董良志

(凯伏特(上海)动力技术有限公司，上海 201108)



豪华邮轮码头高压岸电连接系统及应用

董良志

(凯伏特(上海)动力技术有限公司，上海 201108)

针对豪华邮轮岸电系统非常复杂，且安全性、可靠性要求较高的特点，设计一套满足豪华邮轮码头的高压岸电连接系统。分析国内邮轮码头和国际规范要求，通过研究码头平面布置图，根据码头潮汐水文条件和豪华邮轮接电要求，结合岸电连接装置的组成及特点，探讨高压岸电连接系统在豪华邮轮码头的应用。该系统适用于国内10万吨级以及20万吨级邮轮码头岸电连接系统的设计和建造。

豪华邮轮；邮轮码头；高压配电；岸电；连接系统

0 引言

岸电供电技术是指船舶靠港期间，关闭船上的柴油发电机，由码头的变频电源通过电缆对船上的负载供电。研究岸电技术对节能、减排和建设绿色港口有着积极的意义，是解决靠岸船舶对港口区域大气环境污染问题的重要举措。

岸电技术的要求起始于美国西海岸地区。据相关研究发现，70%的癌症患者是由于燃油排放的废气引起的。在美国西海岸如洛杉矶、长滩等港口城市癌症患病率高于其他区域，且船舶靠港期间使用柴油发电机会产生振动和噪音，对附近居民的健康也会造成一定的影响，所以该区域居民发起了环境保护运动，强烈要求停靠港口船舶使用岸电。在美国洛杉矶及长滩等区域，经过各种减排措施的实施，区域环境及居民健康状况均得到了较大的改善。鉴于该案例的成功实施，其他国家也在逐步推广岸电技术的配套及应用。

我国政府高度重视环境污染的问题，制订了相关的法规和政策用于指导环境污染的治理。我国于1988年制订了《中华人民共和国大气污染防治法》并不断修订。国家交通运输部为推进绿色航运发展和船舶节能减排，减少船舶在我国重点区域的大气污染物排放，在2015年制定了《珠三角、长三角、环渤海水域船舶排放控制区域实施方案》。

高压岸电电缆连接系统用于豪华邮轮与码头电源之间电力和信号的传输，操作便利性以及安全可靠性对岸电连接系统非常重要。豪华邮轮码头岸电连接系统的投入应用，可减少码头有害物质的排放，降低船舶的振动和噪音，提升豪华邮轮码头的国际竞争力。

文献[1]对国内变频电源技术进行了研究，分析了变频电源的组成、技术难点、发展趋势等。豪华邮轮高压岸电连接系统在国内设计、建造经验较少，目前仅有上海吴淞口邮轮码头和深圳太子湾邮轮码头配置了该套系统，所以目前可借鉴的经验也非常少。本文从规范、码头和邮轮要求出发、根据岸电连接系统的组成及特点、码头实际应用等方面讨论了豪华邮轮高压岸电连接系统。

1 豪华邮轮岸电系统的组成

与常规货船类似，豪华邮轮岸电系统主要由3部分组成：码头侧高压变频电源、码头侧高压插座箱及移动式电缆管理系统、船侧高压插座箱及配电板。其中，变频电源、码头插座箱、移动式岸电小车主要由码头提供，安装在码头区域；船侧插座箱及配电板由邮轮提供，安装在船上。邮轮岸电系统组成如图1所示。图中，左侧为码头高压变频电源，一般安装在码头的房间内或者采用安装在定制的集装箱内；中间部分为岸电连接系统，包括1台岸电小车及1台插座箱；右侧为船侧岸电接入插座箱及配电板。变频电源与电缆连接系统之间的接口是码头插座箱，电缆连接系统与邮轮侧的接口为船侧接线箱，以上2处接口都是通过插头、插座的形式快速插拔的。3部分之间根据IEC 800005-1以及船级社规范要求实现电力和通信的传输，岸与船之间可实现不断电负载切换。

