CN102555838B - 岸边移动式船用变电站集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种岸边移动式船用变电站集成系统，由一个带电缆自动收放控制系统的集装箱及一个带船用电源配置系统的集装箱组成，其特征在于：所述的电缆自动收放控制系统在接入临时电源后打开放出电缆的舱门；当电缆导架伸出到设定的位置后以自动或手动的方式插入定位销；电缆卷驱机构具有手动和自动两种操作模式，自动操作模式采用通过潮汐时续参数及船舶吃水变化补偿参数决定提升卷绕电缆的驱动转矩的变频驱动自动控制系统；将上层集装箱的防水中压电源插头插入到下层箱体上的插座，实现与中压滤波变压器的快速接通；将系统电缆端部输出低压大电流插头插入船舶上岸电箱上的插座，取代副机发电运转。

Description

岸边移动式船用变电站集成系统

技术领域

本发明涉及一种船用变电站，特别是公开一种岸边移动式船用变电站集成系统，适用于靠岸船舶接用岸上电源。

背景技术

船舶岸边供电（Alternative Maritime Power简称AMP）技术起源于2002年美国洛杉矶港。这种技术应用的起因是美国于2000年的人口普查发现了沿海港口城市里，每百万人口中患癌症人数竟高达1500人。而癌症高发的元凶是空气中有过量的由靠在码头岸边的船舶，用副机发电所排放的二氧化氮有毒气体和PM可吸入有毒颗粒粉尘。据洛杉矶行政当局当时的分析，洛杉矶港区每天从靠泊在码头上超巴拿马集装箱货柜船用副机每天发电所排放二氧化氮有毒气体和PM颗粒粉尘的数量竟达31.4吨，这相当于500,000辆小汽车的排放量！于是，美国洛杉矶行政当局申请立法，禁止船舶靠码头后用副机发电。而自那时起，美国各大港口纷纷效仿洛杉矶，禁止船舶靠岸后用副机发电，一律改用岸电。世界上进入美国港口的各大航运公司都需要配备相应的设备接驳岸边电源。

最初，因受制于当时的船舶安全电压不高于500V标准，由欧洲的Cavotec Specimas提供的船舶岸边供电系统很庞大，它由一条带起重机的驳船，一台中压电缆卷筒，高压开关柜，变压器，低压系统和数台低压大电流动力电缆卷筒组成。将低压大电流电源电缆送上受电船舶得依靠驳船上的起重机。用这套系统为船舶接通岸电的整个操作过程耗时3～4小时。显然，这种原始的方法是很难得到推广的。

现在，国际船级社已经确认当今中等电压绝缘技术产品符合船电安全规范要求。船舶岸边输电系统技术方案有以下两大类：

1、随船AMP系统------在靠近船舶配电房的左右舷各安装一台中压电缆卷筒用于从码头岸边取电，和船舶上的中压开关柜变压器和开关柜组成一套岸边供电系统系统；

对于随船取电系统，只能在新造或改造船舶时考虑加装固定在左右船舷两侧。在船舶配电房增设6～15kV中压开关柜和开关柜。大量现有船舶必须经过加装这些设备后才能在靠岸时接通岸边电源。而且暴露在左右船舷的电缆卷筒随船远航遇风浪时存在被海浪击坏的风险。

2、岸边系统

1）  固定系统——由建码头时就考虑好的为专用船舶供电的岸边可收缩馈电臂和专用变电站及输电电缆组成；

2）  可移动系统-------可存放在码头，不必随船远行，且能用于多条各种船舶的系统。

目前国外仅有两家国外公司开尝试了可移动系统。其系统框图如附图1所示。

从附图1可以看出，现有的系统只能被称为“可移动岸边船舶取电系统”因为其功能仅仅是在船舶靠岸时，用起重机将之吊上船舶后，内置的电缆卷筒可以将中压电缆释放到码头地面的电源箱，将码头岸边的6～15kV中压电源输送到船上。这种系统仅可用于岸边电源频率为60Hz的地区，用这套系统只要在船上配上变压器，船舶就可以使用安电了。而对于岸电频率为50Hz的地区，船舶上除了要配6～15kV中压变压器，还得增设变频/逆变单元，这一整套设备。虽然大部分船用电压频率为60Hz，也有采用50Hz电压频率的船舶。很显然目前国外相关厂商提供的“可移动岸边船舶取电系统”不仅不完全是用于岸电频率为60Hz的港口，对于和我国一样，采用50Hz工频电压的地区，无论是AMP随船系统还是“可移动岸边船舶取电系统”都是不适用的。

