，，

(武漢理工大學(xué) a.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心；b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院；c.船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

江漢運(yùn)河自通航以來(lái)，50%以上過(guò)往船舶的始發(fā)港和目的港均在江漢運(yùn)河附近，并且船舶通航數(shù)量及貨運(yùn)量呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。當(dāng)前，過(guò)往江漢運(yùn)河的船舶大多采用柴油機(jī)為主動(dòng)力，航行過(guò)程中產(chǎn)生大量的廢氣和PM顆粒物[2]，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生油污水、生活污水以及噪聲，對(duì)運(yùn)河的水質(zhì)及周邊環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。

相比采用傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)船舶，岸基能源船舶由于無(wú)廢氣排放、機(jī)艙設(shè)備少，可大大減少船舶帶來(lái)的空氣污染、水污染和噪聲污染。在這方面，德國(guó)Steffi渡船通過(guò)在水面上方架設(shè)一根電線，船外殼與水接觸實(shí)現(xiàn)電流的回路來(lái)為輪渡提供驅(qū)動(dòng)電力[3-4]。這種方式會(huì)造成船體電化學(xué)腐蝕，降低船舶使用壽命。美國(guó)Canby渡輪采用三線制的輸電方式，通過(guò)三腳架結(jié)構(gòu)的受電裝置在架空輸電線上滑動(dòng)摩擦，將接觸線電能傳輸至渡輪[5]。該三腳架結(jié)構(gòu)的受電裝置無(wú)法跨越支柱上的接觸網(wǎng)支持裝置，只能在2根岸基支柱之間的架空接觸網(wǎng)段運(yùn)行，因而不能滿足岸基能源船舶長(zhǎng)距離航行的需求。針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)有方案采取在運(yùn)河上空架設(shè)接觸網(wǎng)、在運(yùn)河船舶上安裝2根集電桿的方式，通過(guò)集電桿壓在線網(wǎng)上，使集電頭直接與接觸導(dǎo)線摩擦，進(jìn)而從接觸網(wǎng)獲取驅(qū)動(dòng)電力[6-7]。該方案在工程化實(shí)施的過(guò)程中，存在以下不足：①運(yùn)河船舶的受電裝置采用硬質(zhì)集電桿設(shè)計(jì)，當(dāng)運(yùn)河船舶航行于水流波動(dòng)較大的水域時(shí)，集電桿的控制機(jī)構(gòu)存在因響應(yīng)不及時(shí)而導(dǎo)致集電頭脫線的問(wèn)題；②運(yùn)河船舶船端受電裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高；③運(yùn)河船舶啟動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)因負(fù)荷突變導(dǎo)致船舶電網(wǎng)電壓波動(dòng)，易損壞船舶用電設(shè)備。

針對(duì)上述不足，以一艘江漢運(yùn)河1 000 t級(jí)散貨船為研究對(duì)象，構(gòu)建基于岸基能源的江漢運(yùn)河船舶電力供給系統(tǒng)配置形式；設(shè)計(jì)岸基供電系統(tǒng)與受電連接系統(tǒng)，使船舶能夠可靠地接電；設(shè)計(jì)運(yùn)河船舶電力系統(tǒng)，為船舶穩(wěn)定航行提供保障。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由岸基供電系統(tǒng)、受電連接系統(tǒng)和船舶電力系統(tǒng)3個(gè)部分組成，見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成

1)岸基供電系統(tǒng)。主要由發(fā)電站、牽引變電所和岸基接觸網(wǎng)組成。其作用為將區(qū)域電能傳輸至接觸網(wǎng)供岸基能源船舶使用。

2)受電連接系統(tǒng)。主要由碳輪式集電裝置、柔性輸電線、受電線滑槽支架及快速接口與計(jì)費(fèi)裝置組成。其作用是將岸基接觸網(wǎng)的電傳輸至船舶電能管理系統(tǒng)。

3)船舶電力系統(tǒng)。主要由儲(chǔ)能式供電裝置、電能管理系統(tǒng)及電力負(fù)載等組成，其中儲(chǔ)能式供電裝置包括超級(jí)電容組和動(dòng)力電池組，作用是將來(lái)自岸基的電能以及船載儲(chǔ)能式供電裝置的電能經(jīng)過(guò)濾波、變壓、整流等處理，為運(yùn)河船舶提供穩(wěn)定的電壓和電流，并為船舶用電設(shè)備合理分配電能[8]。

2 岸基供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 接觸網(wǎng)架設(shè)方案設(shè)計(jì)

