LNG发电船供电联锁系统的研究

胡国昭，周 兴，耿 鹏



LNG发电船供电联锁系统的研究

胡国昭，周 兴，耿 鹏

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

针对港口日趋严峻的环保形势，本文介绍了一种新型移动式岸电系统—发电船，探讨了发电船设计中的主要问题，重点对发电船供电主回路、联锁与应急控制系统进行了分析，给出了LNG发电船电气系统的设计实例，为解决港口城市大气污染问题提供了新的技术途径。

发电船 主回路 接地 安全联锁

0 引言

船舶在靠港期间多采用重油发电，靠港船舶排放的污染物已成为沿海港口城市污染治理的重要组成部分。在日益严峻的环保形势下，港口岸电技术已成为解决港口大气污染的重要措施之一，并在国内外港口得到实际应用。然而在一些已建成港口的基础上新建或扩建岸电设施存在成本高、施工难等诸多制约因素。因此，参考现有陆上岸电技术，一种基于发电船的新型移动岸电系统应运而生，这为港口岸电的应用提供了新的技术途径。发电船可以以天然气等清洁能源作为燃料组成船舶电网并对外供电，如图1所示。

本文以LNG发电船为例，结合理论与标准规范，针对发电船主回路、接地、联锁与应急控制等主要问题开展研究，给出了设计实例，对推广发电船的应用具有重要价值。

图1 发电船电气系统

1 LNG发电船主回路分析

1.1 LNG发电船供电电制的分析

目前，国外已有LNG发电船工程应用的实例，发电船是船舶技术、工业发电技术、岸电技术的综合。陆上岸电主要有低压供电和高压（1kV~15kV）供电两种，高压供电可用较少的电缆实现大容量供电，具有连接便捷化和操作自动化等优点，IEC也是按照高压供电来编制IEC/ISO/IEEE80005-1规范的，因此本LNG发电船设计为高压对外供电的方式。IEC/ISO/ IEEE80005 -1标准中列举了一些典型船舶的额定供电电压，主要有6.6 kV、11 kV，由中国交通运输部发布的行业标准JTS 155-2012中对岸电的额定供电电压进行明确规定，高压岸电主要有6 kV、10kV两种，因此为使LNG发电船具备满足良好的供电兼容性，LNG发电船对外供电电压需满足6 kV(50 Hz)、6.6k V(60 Hz)、10 kV（50 Hz）、11 kV(60 Hz)四种电制。

1.2 LNG发电船接地方式研究

长期以来，我国舰船多采用的低压电网，其结构多为IT（三相三线绝缘）系统，IT系统的主要优点是能够保障供电的连续性，当电网的对地绝缘电阻满足规范要求时，如果发生单相接地短路，由于电源中性点不接地，相线无法通过短路点与电源构成回路，因此不会出现单相短路电流，三相用电设备的正常工作并未受到影响，仍可维持短时的运行，这对提高舰船独立电网的可靠性是非常有必要的。然而低压电网已不能满足发电船这种大容量船舶电网的需求，对于中高压电网，特别是以电缆为主要配电线路的船舶电网，系统的对地分布电容不可忽视。当系统发生单相接地故障时，接地点故障电流通过系统对地电容形成回路，极易在短路点产生接地电弧并形成电弧接地过电压，该电压通常会达到系统额定电压的3.5到5倍，给系统的绝缘设计带来了严峻的挑战。因此，中高压配电区必须考虑中性点接地运行方式。

适用于高压船舶或岸电电力系统的接地方式主要有经消弧线圈接地、电阻接地两种，这两种接地方式均能有效降低故障电流，限制故障电弧，提高系统供电的可靠性。但对发电船而言，发电船供电受电对象在经常变化，系统的分布电容也在变化，因此消弧线圈需要经过频繁的整定，系统设计复杂，并易与系统电容形成谐振过电压，反而对设备形成危害。经电阻接地的结构相对简单，同时可以有效抑制间歇性电弧接地过电压，适用于受电对象、系统结构变化较多的系统，因此经电阻接地是发电船宜采用的接地方式。IEC/ISO/IEEE80005-1:2012也是将电阻接地作为岸电接地的指定方式，对于使用电力电子变频电源的岸电供电系统，由于不存在中性点，可通过接地变压器引出中性点经电阻接地。

1.3 LNG发电船供电系统设计实例

根据上述理论分析，结合现行标准规范，论文设计的LNG发电船电气系统如图2所示。

图2 LNG发电船电气系统图

本LNG发电船采用低压发电、高压供电的分级式母线结构。由若干台低压LNG发电机组和一台功率补偿装置并联到一段低压母线上，经升压变压器升至高压，构成一个供电单元，采用变速发电技术实现不同频率下的供电需求，相比于使用电力电子变频电源具有较大的经济优势。

当对多个受电系统进行供电时，通过断开高压配电区的母联断路器以实现各受电系统干扰隔离和故障隔离。高、低压配电区之间的变压器采用隔离变压器，变压器原、副边采用独立的绕组以实现高、低压配电区隔离。隔离变压器采用△/Y的联结组别，原边采用△接线方式可有效抑制3次谐波，副边通过Y型绕组引出中性点并经电阻接地。当受电系统采用低压配电系统时，在受电配电柜与主配电系统之间还应增设降压变压器，受电变压器的高压侧应为Y连接，中性点也应经电阻接地。

