低压船舶岸电供电系统方案研究_马涛

船电技术|电力系统 Vol.31 No.7 2011.7

低压船舶岸电供电系统方案研究

马涛1 王金全1 金伟一2 李建科1

（1. 解放军理工大学工程兵工程学院 南京 210007；2. 驻宁波军代处，浙江宁波 315020）

摘 要：由于港口码头和船舶的供电系统不相互兼容。提出了低压船舶岸电三相四线制IT 系统的方案，使得船舶靠港时能直接接用岸电，以降低其供电系统运行成本，提高系统利用率。且可以降低船舶对周边环境的污染，借助于先进的绝缘监测技术使得该系统能可靠运行。通过实验模型的建立及仿真分析，验证了本文提出的供电系统方案的正确性和可行性。 关键词：船舶岸电 三相四线 IT 系统

中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1003-4862 (2011) 07-0042-05

Study on the Ship-shore Power System

Ma Tao1, Wang Jingquan1, Jin Weiyi2, Li Jianke1

（1. The PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007,China; 2. The military representatives office in Ningbo,

Ningbo 315020, Zhejiang, China）

Abstract ：To solve the incompatibility of the power system between wharf and the ship, this paper provides a scheme of a three-phase four- wire IT system which can directly connect to shore power supply in port, reduce the cost of the power system and reduce the pollution. Using insulation monitoring techniques, the system runs reliably. Experimental model and simulation demonstrates the correction and reliability of the power system.

Key words: ship-shore power system; three-phase four-wire; IT system

供电连续性高，且能直接获得220 V电源供给用1 引言

电设备。目前三相四线制IT 系统在南极观察站[3]

按现行标准，我国港口码头大都采用三相四

欧洲地区一些公用系统[4]及我国陕西省临猗县黄

线加保护线的TN-S 制供电系统，而船舶多以三

家庄已有应用[5]。 [1]

相三线制IT 系统为主。船舶交流供电系统采用的三相三线制IT 系统，供电连续性高，当船舶供2 船舶岸电系统方案设计 电系统发生单相接地时，可在短时间内连续供电，

船舶岸电系统设计的目的是既能为船舶提供

但投资较大[2]。港口低压供电系统采用的是三相

三相三线制电源又能为港口提供三相四线加保护

四线加保护线的TN-S 系统。投资小但其供电连

线电源，提高设备利用率，降低系统运行成本。

续性不高。目前国内外港口码头多采用TN-S 供

本小节提出两种设计方案。

电系统做为低压船舶岸电系统，即将船舶直接接

2.1系统中性点经断路器接地

入港口供电系统。但供电可靠性不高。本文提出

船舶岸电系统中性点经断路器接地，其工作

带相应高精度绝缘监测装置的三相四线制IT 系

电气原理图如图1所示。系统中性点经低压断路

统方案即三相三线制IT 系统配出中性线。该系统

器QF 4接地，QF 3、QF 4与QF 5互锁。没有船舶时，QF 4合闸，为港口码头提供标准的三相四线加保护线的TN-S 系统电源。船舶靠岸时，断开QF 6，收稿日期：2010‐11‐23

解除船舶自带绝缘监测装置。QF 4分闸，断开系作者简介：马涛（1986-），男，硕士研究生，研究方

向：电力系统故障检测。 统中性点接地断路器，形成中性点浮空的船舶岸42

Vol.31 No.7 2011.7 船电技术|电力系统 电三相四线制IT 系统。QF 5合闸，对系统进行绝缘监测，QF 3合闸，船舶引接IT 电源。正常运行时，系统可兼容码头负荷和船舶负荷供电；系统发生单线接地故障时，中性点浮空，故障回路电流小，系统能持续运行，通过系统绝缘监测装置报警，提醒维护管理人员及时处理，可保证系统供电的可靠性和连续性。 2.2系统中性点经大电阻接地

