船舶接用岸电技术研究

第27卷第3期2006年9月

上　海　海　事　大　学　学　报

JOURNAL OF SHANGHA IMAR I TI M E UN I V ERSI TY

Vol . 27　No . 3

Sep. 2006

文章编号:167229498(2006) 0320010205

船舶接用岸电技术研究

李学文, 孙可平

(上海海事大学基础教学部, 上海　200135)

摘　要:对上海港区和靠港船舶实施岸电技术情况进行调研和考察, 并对船舶接用岸电的主要技术

问题进行分析和计算. 结果表明:船舶接用岸电时, 岸电电制与船电电制要尽量一致; 船舶实施岸电技术的关键是对港区码头进行岸电技术改造, 船舶电力传输方式以低压供电为主; 上海港区船舶接用岸电后, 船舶污染物的排放量减少92%以上. 关键词:岸电技术; 电制; 供电电压

中图分类号:U653. 95　　　　　　文献标志码:A

On shore 2si de S UN Kep ing

on of Basic Courses, ShanghaiMariti m e Univ . , Shanghai 200135, China )

Abstract:The executing circu m stances f or shore po wer of Shanghai port including vessels in the port are investigated . Further analysis and calculati ons have been made t o the technical p r oble m s on electrical power and the vessels in ports . The results show that the electrical syste m s of quay and of vessel should p r obably keep the sa me way while vessels connecting shore po wer . The leading fact or t o use shore power is that the technical transfor mati on for quays should be made . Power trans m issi on by l ow voltage still takes advantages over others . Vessels in Shanghai port t o connect shore po wer can reduce vessel e m is 2si ons over 92%.

Key words:technol ogy of shore power; electrical syste m; power supp ly voltage

1000k m 以外的地区. 另据资料显示, 船舶使用发电

1　概　述

　　大型船舶特别是油船和集装箱船靠港时通常使用燃油制品(多为重油、柴油) 发电, 来满足船舶用电需求. 重油和柴油在燃烧过程中产生大量硫化物和氮氧化物, 对周边环境造成污染. 国际海事组织(I M O ) 数据表明:NO x 和S O x 是主要的污染物; 全球

机和柴油机产生的噪声也会对环境造成污染. 目前,

国际一些先进港口(主要以美国洛杉矶港为代表) 已经采用陆地的电源对靠港船舶供电, 这种对船舶供电的方式称为“岸电技术”. 国内港口岸电技术还处在研究起步阶段.

2004年上海港吞吐量为世界第二. 上海港很多

以柴油为动力的船舶每年向大气排放1000万t NO x , 850万t S O x ; 污染物通过气候作用可以传播至

收稿日期:2005209220; 修回日期:2006205216

基金项目:上海市重点学科建设项目(T0602) ; 上海市教委青年教师基金

港区都集中在市区, 到港船舶停靠港口产生污染与

中心城区环境保护的矛盾已经越来越突出. 随着国

作者简介:李学文(19702) , 男, 四川广元人, 讲师, 硕士, 研究方向为电磁兼容技术, (E 2mail ) xue wenli1@si m a . com

第3期李学文, 等:船舶接用岸电技术研究11

际航运中心的建设, 越来越多的船舶停靠在上海港. 岸电技术的研究、使用与推广, 不但是港口建设的发展方向, 而且对于保护港区、市区的环境, 建设清洁、宜人的上海国际航运中心, 无疑具有十分重要的意义.

船舶岸电指船舶靠港期间停止使用船舶发电机而改用岸电电源供电. 港区(码头) 的岸电通过船舶上备用岸电箱和连接电缆对船舶上的电气设备供电. 通常, 码头提供岸电的功率为靠港船舶上单台发电机的额定功率, 保证能满足船舶各种电气设备的用电需求.