岸基供電接觸網(wǎng)的作用是為船舶提供正常航行所需要的電能。該接觸網(wǎng)主要由鋼支柱、腕臂、接觸懸掛等組成[9]，設(shè)計(jì)方案見圖2。

圖2 接觸網(wǎng)架設(shè)方案總體圖

采用鋼支柱承受接觸網(wǎng)的全部負(fù)荷并將其傳遞至陸地[10]。腕臂主要由堅(jiān)固的鋼質(zhì)圓管制成[11]。

接觸懸掛是安裝于支柱和定位裝置上的線索及其組成的結(jié)構(gòu)的總稱，由承力索、吊弦、吊桿、軌道外殼及接觸導(dǎo)線等組成，見圖3。其作用是將軌道外殼和接觸導(dǎo)線固定于腕臂并懸吊于運(yùn)河上空。

圖3 接觸懸掛示意

承力索、吊弦與吊桿為主要采用鋼材料制成的連接與承力件，作用是減少軌道外殼和接觸導(dǎo)線的馳度并將其固定于腕臂。其中吊桿采用“爪”形連接件設(shè)計(jì)，可避免對(duì)軌道外殼造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。

軌道式供電裝置由軌道外殼、接觸導(dǎo)線和絕緣材料組成，見圖4。軌道外殼由聚苯醚材料制成，具有強(qiáng)度高、電絕緣性好、密度低的特點(diǎn)。其作用為：①為在其內(nèi)部鋪設(shè)的接觸導(dǎo)線和集電裝置提供支撐；②減少接觸導(dǎo)線的馳度；③采用對(duì)稱式鋪設(shè)接觸導(dǎo)線設(shè)計(jì)，使集電裝置在接觸導(dǎo)線上取電時(shí)受力均勻；④便于集電裝置的拆卸。2根同極性的裸露接觸導(dǎo)線由純銅材料制成，鋪設(shè)于軌道外殼內(nèi)，作用是供碳輪式集電裝置滑動(dòng)取電；絕緣材料設(shè)置在接觸導(dǎo)線與鋼制外殼之間。軌道式供電裝置配合柔性受電連接裝置使用，使船舶能夠穩(wěn)定接電。

圖4 軌道式供電裝置組成

2.2 接觸網(wǎng)電壓等級(jí)選擇

2.2.1 接觸網(wǎng)負(fù)載分析

1)運(yùn)河運(yùn)行船舶總數(shù)量。由于江漢運(yùn)河兩端有船閘，運(yùn)河同時(shí)運(yùn)行的最多船舶數(shù)量為江漢運(yùn)河船閘滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)通過(guò)船閘的船舶數(shù)量。江漢運(yùn)河的主力船型為1 000 t級(jí)散貨船，船舶總長(zhǎng)為65 m、寬度為12.8 m。船舶在進(jìn)入或出運(yùn)河前，必須先通過(guò)運(yùn)河兩端的千噸級(jí)船閘(有效尺度為長(zhǎng)180 m、寬23 m)，船舶通過(guò)船閘所需時(shí)間為50 min(約0.83 h)。由船舶和船閘參數(shù)可知，單座千噸級(jí)船閘最多可同時(shí)容納2艘1 000 t級(jí)散貨船。以下按每次開閘進(jìn)入2艘1 000 t級(jí)散貨船計(jì)算。

當(dāng)?shù)谝慌瑥拇l駛出時(shí)，第二批船開始進(jìn)入船閘。船舶在正常航行時(shí)的安全船距Z為4～6倍船長(zhǎng)，取5倍船長(zhǎng)計(jì)算、即325 m。則第二批船通過(guò)船閘時(shí)，第一批船與第二批船之間的最小距離Smin為

Smin=Vt-2L-Z

(1)

式中：V為船舶航速，km/h；L為船舶總長(zhǎng)，m。

將表1中數(shù)據(jù)代入式(1)求得S為9 505 m，遠(yuǎn)大于安全船距的要求。所以，在運(yùn)河船閘持續(xù)運(yùn)行的情況下，長(zhǎng)度為67 km的運(yùn)河中最多同時(shí)存在7批14艘1 000 t級(jí)散貨船。

2)運(yùn)河船舶平均用電量。1 000 t級(jí)散貨船在江漢運(yùn)河上的通常航行速度為12 km/h左右，該航速下對(duì)應(yīng)的主機(jī)功率約為額定功率的60%、發(fā)電機(jī)的功率約為10 kW。單艘運(yùn)河船舶航速為12 km/h時(shí)，所需總功率為318.7 kW。