国内曾经有人尝试过在码头边用变频电源向靠岸船舶供电的举措。但是这套电源系统没有配备能随潮汐涨落和船舶吃水变化可自动收电缆的驱电系统。试验时只能将变频电源放置在码头岸边。从变频电源输出的低压电源要通过数条粗大的数十米长低压大电流电缆引上船舶和配电系统接驳，除了需要动用起重机，还得花上2～3小时。整个操作过程和当年洛杉矶港使用舶船供电系统的情况如出一辙。

发明内容

本发明的根据当今世界上既有采用60Hz工频电压的国家和地区，也有不少采用50Hz工频电压的国家和地区，和当今船舶中虽然大部分采用了60Hz船用电压，也有不少采用50Hz电压的现装，公开一种能适用于各种工频电源的岸边移动式船用变电站集成系统。

本发明是这样实现的：一种岸边移动式船用变电站集成系统，通常由一个带电缆自动收放控制系统、6～20kV中压开关柜和一套手动助力重锤式电缆收放机构的集装箱及一个带船用电源配置系统和一套手动机械助力链式电缆收放装置的集装箱组成。这两个集装箱的尺寸为20/40英尺不等。使用时，一般被重叠放置在大型船舶上（带电缆收放机构的箱体在上），两个箱体之间用标准的集装箱旋转锁锁住。两个箱体之间带有6～20kV防水中压电源插头和插座。其特征在于：所述的电缆自动收放控制系统设有：

A：当此电缆收放控制系统接入临时电源即可启动导缆器小车推开放出电缆的舱门；

B：当电缆导架伸出到设定的位置后以自动或手动的方式插入定位销，在插入定位销后，安全连锁开关发出信号准许下一步放缆操作；

C：电缆卷驱机构具有手动和自动两种操作模式：手动模式用于将卷筒上的6～20kV 中压电缆释放到岸边供电箱附近和船舶离岸前将电缆收卷入电缆卷筒的操作。（手动模式也用于设备检修）。当6～20kV 中压电缆被接到了岸边的中压电源箱后即切换到自动操作模式；自动操作模式的原理是采用通过潮汐时续参数及船舶吃水变化补偿参数决定提升卷绕电缆的驱动转矩的变频驱动自动控制系统，使得由马达减速机驱动的电缆卷筒具备发条弹簧般的机械特性，在涨潮时电缆会因浮力而非常轻松地将电缆收入卷筒而对电缆无损，在退潮后水位下降时，卷筒又会将电缆拽出卷筒，其驱动转矩会随涨落潮的潮汐时续自动变换。

D：上层集装箱内的手动锤式助理装置可以很轻松地将从中压开关柜输出的6～20kV电缆，从此箱体的另一端放到下层的箱体，可将此电缆端部的防水中压电源插头插入到带电源配置系统下层箱体上的插座，实现和下层箱体内中压滤波变压器的快速接通。

E：可以通过手动机械助力链式电缆收放机构轻松地将若干条低压大电流引出下面带电源配置系统的箱体。将这些电缆的端部低压大电流插头插入船舶上岸电箱上的插座就可以将此移动式船用变电站系统的电源输送到船上，取代副机发电运转。

所述的船用电源配置系统设有500～2500KVA干式特种虑波变压器，防止变频电源产生的高次谐波对电网的污染。

所述的变频电源输出的电压和频率是可调的，其输出电压的调节范围是440VAC±10%，输出电压的频率可设定为50或60 Hz。

所述的船用电源配置系统的输出端为配备防水型低压大电流插头或配备若干条低压大电流柔性电缆，并配备手动助力的链式排缆装置，实现轻松地将数条粗大的低压柔性电缆引导至船舶的配电端口接驳。

所述的船用电源配置系统的单套总容量为小于或等于2500KVA，已经满足大部分船型的容量，所述的船用电源配置系统集成通常内置于两个20～40英尺标准集装箱内，其中一个为系统输入端，内置电缆卷筒，高压开关柜，带6～20kV防水中压电源插头的输出电缆和手动机械助力电缆收放装置，另一个箱体外部的一端带有6～20kV防水中压电源插座，箱内有干式滤波变压器，变频电源组件，数条带防水型大电流插头的低压大电流输出电缆和手动机械助力链式电缆收放装置；干式滤波变压器和变频电源组件置于全密封保温舱内，使变频电源产生的热量由一套风管式制冷系统产生的冷气散发，此部分的防护等级为IP55；所述的船用电源配置系统所配备的6～20kV和低压大电流插头和插座的防护等级为IP65。

本移动式船用变电站系统既可以设计成两个形如20或40英尺标准集装箱状的箱体以适用于靠岸的集装箱货运船舶，也可以根据散料货轮，油轮，大型游轮乃至军用舰船不同的要求设计成单体，双体或单体分立系统。对于只有低压岸电的码头，本系统也可做相应变动采用低压大电流电缆卷筒向船舶输送岸电。