为更直观地认识靠港船舶接用岸电, 现结合具体实例加以说明. 图1是船舶接用岸电的示意图. 从图1可知, 港区变电站先进行电能二次分配, 经降压变压器把高压20～100k V 降低至6～20kV; 在港区和码头之间, 降压后的电能输送通过敷设在电缆沟里的电缆完成. 在码头的岸电连接点设有插座箱, 连接电缆一侧接码头的插座箱, 另一侧接船舶的插座屏, 这样, 码头的岸电就可以输送至船上

.

采用三相四线制380V /50Hz 交流电制; 而靠港船舶来自不同国家, 船舶电制可能存在差异, 但多以三相三线制450V /60Hz 交流电制为主. 这势必会造成港区电制与船舶电制的不一致. 在这次考察中发现, 张华浜码头、外高桥集装箱码头还没有对靠港大型船舶提供岸电服务, 只是偶尔对内河的小型船舶提供照明岸电, 其中一个重要的原因是靠港船舶能否接用岸电受电制的影响较大.

(2) 船舶岸电的电力传输方式. 码头岸电采用何种供电电压对船舶提供岸电, 是直接供电, 还是需变频电源变频后供电, 这就涉及船舶岸电的电力传输方式. 船舶岸电的电力传输方式与码头供电电压、船舶岸电功率需求等因素有关.

目前, 以洛杉矶港100号码头为代表的岸电采用低压440V 供电. 对大型船舶而言, 船上各种电气设备对负荷需求较大, 若采用低压供电, 在输送功率, , 因此码头需要. 船舶靠港期间, 将会极大减少大气污染物的排

(船舶靠港放量. 船舶大气污染物的削减量与船型、

的) 艘次数、船舶副机型号及燃油(重油或轻油) 等因素有关.

实际上, 船舶在接用岸电的过程中, 除了上述主要技术问题, 还存在船舶岸电功率的确定、岸电连接点的选择、码头连接电缆的管理等问题. 这些问题涉及码头岸电技术改造成本, 本文不进行讨论.

图1　船舶接用岸电的示意图

2. 1　电制的选择

2. 1. 1　靠港船舶电制的选择方案

　　另外, 从电力系统对用户供电的角度考虑, 靠港

船舶接用岸电时, 船舶和港区(码头) 的变电站构成一个简单的电力系统; 若把港区的变电站用等值发电机模拟, 则船舶系统为负载(见图

2) .

靠港船舶接用岸电时, 首要考虑的技术问题是岸电电制与船电电制是否一致. 各个国家的船舶电制存在差异, 但基本上有两种交流电制:(1) AC 450V /60Hz; (2) AC 400V /50Hz . 相应地, 港区岸电的交流电制也分两种:(1) AC 380V /50Hz; (2) AC 450V /60Hz . 有的港区岸电系统经过技术改造, 可

图2　船舶接用岸电的等值机模型

以同时提供两种交流电制的岸电, 为靠港船舶接用岸电提供方便. 考虑到岸电和船电不同电制组合的情况, 给出船舶接用岸电的电制备选方案, 见表1.

表1　船舶接用岸电的电制备选方案

港区电制

380V /50Hz 450V /60Hz

380V /50Hz 450V /60Hz

380V /50Hz (440V /60Hz )

2　船舶接用岸电的技术问题

笔者对上海港区所辖的张华浜码头、外高桥集

装箱码头使用岸电的情况进行实地调研与考察; 同时对停靠在沪东船厂的“新扬州”轮上的岸电系统进行考察. 考察中发现船舶接用岸电的主要技术问题:

(1) 港区和船舶所采用的电制. 我国港区大都

船舶电制

备注

12上　海　海　事　大　学　学　报　　

动转矩公式:M st =k

U 1f 1

32

第27卷　

(k 为常数) . 电制为440V /

　　凡是岸电和船电的电制相同时, 该电制方案就

可选择; 380V /50Hz 的船电一般不宜接用450V /60Hz 的岸电, 具体分析见文献[1].电制为450V /60Hz 的船舶可以接用电制为380V /50Hz 的岸电,

60Hz 的异步电动机接在380V /50Hz 的电源上时,

以下进行详细说明.