因此，接觸網(wǎng)的總負(fù)載即接觸網(wǎng)為14艘運(yùn)河船舶提供的總功率。

P=318.7 kW/艘×14艘=4 461.8 kW。

2.2.2 接觸網(wǎng)電壓等級(jí)選擇

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB50061-2010)《66 kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，線路電壓為3 kV以下、3～10 kV、35～66 kV的配電線路與通航河流的基本要求為：接觸線至常年最高通航水位最小垂直安全距離均為6 m，距離最高航行水位時(shí)的船舶上層建筑的最小垂直安全距離分別為1.0、1.5和2.0 m。江漢運(yùn)河橋梁的通航凈高為8.5 m，通航凈高大于接觸線安全距離6 m的要求?？蛰d的運(yùn)河船舶在穿過(guò)橋區(qū)時(shí)，凈空高度為6.6 m，其上層建筑至高處與接觸線的垂直距離約為1.9 m，滿足規(guī)程3～10 kV安全距離為1.5 m的要求。單向交流輸電線的功率P與電壓U、電流I的關(guān)系為

P=UIcosφ

(2)

式中：cosφ為功率因數(shù)，高壓供電線纜的功率因數(shù)取0.9。

由式(2)可求得與不同電壓對(duì)應(yīng)的電流值，見表1。

表1 接觸網(wǎng)電壓與電流信息

由表1可知，線路的電壓值越高，電流越小。當(dāng)接觸網(wǎng)電壓為6 kV時(shí)，電流為826 A，而根據(jù)國(guó)家鐵路局發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(TB/T 2809—2005)《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》規(guī)定，當(dāng)前銅及銅銀合金接觸線的最大載流量為800 A，故電壓等級(jí)為6 kV不滿足條件。當(dāng)接觸網(wǎng)電壓為7～10 kV時(shí)，電流為496～708 A。由于接觸導(dǎo)線的功率損失與電流的二次方呈正比關(guān)系，為了減少功率損失，電流選擇較小值。該選擇還有利于減小線纜的橫截面積和降低初期的投資成本。由于接觸網(wǎng)提供的總功率不變，當(dāng)電流選擇較小值時(shí)，電壓應(yīng)選擇較大值。綜上所述，接觸網(wǎng)電壓選擇10 kV，電流為496 A。

3 受電連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

受電連接系統(tǒng)由4個(gè)部分組成，見圖5。

圖5 受電連接系統(tǒng)

3.1 新型碳輪式集電裝置

新型碳輪式集電裝置的作用為將接觸網(wǎng)上的電能傳導(dǎo)至柔性輸電線船舶。該裝置主要由碳輪、碳輪軸承、中間軸、導(dǎo)線桿、以及拆卸導(dǎo)桿組成。該裝置與軌道式供電裝置裝配見圖6，組成見圖7。

圖6 集電裝置與軌道式供電裝置裝配示意

圖7 新型碳輪式集電裝置示意

其中碳輪的作用為將接觸線網(wǎng)的電流傳至柔性輸電線，同時(shí)承受柔性輸電線等的重力。該裝置具體工作過(guò)程為：岸基接觸網(wǎng)上的火線與零線分別與碳輪接觸，將電能通過(guò)碳輪傳導(dǎo)至碳輪軸承，再由碳輪軸承和中間軸將電能傳輸至導(dǎo)線桿內(nèi)的柔性輸電線。

3.2 柔性輸電線

新型碳輪式集電裝置和船舶之間采用柔性輸電線設(shè)計(jì)，作用是將碳輪式集電裝置傳來(lái)的電能傳輸至船舶。相比之前的岸基能源船舶設(shè)計(jì)方案中的硬質(zhì)集電桿[10]，柔性輸電線的優(yōu)點(diǎn)是受水位、水流波動(dòng)影響較小。此外，船舶與接觸網(wǎng)采用柔性連接可降低接觸線網(wǎng)對(duì)船舶的反作用力，從而減小船舶航行阻力，降低船舶能耗。

3.3 受電線滑槽支架

受電線滑槽支架主要由支架、滑塊及承力掛鉤組成，見圖8。其中支架設(shè)置于船舶頂層，可豎直方向調(diào)節(jié)高度，以適應(yīng)航道水位的變化。支架上部開設(shè)滑軌，滑軌上配有2個(gè)滑塊，每個(gè)滑塊上部配有承力掛鉤，2個(gè)承力掛鉤分別承載零線和火線的部分重力，以減少柔性線對(duì)軌道外殼的受力。2個(gè)滑塊之間用一根桿子連接，以使2根輸電線橫向保持一定距離。滑塊沿滑軌在船舶橫向水平移動(dòng)，以適應(yīng)船舶相對(duì)接觸網(wǎng)在船舶橫向的偏移。該裝置的作用主要有：①降低水位變化對(duì)柔性線及碳輪式集電裝置的影響；②降低船舶偏移過(guò)大對(duì)柔性線及碳輪式集電裝置的影響；③減小柔性輸電線對(duì)接觸網(wǎng)的作用力。