船舶岸电系统中性点和保护线之间串接大电

阻R ，即构成中性点经大电阻接地的供电系统，如图2所示，其中QF 3、QF 4与QF 6互锁。

系统单独向码头供电时，断路器QF 4合闸，大电阻R 被短接，向码头提供标准的中性点直接接地的TN-S 系统电源。

当系统兼容船舶与码头供电时，断路器QF 3

合闸，QF 4与QF 6分闸，形成中性点经大电阻接地的三相四线制IT 系统。

图1 变压器中性点经断路器接地电气原理图

图2 变压器中性点经电阻接地电气原理图

系统没有发生单相接地时，电阻R 起到抑制中性点漂移的作用；系统发生单相接地时，可以限制接地相的接地电流。正常运行时，系统可兼容码头负荷和船用负荷供电；系统发生单线接地时，由于接地大电阻的限流作用，故障回路电流小，系统亦能持续运行，采用接地监测报警装置，可提醒维护管理人员及时处理，保证系统供电的可靠性和连续性。为了降低系统发生单相接地时设备外壳的对地电压和流过人体的电流，阻值可取110 Ω[6]。

43

船电技术|电力系统 Vol.31 No.7 2011.7

3 船舶岸电系统模型建立

船舶岸电三相四线制IT 系统模型如图3所示。模型系统中包括理想三相电源、一个一级配电柜、一个连接船舶专用的二级配电柜、一个码头专用的二级配电柜，船舶三相负荷、码头三相负荷、三个单相纯电阻负荷。系统中性点接地方式分两种，闭合断路器表示中性点经大电阻接地，断开断路器QF 表示中性点浮空。

，

船舶采用岸电所需容量从 kW到MW 不等[1

7]

。本文选择船舶供电容量为180 kW，变压器容

量为400 kW；

相关参数为：三相交流电源，线电压380 V，频率50 Hz，A 相电势初相角为0˚。

船舶三相负荷有功功率180 kW，功率因数为0.8滞后；

码头三相负荷分别为100 kW和50 kW且功率因数都是0.8滞后；码头单相负荷每相都为5 kW ；

电缆线路：船舶供电电缆300 m，岸电一二级配电线路150 m，二级配电箱至负荷线路150 m,详细电缆参数参见表1。

图3 船舶岸电三相四线制IT 系统模型图

表 1 交联聚氯乙烯电缆线路参数[8

线路编号 1 2

额定负载 ( kW)

规格 (mm2)

正序电阻 (Ω/km)

，9，10]

零序电感 (mH/km)

正序电容 (µF/km)

正序电感 (mH/km)

180 240 0.0918 0.2213 0.8852 0.6420 100 120 0.1838 0.2228 0.8912 0.6415

3 50 50 0.4633 0.2337 0.9448 0.5561 4 5 6 3.6617 0.6008 0 0.2606 注：1、零序电阻为正序电阻的10倍，零序电感为正序电感的4倍，负序电容略小于正序电容；

2、单相纯电阻回路无零序电感。

根据所选参数设置，建立系统仿真模型如图

4所示。

Source 和Transformer 表示电源，ment1～9表示电压电流测量仪表；Line1～9表示传输线路，Load1～6表示负荷，Load7表示110 Ω接地电阻；44

Breaker0～12表示断路器，不同的断路器开断，

表示系统处于不同运行状态。

4 系统模型仿真分析

船舶接入岸电，船舶获得电压（船舶专用配

Vol.31 No.7 2011.7 船电技术|电力系统 电柜母线相电压）；船舶断开岸电，船舶电压降为零。对船舶接入岸电前后母线电压（一级配电柜母线相电压）及船舶电压变化情况进行仿真，分析中性点浮空或经大电阻接地两种方式的船舶岸电系统兼容船舶与码头供电可行性。

控制断路器Breaker1和Breaker0可得船舶接入岸电前后系统电压电流如表2所示。其中中性点浮空或经大电阻接地两种方式的船舶岸电系统各设备参数基本相同。

由表2可知，船舶接入岸电前后，中性点电压为零，说明系统中性点不发生偏移；母线电压降低，且船舶电压降超过10%，应采用有载调压措施进行稳压，或在船舶接入岸电前后，适当调高变压器输出电压，以满足用电设备供电质量要求。

(1) 断路器Breaker0断开，中性点浮空的船舶岸电系统

系统中性点浮空，船舶接入/断开岸电，母线

图4 船舶岸电三相四线制IT 系统仿真模型图

表2 船舶接入/断开岸电前后系统参数值

船舶接入岸电前 船舶连接岸电 船舶断开岸电

母线电压(V)