2. 1. 2　电制为450V /60Hz 的船舶接用电制为

380V /50Hz 的岸电

　　岸电和船电的电制不同时, 能否接用岸电, 需要考虑船舶接用岸电后, 是否对船上的电气设备工作性能有较大影响(譬如, 异步电动机转子发热、照明系统电压过高等) , 如果没有太大的影响, 该电制方案就能采用. 船舶接用岸电期间, 受影响的电气设备

[2]

大体上可分3类:(1) 各种船舶机械的电力拖动设备(如舵机、锚机等) , 主要是异步电动机; (2) 低压配电装置(船用变压器、继电器等) ; (3) 船舶电气照明设备(包括各种照明灯具和信号灯) . 下面具体分析船舶接用380V /50Hz 岸电后, 各类电气设备的性能.

(1) 异步电动机[3]

发热和转矩. 能否在380V /50Hz , 需从电机的发热和转矩两方面分析.

①电机发热限制

[4]

根据电机学理论, 异步电动机在旋转时, 满足基本电磁方程:

(1) U 1≈E 1=4. 44f 1k w 1Φm 式中:U 1为外施给定子每相绕组端电压有效值; E 1

为定子绕组每相感应电动势有效值; f 1为电源频率; Φm 为每极的磁通; k w 为基波绕组系数.

1

可计算出M st (50) =1. 28M st (60) . 这说明电机频率从60Hz 降为50Hz 时, 起动转矩增大28%, 有利于电机起动.

b . 最大转矩. 从电机发热条件推导出的最大转矩公式为M max =K

U f 1

22

(K 为常数) . 同样可计算出

M max (50) =1. 07M max (60) , 这说明频率降低后最大转矩

略有增加.

以实例验证, 设一台异步电动机参数如下:P N =15k W , I N =16. 6A, n N =3550r/min, f N =60Hz, U N =460V, cos φ=0. 86, k M =2, 计算得到图3所示的异步电机机械特性曲线. 对照转矩曲线不难发现, 电机的起动转矩、最大转矩的实际计算值与理论分

.

图3　异步电动机机械特性

根据上面的方程, 假定U 1不变, 电源频率降低,

磁通就会增加, 这将导致激磁电流增强很多, 电机的功率因数降低, 发热增加, 电机不能正常运行. 因此, 为保证电机不过热, 必须在降低频率的同时降低电压, 确保磁通基本不变. 于是可得电机发热限制条件:

U f 1

≈

U f 2

(2)

　　总之, 电制为440V /60Hz 的异步电动机接在380V /50Hz 的电源上时, 满足电机发热条件, 转矩的变化不大, 因此该电动机可以使用. 对于船用变压器、继电器可以用同样的方法分析, 得出类似的结论, 即这类电气设备可以使用.

(2) 照明设备

照明设备基本属于电阻性负载, 不受频率影响, 与电压关系较大. 若船电AC 440V 接用岸电AC 380V 时, 负载电压降低14%, 功率降低25%, 照明设备的照度下降, 但仍可以使用.

综合以上分析, 船电为AC 440V /60Hz 时, 可以接用AC 380V /50Hz 的岸电. 2. 2　船舶岸电的电力传输方式2. 2. 1　船舶岸电的3种电力传输方式

式中:U 1, f 1表示电源的电压和频率; U 2, f 2表示电机

的额定电压和频率.

电制为440V /60Hz 的异步电动机接在380V /50Hz 的电源上时, 440/60≈380/50,满足电机的发热条件.

②转矩

a . 起动转矩. 根据电机发热条件, 可以推导出起

通常, 船舶自带一套岸电系统, 所以船舶岸电的电力传输方式取决于码头岸电系统的状况. 如果港区码头功率充裕, 能够提供两种交流电制和多种电

第3期李学文, 等:船舶接用岸电技术研究13

压, 码头岸电系统有3种电力输送方式对船舶供电.