圖8 受電線滑槽支架組成

3.4 快速接口與計(jì)費(fèi)裝置

快速接口與計(jì)費(fèi)裝置的作用：①將受電連接系統(tǒng)的柔性輸電線傳來(lái)的電能接入船舶；②實(shí)現(xiàn)船舶使用接觸網(wǎng)供電量的度量與計(jì)費(fèi)；③實(shí)現(xiàn)運(yùn)河船舶快速地連接與斷開。該裝置主要由專用插頭與插卡式智能電表組成，其中智能電表由船體的卡槽固定，電表輸出端采用了類似于航空接口的專用插頭，其作用是便于該裝置與船舶快速連接和脫開，見圖9。具體工作過(guò)程為：電能通過(guò)柔性線進(jìn)入電表輸入端，然后通過(guò)電表輸出端至船舶配電箱。

圖9 快速接口與計(jì)費(fèi)裝置組成示意

如果岸基能源船舶通過(guò)不同的電費(fèi)計(jì)費(fèi)區(qū)域，即跨區(qū)域航行時(shí)，可在計(jì)費(fèi)裝置上加設(shè)北斗定位模塊，能夠?qū)Υ斑M(jìn)行精準(zhǔn)定位及監(jiān)控。將北斗定位模塊與智能電表結(jié)合能夠精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)在不同計(jì)費(fèi)航區(qū)的實(shí)時(shí)電量計(jì)費(fèi)和繳費(fèi)。

3.5 集電裝置的拆卸裝置

當(dāng)船舶出現(xiàn)故障或集電裝置出現(xiàn)故障時(shí)，為了不影響航線上其他船舶的正常航行，需要將集電裝置與接觸網(wǎng)脫離。針對(duì)新型碳輪式集電裝置設(shè)計(jì)一種拆卸桿。該拆卸桿頂部開設(shè)有六角螺栓孔，與拆卸導(dǎo)桿處的六角螺桿配合使用，見圖10。

圖10 拆卸桿與集電裝置配合

當(dāng)船舶或者接觸網(wǎng)故障時(shí)，通過(guò)使用拆卸桿將碳輪式集電裝置拆下，船舶依靠?jī)?chǔ)能式供電裝置繼續(xù)航行。此外，在拆卸桿頭部增加了“漏斗”型引導(dǎo)設(shè)計(jì)，便于工作人員安全及快速地進(jìn)行拆卸操作。

4 供電及電能管理設(shè)計(jì)

4.1 儲(chǔ)能式供電裝置

儲(chǔ)能式供電裝置由超級(jí)電容組和動(dòng)力電池組構(gòu)成。超級(jí)電容是通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件，具有超強(qiáng)的大電流放電能力和快速的充放電性能。岸基能源船舶在啟動(dòng)時(shí)需要較大的電流，如果直接從岸基電網(wǎng)供電，會(huì)出現(xiàn)因負(fù)荷突變導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)。如果采用超級(jí)電容供電，不僅可以提供啟動(dòng)所需要的大電流，而且還可以減緩船舶啟動(dòng)時(shí)負(fù)荷突變對(duì)電網(wǎng)的影響，增強(qiáng)船舶的制動(dòng)性能。而當(dāng)接觸網(wǎng)故障時(shí)，則需采用動(dòng)力電池組為岸基能源船舶提供動(dòng)力來(lái)源。

4.2 電能管理系統(tǒng)

電能管理系統(tǒng)是一個(gè)綜合性的運(yùn)河船舶管理系統(tǒng)，具有管理、監(jiān)測(cè)、控制與保護(hù)等功能[15]。其作用為：①對(duì)來(lái)自接觸網(wǎng)、船載儲(chǔ)能式供電裝置的電能進(jìn)行穩(wěn)壓等處理后，將處理過(guò)的電能分配至船舶用電設(shè)備；②對(duì)電能按照照明用電、動(dòng)力用電、空調(diào)用電及其他用電等分別計(jì)量，為船東的電能審計(jì)及節(jié)能提供依據(jù)；③合理調(diào)配負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行和有效節(jié)約電能。