2 豪华邮轮对于连接系统的要求

2.1 岸电电源主要参数

豪华邮轮岸电系统的容量主要是根据停靠邮轮的类型来确定的，如上海吴淞口邮轮码头可停靠的邮轮有：钻石公主号、玛丽女王2号、歌诗达维多利亚号、歌诗达皇家加勒比、歌诗达海洋航行者号。为了满足大多数豪华邮轮的靠泊需求，岸电系统电压、容量、频率选定为AC11 kV、16 MVA、60 Hz和AC6.6 kV、16 MVA、60 Hz。

港口岸电基础设施需要根据豪华邮轮的岸电需求进行改造。首先，码头供电所需要为豪华邮轮变频电源配备16 MVA的电网容量；其次，码头变频电源需要保证输入电压为AC10 kV、50 Hz,输出电压为AC11 kV、AC6.6 kV、60 Hz；第三，码头需要为变频电源准备布置场地。

国际航行船舶电网电压和频率为AC6 600 V、60 Hz或AC440 V、60 Hz，而我国陆上电压和频率通常为AC10 000 V、50 Hz或AC380 V、50 Hz，如果直接将50 Hz的电源接入船舶设备，会使设备的整体效率下降30%。经过交—直—交变换的逆变电源称为变频电源，变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成用户所需频率。陆基电源经过变频电源系统变频，可以输送给码头插座箱所需的标准供电电源。变频电源要保证电源输出的波形稳定和纯净，提供最优良的供电环境。

在实际应用中，一个完整的变频电源装置主要由输入进线开关柜、变频器柜(包括整流和逆变单元)、输出隔离变压器柜、正弦波滤波器和输出开关柜等5部分组成。如果输入端为高压电源，则输入端需增加高压开关柜和变压器。除变频器外，其他部件都采用无源器件，具有极高的可靠性和稳定性。

变频电源在设计、使用时需要注意谐波抑制和逆功率控制。

2.1.1 谐波抑制

由于采用变频器作为变频电源的核心部件，不可避免地会产生谐波。作为标准电源的使用，这些谐波会影响到电源的质量，进而直接影响使用设备的稳定和寿命。因此，必须采用适当的措施抑制谐波。具体措施如下：

(1)输入侧接入EMI滤波器。EMI滤波器主要用于控制和保证输入变频器的电网电能质量，将电源功率毫无损耗地传输到设备上，大幅衰减经电源传入的EMI信号，保护设备免受其害；同时，又能有效地控制设备本身产生的EMI信号，防止其进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。

(2)输入侧接入交流限流电抗器。选用通用电抗器，可抑制从电源到变频器或变频器内部产生的对电源侧的高频扰动。它同时也可以改善变频器的输入电流波形。

(3)变频电源设计为12脉冲整流，可消除11次以下的输入谐波电流。具体可选用12脉冲的变频器，配套6脉冲转换为12脉冲的变压器，实现12脉冲整流变频电源的功能。

(4)变频电源输出端使用无源正弦滤波器，可以改善变频器输出波形，与输出电抗器、DV/DT滤波器相比较，正弦波滤波器末端有一级电容滤波电路，使变频器输出波形接近正弦波。

(5)在正弦滤波器还不能达到很理想效果的情况下，需要分析谐波来源、负载情况、周边用电的环境以及各次谐波的比例和含量，分开滤波。

2.1.2 逆功率的控制

船舶发电机同码头变频电源并联运行期间，船侧有功功率输送到码头侧，逆功率就会产生。逆功率会导致变频电源输出开关跳闸保护，中断变频电源的输送。目前变频电源厂家主要是通过四象限方案、电阻吸收方案和程序设定防止逆功率的产生这3种方式解决逆功率问题的。

2.2 邮轮岸电接入点位置

邮轮岸电接入点的位置位于船舶左舷偏后部，距离船舶吃水线较近。岸电接入点配置1扇水密门，邮轮航行期间水密门处于关闭状态，邮轮停靠码头后打开水密门，接入岸电插头及电缆。邮轮岸电接入点位置如图2所示。利用岸电连接装置及其吊臂把电缆和插头送至船侧岸电接入点附近，船员把插头连接至船舱内的岸电接线箱上。