(1) 同步方式

船舶和码头岸电采用相同电制时, 由码头配电装置直接对船舶提供岸电. 例如, 上海港公平路码头对靠港“假日”号邮船提供的220V 照明岸电就属于这种供电方式.

(2) 驳船电力输送

如图4所示, 船舶和码头岸电采用相同电制时, 港区(码头) 先对驳船供电, 然后经驳船变压器降压后对船舶供电

.

路的电流与电压成反比; 供电电压增大, 线路中电流减小, 从而使线路的功率损耗降低. 提供相同功率(1330k W ) 的岸电, 采用中压10kV 供电, 只需1根电缆.

(3) 比较两种电力传输方式的损耗(包括电压、功率损耗等) . 文献[6]给出各种电力线路(包括

电缆线路) 等值电路的计算方法. 由于船舶插座屏到码头插座箱这段连接电缆线路的长度在1km 以内, 属于短线路(不计电纳影响) , 其等值电路最简单, 只有一个串联总阻抗.

电缆等值电路见图6.

图4　驳船电力输送

　　(3) 直接连接

船舶和码头岸电采用不同的电制时, 根据码头供电电压的不同, 有两种电力输送方式可供选择.

①码头变频电源

港区(码头) 岸电经过变频、降压后, 通过连接电缆直接对船舶供电(见图5) . 例如, 号码头对中海“新扬州采用这种供电方式

图6　1k m 　

图5　码头通过变频电源对船舶供电

　　②船载集装箱式变压器

对于大型集装箱船(5600TEU 以上) , 船舶电力系统采用中压10k V 供电(见图1) . 为了增大货物的利用空间, 船载变压器、变频装置等安装在一个集装箱货柜中, 并且货柜可以移动, 为船舶接用岸电提供方便.

洛杉矶港船舶接用岸电统计数据k V 或6. 6k V 仅占10%.2. 2. 2　船舶岸电的供电电压

[5]

, S 2

2) 给定的情况.

为计算电缆损耗的具体数值, 下面给出电缆线路的参数. 在440V 供电时, 船舶电缆型号和参数为:YJV 3×240, r =0. 125Ω/km; 在10kV 供电时, 选用电缆型号YJV 223×300, r =0. 130Ω/km , x =0. 085Ω/km.计算时, 取电缆长度为1k m , 根据电缆等值电路, 可以计算出不同供电方案下电缆的各种损耗, 计算结果见表2.

表2　440V 和10kV 分别供电时电缆的各种损耗

供电电压/V

电压降

/V4121

～

电压功率损线损率

/%12. 80. 7

总损耗

/kW 1959. 785

所需电缆根数

91

损耗/%耗/kW

8. 40. 2

21. 769. 875

表明:船舶

岸电采用低压440V 供电方式约占90%, 而中压10

44010000

2. 2. 3　船舶岸电功率

船舶岸电的3种电力传输方式的主要差别在于供电电压, 而通过码头或者船舶变频装置总是可以保证船舶与码头具有相同的电制.

下面以“新扬州”轮为例, 比较低压和中压供电方式的特点.

(1) “新扬州”轮的负荷需求较大(1330k W ) , 由低压440V 输送岸电时, 电流较大, 总共需要9根截面为240mm 的电缆与码头插座箱连接.

(2) 电力线路在输送电能时, 线路输送功率可以用公式I l =

2

不管船舶岸电采用何种电力传输方式, 码头提供的岸电功率应能满足船舶对负荷的需求. 船舶岸电功率P 包括两部分:码头直接对船舶输送的功率P Z ; 码头岸电经过变频后提供给船舶的功率P B . 船舶岸电功率可写成:

(3) P =P Z +P B 式中, 船舶岸电功率P 与港区码头停靠船舶的艘次数、电制、船舶的类型及船舶发电机的功率等因素有关.