2 LNG发电船供电联锁系统的研究

2.1 发电船供电联锁系统的功能需求

系统保护是发电船供电系统的重要组成部分，发电船除需要配置继电保护系统用于电气保护外，还应配置安全联锁系统，用于供电与受电系统电气、控制、机械等方面的联锁控制和紧急控制，例如在接地刀闸处于闭合状态、控制电路未建立、等电位连接电路未建立、通信未建立等情况下供电输出断路器不应闭合。同时，在控制电路失效、等电位连接电路失效、连接电缆张力超标、连接电缆或连接器断线等紧急工况下，应能通过手动或自动的紧急措施及时断开供电连接系统。根据IEC/ISO/IEEE80005-1标准的要求，用于紧急控制的电路应遵循故障安全的原则进行设计，并由硬线组成，该电路应独立于由可编程电子设备组成的电路。

2.2 发电船供电联锁系统的设计实例

根据上述功能需求分析，论文设计的发电船供电联锁系统示意图如图3所示。

图3 安全联锁系统示意图

该系统主要由供电侧与受电侧监测报警系统、接线箱等组成。

监测报警系统主要用于采集发电船与受电船各设备的运行状态信息，包括各设备是否运行正常、供电与受电断路器、接地刀闸的状态等，用于供电系统与受电系统的联锁控制。接线箱则用于发电船与受电船之间的主电缆、控制电缆以及通信线缆的连接。用于联锁和紧急控制的电路均通过控制电缆实现，并通过控制触头将发电船与受电船相连。

根据IEC 62613-2：2011标准可知：目前用于高压岸电连接用的插头主要有7.2 kV/350 A、12 kV/350 A、12 kV/500 A、单极7.2 kV/250 A四种规格，单个连接插头内的控制触头一般不超过3个，其结构示意图如图4所示。

图4 连接插头与插座示意图

根据占用控制触头的个数，论文设计了3种安全联锁电路，如图4所示。

图中：1为供电侧控制电源，2为供电侧控制电源断路器主触点，3为供电侧紧停控制触点（自动），4为供电侧输出断路器欠压脱口线圈，5为供电侧安全电路线圈，6为供电侧断路器线圈，7为供电侧紧停按钮，8为供电侧输出断路器，9为供电侧接地刀闸，10为受电侧紧停按钮，11受电侧紧停控制触点（自动），12为受电侧接地刀闸，13为受电侧断路器，14为受电侧断路器线圈，15为为受电侧安全电路线圈，16为受电侧断路器欠压脱口线圈，17为受电侧控制端电源断路器辅助触点，18为受电侧控制电源，19为通信光纤，20为等电位连接控制设备，21为等电位连接控制线圈。

图4 安全联锁系统示意图

上述三种电路原理相似，以供电侧为例，发电船监测报警系统通过汇集发电船各设备的状态信息，当发电船运行正常时，通过控制触点3闭合使线圈6得电，从而使供电侧断路器闭合对外供电。反之，当供电侧监测报警系统判断发电船处于不不正常运行状态或故障时，控制触点3断开使供电断路器断开。紧停按钮7、10可设置于发电船与受电对象的不同位置处，用于实现应急切断功能。受电侧的联锁控制原理与供电侧类似，此处不在赘述。

对比上述三种电路可知，第1种和第2种安全联锁电路采用了3各个控制触头，因此采用单个连接插头即可实现，而第3种安全联锁电路至少需要2个连接插头才可实现供电侧与受电侧的联锁控制。

第1种安全联锁电路供电侧的应急控制只能断开供电侧的断路器并闭合接地刀闸，这对于供电侧与受电侧存在并车或并联供电的工况是不允许的，若单侧紧停仅能控制本侧的断路器断开并闭合接地刀闸，对方还有在网机组或电源相当于电源对地短路，同时当控制回路仅单侧失电，亦不能及时控制对方断路器断开和接地刀闸闭合，亦存在故障扩大的风险，这违背了故障安全的设计原则，因此第1种安全联锁电路对存在供电侧与受电侧并网运行的工况是不适用的。

第2种安全联锁电路克服了第1种安全联锁电路的应用局限性，提高供电的可靠性。从图中分析可知，任意一侧的紧停和其他安全控制信号均能及时断开两侧的断路器并合上接地刀闸，但两侧的控制电路有一条公共线，因此要求两边控制电采用相同的电制，在使用交流电源作为控制电源时，还要考虑两者的相位差，因此推荐使用直流电源作为控制电源。

第3种安全联锁电路是对上述两种电路的进一步改进，从图中分析可知，任意一侧的紧停和其他安全控制信号均能及时断开两侧的断路器并合上接地刀闸，同时双方的控制回路独立，可采用独立的控制电源，当控制回路有短路、过流或欠压时，供电侧或受电侧控制电源断路器断开，两侧安全电路的线圈5和15和断路器线圈6和16失电，供电侧与受电侧的断路器瞬时跳闸，实现应急切断功能，两侧接地开关闭合，实现安全联锁功能。第3种安全联锁电路功能全面，控制独立，但此种安全联锁电路要求至少4个控制触头，因此至少采用2个连接插头。

根据上述分析可知，三种电路均能实现发电侧与受电侧的安全联锁，可根据实际工况结合电路的特点选择合适的电路应用。

3 结束语

发电船为解决港口城市大气污染治理、偏远岛屿供电提供了新的解决途径，论文通过理论分析并结合现行标准，提出了一种基于LNG发电机组的发电船解决方案，给出了发电船的电气系统设计实例，对比了3种不同安全联锁电路的应用特点，对发电船的推广具有重要价值。

[1] 张雷波, 徐海栋等. 国内外岸电技术的应用及发展[J]. 世界海运, 2015, 38(10): 13-16.

[2] 李晓光, 卜佩征等. 港口岸电安全联锁系统研究[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, 码头船舶岸电设施建设技术规范.

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

胡国昭（1990-），男，助理工程师。研究方向：船舶电气。Email：hgz_90@163.com