2.3 岸电连接系统的设计要求

高压岸电电缆连接系统用于豪华邮轮与码头电源之间电力和信号的传输，操作便利性以及安全可靠性是岸电连接系统2个非常重要的特性，以上2点设计保证了船岸之间的快速连接及码头清洁能源的持续供应。根据IEC 80005-1的要求，豪华邮轮岸电系统需要包含4根动力电缆：1根中性电缆，1根通信电缆，2根控制电缆。邮轮岸电系统单线图如图3所示，其中“1”为码头高压变频电源系统，“2”为船岸之间快速连接插头，“3”为船岸高压插座，“4”为安全连锁回路(集成于高压插头、插座内)，“5”为高压岸电连接系统，“6”为豪华邮轮岸电接入系统，“7”为船侧安全连锁，“8”为控制及监测通讯，“10”为通讯及控制线缆。

豪华邮轮岸电连接系统与集装箱岸电连接系统相比，两者主要有以下不同之处：

(1)操作方式不同。集装箱船由船上电缆卷盘放电缆至码头；而豪华邮轮岸电连接装置布置在码头上，由岸电装置上的吊机将电缆送至豪华邮轮上的岸电插座箱处。

(2)豪华邮轮岸电连接系统比集装箱船复杂。集装箱船岸电连接系统用2根3芯×185 mm2复合电缆与码头连接即可完成电力和信号的传输；而豪华邮轮岸电连接系统用4根3芯×240 mm2的复合电缆，2根控制电缆，1根通信电缆进行船岸连接。

(3)电压等级及系统容量不同。集装箱船的电压等级为6.6 kV，而豪华邮轮的电压等级为6.6 kV或11 kV。集装箱船的岸电容量一般为7 MVA，而豪华邮轮的容量为16 MVA或20 MVA。

(4)系统供应主体不同。集装箱船岸电连接系统主要由航运公司提供，豪华邮轮岸电连接系统由邮轮码头提供。

3 岸电连接系统需满足码头的条件

设计一套岸电连接系统需满足码头的现场条件，包括需要考虑安装、施工、操作、维护、码头水文条件等因素。

3.1 码头插座箱的布置

码头插座箱的布置需根据码头的实际条件以及停靠邮轮的大小、方向进行设计。以吴淞口邮轮码头2号泊位为例，在码头全长354 m范围内，码头侧配有4个地井。码头插座箱的布置图如图4所示。地井用来安装码头侧高压岸电插座箱。码头插座箱布置及数量是由豪华邮轮船侧插座箱的位置及码头基建设施要求等因素确定的。吴淞口邮轮码头最终选定2号、4号地井安装码头侧插座箱。

如果码头没有配置地井，码头侧插座箱安装在地面上，需要确认插座箱与船舶缆绳没有干涉。

3.2 码头长度方向上的工作范围

在邮轮码头现场勘测时需确定岸电连接装置的工作范围。该工作范围是指以插座箱为中心，前后可覆盖的距离，常规情况下该距离为35 m。这一点在设计初期需要确定下来，因为该距离一旦确定将无法更改。

3.3 满足码头的潮汐及水文条件

设计码头岸电连接系统时需要了解码头的潮汐、水文条件。由于豪华邮轮主要以游客为主，载客与否对船舶的吃水影响不大，重要的是码头的潮汐，应确保连接电缆的长度以及张力在标准值范围内。

某码头水平高度为3.5 m，而潮汐极限高水位为2.69 m。虽然该码头配有地井，但是在极限水位情况下，地井内可能会进水，所以码头侧插座箱不可以安装在地井内。

3.4 考虑实际操作中可能会遇到的问题

设计岸电连接系统时还要考虑在操作过程中可能会遇到的问题。在码头进行勘察时，需要确定岸电连接装置的行走路径、停放位置、距离码头边缘的距离以及在行走过程中是否会与码头廊桥有干涉。

4 邮轮岸电连接系统应用研究

4.1 岸电连接系统在豪华邮轮码头的应用

根据邮轮及码头对连接系统的要求，设计出一套满足邮轮码头的岸电连接系统。由于该套系统安装在1台小车上，所以也可称之为岸电小车。图5为岸电小车在某豪华邮轮码头的实际应用。该套岸电小车主要由充电式行进小车、旋臂吊、码头侧电缆卷筒、船侧电缆卷筒、控制站、无线遥控器、码头插座箱及地井盖等组成。