2. 2. 4　小结

3U l

表示; 当输送功率一定时, 通过线

由于船舶自带一套岸电系统, 靠港船舶采用何

14上　海　海　事　大　学　学　报　　第27卷　

种电力传输方式主要取决于港区码头岸电系统的状

况. 最理想的情况是:港区功率充裕, 能够提供多种供电电压(包括低压440V, 380V 和220V; 中压6. 6k V 或10kV ) ; 同时, 码头岸电系统能够对船舶提供两种交流电制的岸电. 这种情况下, 对于不同类型的船舶, 可根据船舶电制和船舶电压选择电力传输方式.

目前, 上海港区已具备实施岸电技术的条件, 港区码头供电系统按Ⅱ级负荷、采用50Hz 交流电制双回线路供电. 港区供电电压等级有10kV , 400V 和220V. 以外高桥集装箱码头为例, 该码头装机容量为13072k W , 最大负荷为桥吊(300k W /台) , 码头各种电气设备正常工作时的总负荷为8204k W , 系统还有裕量4868k W , 可提供岸电的功率充裕. 但是, 港区码头没有独立装设岸电系统(包括码头岸电配电装置、变频装置和连接电缆等设施) . 因此, 船舶实施岸电技术的关键是对港区码头进行岸电技术改造.

2. 3　船舶排放污染物的削减量

表3　上海港区船舶接用岸电时排放污染物削减量

污染物名称

船舶副机燃油发电污染物　排放量/(t ・a -1)

船舶接用岸电污染物排放量/(t ・a -1) 船舶排放污染物削减量/(t ・a -1) 船舶排放污染物的削减百分比/%

S O 2

NO x

烟尘

210. 3815. 15194. 0892. 3

1429. 02655. 6102. 89132692. 7

47. 20608. 492

　　实际上, 船舶靠港过程(从离港40n m ile 到港

区) 中80%以上的船舶污染物已经排放掉, 剩下不到20%的船舶污染物由副机发电造成. 因此, 船舶靠港时低速(9kn /h ) 行驶, 也是减少船舶污染物排放量的重要措施.

3　结　论

通过对靠港船舶接用岸电过程中主要技术问题、, :

(, V /60Hz 时, 可以接用AC /50Hz 的岸电.

(2) 船舶实施岸电技术的关键是对港区码头进行岸电技术改造, 船舶电力传输方式以低压供电为主.

(3) 船舶接用岸电可以大幅度地削减船舶污染物的排放量. 上海港区船舶接用岸电后, 船舶污染物的排放量减少92%以上. 靠港船舶低速行驶也是减少船舶污染物排放量的重要措施.

　　体颗粒物等, . 靠港船舶副机发电, 燃油消耗量较大, 污染物排放量增加. 当船舶靠港时, 关闭副机, 接用码头岸电对全船供电, 燃油消耗量(主要是船舶锅炉燃油消耗量) 和污染物排放量很小. 上海港区船舶接用岸电时污染物的削减量见表3. 从中可见, 靠港船舶使用岸电后, 船舶污染物的排放量减少92%以上. 参考文献:

[1]姜维尧. 380V 接60Hz 440V 岸电对船舶电器设备影响的探讨[J ].中国航海, 1991(2) :62-72. [2]史际昌. 船舶电气设备及系统[M].大连:大连海事大学出版社, 1998.

[3]常瑞增. 60Hz 电子静止式岸电电源在船厂和港口的应用[J ].港工技术, 2004(1) :8-10. [4]王毓东. 电机学[M].杭州:浙江大学出版社, 1990.

[5]J I V EN K . Shore 2side electricity f or shi p s in ports[R ].Case studies with esti m ates of internal and external costs, 40241. Gothenburg in S weden:

MariTer m AB, 2004:5-8.

[6]陈珩. 电力系统稳态分析[M].北京:水利电力出版社, 1991.

(编辑　李佩芬)