)計(jì)的發(fā)電船供電聯(lián)鎖系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)主要由供電側(cè)與受電側(cè)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、接線箱等組成。

監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要用于采集發(fā)電船與受電船各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，包括各設(shè)備是否運(yùn)行正常、供電與受電斷路器、接地刀閘的狀態(tài)等，用于供電系統(tǒng)與受電系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制。接線箱則用于發(fā)電船與受電船之間的主電纜、控制電纜以及通信線纜的連接。用于聯(lián)鎖和緊急控制的電路均通過控制電纜實(shí)現(xiàn)，并通過控制觸頭將發(fā)電船與受電船相連。

根據(jù)IEC 62613-2：2011標(biāo)準(zhǔn)可知：目前用于高壓岸電連接用的插頭主要有7.2 kV/350 A、12 kV/350 A、12 kV/500 A、單極7.2 kV/250 A四種規(guī)格，單個(gè)連接插頭內(nèi)的控制觸頭一般不超過3個(gè)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 連接插頭與插座示意圖

根據(jù)占用控制觸頭的個(gè)數(shù)，論文設(shè)計(jì)了3種安全聯(lián)鎖電路，如圖4所示。

圖中：1為供電側(cè)控制電源，2為供電側(cè)控制電源斷路器主觸點(diǎn)，3為供電側(cè)緊停控制觸點(diǎn)（自動(dòng)），4為供電側(cè)輸出斷路器欠壓脫口線圈，5為供電側(cè)安全電路線圈，6為供電側(cè)斷路器線圈，7為供電側(cè)緊停按鈕，8為供電側(cè)輸出斷路器，9為供電側(cè)接地刀閘，10為受電側(cè)緊停按鈕，11受電側(cè)緊?？刂朴|點(diǎn)（自動(dòng)），12為受電側(cè)接地刀閘，13為受電側(cè)斷路器，14為受電側(cè)斷路器線圈，15為為受電側(cè)安全電路線圈，16為受電側(cè)斷路器欠壓脫口線圈，17為受電側(cè)控制端電源斷路器輔助觸點(diǎn)，18為受電側(cè)控制電源，19為通信光纖，20為等電位連接控制設(shè)備，21為等電位連接控制線圈。

圖4 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)示意圖

上述三種電路原理相似，以供電側(cè)為例，發(fā)電船監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)通過匯集發(fā)電船各設(shè)備的狀態(tài)信息，當(dāng)發(fā)電船運(yùn)行正常時(shí)，通過控制觸點(diǎn)3閉合使線圈6得電，從而使供電側(cè)斷路器閉合對(duì)外供電。反之，當(dāng)供電側(cè)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)判斷發(fā)電船處于不不正常運(yùn)行狀態(tài)或故障時(shí)，控制觸點(diǎn)3斷開使供電斷路器斷開。緊停按鈕7、10可設(shè)置于發(fā)電船與受電對(duì)象的不同位置處，用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)急切斷功能。受電側(cè)的聯(lián)鎖控制原理與供電側(cè)類似，此處不在贅述。

對(duì)比上述三種電路可知，第1種和第2種安全聯(lián)鎖電路采用了3各個(gè)控制觸頭，因此采用單個(gè)連接插頭即可實(shí)現(xiàn)，而第3種安全聯(lián)鎖電路至少需要2個(gè)連接插頭才可實(shí)現(xiàn)供電側(cè)與受電側(cè)的聯(lián)鎖控制。

第1種安全聯(lián)鎖電路供電側(cè)的應(yīng)急控制只能斷開供電側(cè)的斷路器并閉合接地刀閘，這對(duì)于供電側(cè)與受電側(cè)存在并車或并聯(lián)供電的工況是不允許的，若單側(cè)緊停僅能控制本側(cè)的斷路器斷開并閉合接地刀閘，對(duì)方還有在網(wǎng)機(jī)組或電源相當(dāng)于電源對(duì)地短路，同時(shí)當(dāng)控制回路僅單側(cè)失電，亦不能及時(shí)控制對(duì)方斷路器斷開和接地刀閘閉合，亦存在故障擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)，這違背了故障安全的設(shè)計(jì)原則，因此第1種安全聯(lián)鎖電路對(duì)存在供電側(cè)與受電側(cè)并網(wǎng)運(yùn)行的工況是不適用的。

第2種安全聯(lián)鎖電路克服了第1種安全聯(lián)鎖電路的應(yīng)用局限性，提高供電的可靠性。從圖中分析可知，任意一側(cè)的緊停和其他安全控制信號(hào)均能及時(shí)斷開兩側(cè)的斷路器并合上接地刀閘，但兩側(cè)的控制電路有一條公共線，因此要求兩邊控制電采用相同的電制，在使用交流電源作為控制電源時(shí)，還要考慮兩者的相位差，因此推薦使用直流電源作為控制電源。

第3種安全聯(lián)鎖電路是對(duì)上述兩種電路的進(jìn)一步改進(jìn)，從圖中分析可知，任意一側(cè)的緊停和其他安全控制信號(hào)均能及時(shí)斷開兩側(cè)的斷路器并合上接地刀閘，同時(shí)雙方的控制回路獨(dú)立，可采用獨(dú)立的控制電源，當(dāng)控制回路有短路、過流或欠壓時(shí)，供電側(cè)或受電側(cè)控制電源斷路器斷開，兩側(cè)安全電路的線圈5和15和斷路器線圈6和16失電，供電側(cè)與受電側(cè)的斷路器瞬時(shí)跳閘，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急切斷功能，兩側(cè)接地開關(guān)閉合，實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖功能。第3種安全聯(lián)鎖電路功能全面，控制獨(dú)立，但此種安全聯(lián)鎖電路要求至少4個(gè)控制觸頭，因此至少采用2個(gè)連接插頭。

根據(jù)上述分析可知，三種電路均能實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)與受電側(cè)的安全聯(lián)鎖，可根據(jù)實(shí)際工況結(jié)合電路的特點(diǎn)選擇合適的電路應(yīng)用。

3 結(jié)束語

發(fā)電船為解決港口城市大氣污染治理、偏遠(yuǎn)島嶼供電提供了新的解決途徑，論文通過理論分析并結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種基于LNG發(fā)電機(jī)組的發(fā)電船解決方案，給出了發(fā)電船的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)比了3種不同安全聯(lián)鎖電路的應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)發(fā)電船的推廣具有重要價(jià)值。

[1] 張雷波, 徐海棟等. 國(guó)內(nèi)外岸電技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J]. 世界海運(yùn), 2015, 38(10): 13-16.

[2] 李曉光, 卜佩征等. 港口岸電安全聯(lián)鎖系統(tǒng)研究[J].港口科技, 2015, (04): 17-19.

[3] IEC/ISO/IEEE 80005-1: 2012, High VoltageShore Connection (HVSC) Systems — General requirements.

[4] IEC 62613-1: 2011, Plugs, socket-outlets and ship couplers for high –voltage shore connection system (HVSC-Systems)—Part 1: General requirements.

[5] IEC 62613-2:2011, Plugs, socket-outlets and ship couplers for high –voltage shore connection system (HVSC-Systems)—Part 2: Dimensional compatibility and interchangeability requirements for accessories to be used by various types of ships.

[6] JTS 155-2012, 碼頭船舶岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范.

Research on the Electrical System of LNG Power Generating Ship

Hu Guozhao, Zhou Xing, Geng Peng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U674.37

A

1003-4862（2018）06-0041-04

2017-12-22

胡國(guó)昭（1990-），男，助理工程師。研究方向：船舶電氣。Email：hgz_90@163.com