(1)充电式行进小车：为满足绿色环保及操作便利的要求，小车的动力源为蓄电池，可使用电池驱动电机实现小车的前进、后退和转向。

(2)旋臂吊：旋臂吊安装在小车上，其用途是将电缆及插头移动到船侧岸电接入点。吊臂的旋转和伸缩均由液压马达进行控制，在旋臂顶端安装有电缆导向架，使得电缆在移动和连接过程中始终符合电缆弯曲半径的要求。

(3)码头侧电缆卷筒：用于存储小车上岸侧电缆，其长度决定了小车从插座箱可移动的水平距离。

(4)船侧电缆卷筒：用于存储小车悬臂吊到船上插座箱之间的连接电缆。

(5)控制站：控制站位于小车上，用于控制岸电小车本身的移动和集成在系统中的各个卷筒和旋臂吊的动作。

(6)无线遥控器：用于遥控小车的前进、后退、转向；控制吊臂的旋转、伸缩、俯仰操作。

(7)码头插座箱及地井盖：码头插座箱布置在地井内，包含4个高压动力插座、1个中性线插座，以及动力及控制线插座。

岸电电缆管理系统与船侧以及码头侧插座箱是通过高压快速插头连接的，保证了连接的便利性和快速性。岸电小车上所使用的电缆均为柔性电缆，使电缆能够在卷盘上卷绕。

根据IEC 80005-1的要求，船岸之间需要带电负载转移，该操作是在邮轮集中控制室内完成的。当岸电电源输送至配电板进线屏后，通过配电板内的PMS(电站管理系统)对相位、电压、频率等进行比较，自动实现短时同步供电及负载转移。

4.2 岸电连接系统需满足的特性

4.2.1 操作便利

(1)正常情况下，岸电小车存放在码头旁边的专门房间里。使用时，首先将小车遥控行驶至码头插座箱附近，把码头侧卷筒内电缆连接至码头插座箱。其次，继续遥控小车行驶至邮轮侧插座箱附近，遥控旋臂吊，连接船侧储缆卷筒内的电缆至船侧插座箱。最后，小车采用无线控制器进行遥控，吊臂等其他部件的控制也集成在该无线控制器上，无线控制器上设有应急停止按钮。小车行进和吊臂的操作等只需1人通过无线遥控即可完成。

(2)码头配置2个高压插座箱。岸电小车码头侧卷筒电缆长度为35 m，沿码头水平方向可覆盖70 m左右的距离。

以上设计和布置在很大程度上方便了邮轮的停靠以及岸电的连接。

4.2.2 安全可靠

(1)小车岸侧储缆卷筒采用变频驱动，可确保卷筒收放电缆速度时刻跟随小车行驶速度，避免放缆过程中造成电缆在地面上的拖拽。由于变频驱动的软连接特性，在电缆收放受到意外阻力的情况下，电缆也不会因受力过大导致电缆损坏。

(2)小车行进至合适地点后采用4个液压腿支撑固定，以保证小车能够稳定停靠在指定位置，且悬臂吊工作时小车继续可以极大地保持平衡状态。

(3)在小车前部设有1套机械挂钩部件，以保证电池驱动底盘在异常情况下还能够通过码头的牵引车对小车进行拖行来实现小车的移动。

5 结语

目前高压岸电连接系统已应用在很多豪华邮轮码头，如德国汉堡港、美国洛杉矶港、意大利里窝那港、加拿大莫特利而港。近年来，我国交通运输部出台了一系列政策，用于鼓励、补贴港口建设高压岸电系统。国内已经确定建设高压岸电系统的豪华邮轮码头有上海吴淞口豪华邮轮码头以及深圳太子湾豪华邮轮码头。

高压岸电连接技术在豪华邮轮码头的研究、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、宜人的港口城市，具有十分重要的意义。

[1] 袁庆林，黄细霞，张海龙.港口船舶岸电供电技术的研究与应用[J].上海造船，2010(2)：35-37.

2017-01-06

董良志(1984—)，男，工程师，工程硕士在读,主要从事船舶及码头岸电系统方面的研究。

U665.12

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