母线电流(A)

船舶电压(V)

船舶电流(A) 0

码头电压(V)

码头电流(A)

中性点电压(V)

217.98 286.82 0 203.37 567.75 192.75 217.98 286.82 0

213.03 286.83 0

300.34 198.75 267.6 0 0

213.03 286.83 0

注：母线电流指一级配电柜母线相电流；船舶电流指船舶专用配电柜相电流；码头电压指码头二级配电柜母线相电压；码头电流指码头二级配电柜相电流；中性点电压指系统中性点对地电压。

45

船电技术|电力系统 Vol.31 No.7 2011.7

电压波形如图5所示。0.05 s，断路器Breaker1闭合，表示船舶接入岸电，母线电压小幅下降；0.15 s，断路器Breaker1断开，表示船舶断开岸电连接，母线电压恢复成船舶负荷接入前波形，说明船舶接入/断开岸电，系统电压有变化，过渡过程时间短，且不会产生大的冲击和波形畸变，采取有载调压变压器即可实现电压调节，不影响正常运行。

系统中性点浮空，船舶接入/断开岸电，船舶电压波形如图6所示。0.05 s，断路器Breaker1闭合，表示船舶接入岸电，船舶配电柜母线获得电源，电压升高到相电压，船舶电气设备能正常运行；0.15 s，断路器Breaker1断开，表示船舶断开岸电连接，船舶电压逐渐将为零，船舶停止供电。

断路器Breaker0闭合时，船舶接入\断开岸电时母线电压波形和船舶电压波形和断路器Breaker0断开时情况相似，在此不赘述。

上述仿真分析表明，中性点浮空或经大电阻接地两种方式的船舶岸电系统均能实现船舶和码头同时兼容供电。

5 结语

由于船舶采用的是三相三线制IT 系统供电而港口码头多采用三相四线加保护线的TN-S 制供电系统。对于船舶的靠港接用岸电不相互兼容，目前很多港口采用的船舶岸电系统其供电连续性不高，且运行成本较高。本文提出的船舶岸电系统方案能较高效率解决此问题，且供电连续性高，运行成本低，但对于其绝缘监测要求相对较高。

参考文献：

[1] 施亿生, 谢绍惠. 船舶电站[M]. 北京: 国防工业出

版社, 1981.

[2] 戴天祥. 船舶电力系统设计电制的选择[J]. 船舶设

计技术交流, 2004(1): 33-34.

[3] Kezunovic. M., Xia.Y.Q.,Guo.Y., et al. An advanced

method for testing of distance relay operating characteristic[J]. Power Delivery, IEEE, 2005, 11(1): 149-157.

[4] 王厚余. 低压电气装置的设计安装和检验[M]．北京:

中国电力出版社, 2008:53-55．

[5] 陈忠华, 霍丽华. 低压电网中性点由接地改为不接

地的探讨[J]. 辽宁工程技术大学学报:自然科学版, 2002, 19(1): 51-53．

[6] 张圣建, 石健, 平绍勋等. 配变低压中性点高电阻

接地技术[J]. 高电压技术, 2005, 31(1): 91-92. [7] 李安. 箱式变电站设计、安装、维护、检修与技术

标准全书[M]. 北京: 学苑音像出版社.

[8] 韩祯祥, 吴国炎. 电力系统分析[M]. 浙江: 浙江大

学出版社, 2003．

[9] 刘景光. 低压电力电缆的几个电气参数计算及分析

[J]. 电线电缆, 1998(4): 17-19．

[10] 马国栋. 电线电缆载流量[M]. 北京: 中国电力出版

社, 2003（10）．

[11] 李学文, 孙可平. 船舶接用岸电技术研究[J]. 上海

海事大学学报, 2006, 27(3): 10-14．

图 5 船舶接入/断开岸电母线电压波形

图 6 船舶连接/断开岸电船舶电压波形

因船舶负载为感性负载，而传输线路存在对

地电容，所以当船舶断开岸电后，其电压存在短时振荡衰减过程。显然，中性点浮空的船舶岸电系统能兼容船舶与码头供电。

(2) 断路器Breaker0闭合，中性点经大电阻接地的船舶岸电系统 46