本发明的有益效果是：本发明系统由一台可随潮汐涨落和船舶吃水变化自动收放电缆的电缆卷筒取电机构、中压开关柜、带虑波功能的中压变压器和变频开关电源组件和一套手动助力的低压大电流电缆链式排送装置组成。所有设备内置于一个形如标准40英尺集装箱的箱体内，整个系统集成为港口岸边移动式船用变电站。

本发明适用于各类船型靠岸时取代船用副机发电机组的运转，不必随船远航，只需放置于港口。当船舶靠岸后可吊装到船上后，先用约1.5kW的380VAC临时电源启动自动开启本系统的舱门放出电缆卷筒上的中压卷筒电缆，并接入岸边的中压电源箱上。系统内置的链式手动机械助力装置能方便地将数条低压大电流输出电缆接驳到船舶的配电接口。当完成连接电缆的操作后，本发明系统即可启动向船舶供电。

附图说明

图1  是现有技术可移动岸边船舶取电系统框图。

图2  是本发明岸边移动式船用变电站船用电源配置系统框图。

图3  是本发明的变频电源系统单线图。

图4  是本发明自动收放电缆及控制系统框图。

具体实施方式

本发明一种岸边移动式船用变电站集成系统，通常由一个带电缆自动收放控制系统、6～20kV中压开关柜和一套手动助力重锤式电缆收放机构的集装箱及一个带船用电源配置系统、一套手动机械助力链式电缆收放装置的集装箱组成。这两个集装箱的尺寸为20/40英尺不等。使用时，一般被重叠放置在大型船舶上（带电缆收放机构的箱体在上），两个箱体之间用标准的集装箱旋转锁锁住。两个箱体之间带有6～20kV防水中压电源插头和插座。

电缆自动收放控制系统设有：

A：当此电缆收放控制系统接入临时电源即可启动导缆器小车推开放初电缆的舱门；

B：当电缆导架伸出到设定的位置后以自动或手动的方式插入定位销，在插入定位销后，安全连锁开关发出信号准许下一步放缆操作；

C：电缆卷驱机构具有手动和自动两种操作模式：手动模式用于将卷筒上的6～20kV 中压电缆释放到岸边供电箱附近和船舶离岸前将电缆收卷入电缆卷筒的操作。（手动模式也用于设备检修。）当6～20kV 中压电缆被接到了岸边的中压电源箱后即切换到自动操作模式；自动操作模式的原理是采用通过潮汐时续参数及船舶吃水变化补偿参数决定提升卷绕电缆的驱动转矩的变频驱动自动控制系统，使得由马达减速机驱动的电缆卷筒具备发条弹簧般的机械特性，在涨潮时电缆会因浮力而非常轻松地将电缆收入卷筒而对电缆无损，在退潮后水位下降时，卷筒又会将电缆拽出卷筒，其驱动转矩会随涨落潮的潮汐时续自动变换。

D：上层集装箱内的手动锤式助理装置可以很轻松地将从中压开关柜输出的6～20kV电缆，从此箱体的另一端放到下层的箱体，可将此电缆端部的防水中压电源插头插入到带电源配置系统下层箱体上的插座，实现和下层箱体内中压滤波变压器的快速接通。

E：可以通过手动机械助力链式电缆收放机构轻松地将若干条低压大电流引出下面带电源配置系统的箱体。将这些电缆的端部低压大电流插头插入船舶上岸电箱上的插座就可以将此移动式船用变电站系统的电源输送到船上，取代副机发电运转。

在附图2中，岸边带引导信号的防水中压插头插座：是固定在码头岸边电源箱上的快速电源插座。电源箱的防护等级为IP55，快速电源插座的防护等级为IP65。插座内带两个引导保护芯。当防水中压电源插头插入时，岸上送电开关若不能从这里收到插头上的短接信号，将不能合闸送出6～20kV电源。

受潮汐时续自动控制收放的电缆卷筒：是一种可随潮水涨落和船舶吃水变化自动收放连接到岸边供电箱电缆的设备。它有种两操作模式：手动模式用于船舶刚靠岸时将卷筒上的电缆放出和船舶离岸前将电缆收卷入电缆卷筒上；自动模式用于船舶靠泊后直至离岸前随潮汐和吃水变化自动收放电缆确保不拉坏电缆。

6～20kV中压开关柜：永磁式ZN73F-12型真空断路器采用630A/1200A金属铠装中置式开关柜。适用于频繁开断操作，其永磁操作机构寿命可达10万次以上。断路器额定电流为630A/1200A，额定电压为12KV，额定开断／关合电流为20KA／50KA。柜体母线按630A/1200A配置。

旋转光缆偶合传输装置：这是内置于电缆卷筒的用于岸上和船舶间通信光纤信号传输的装置。仅当选用带光纤的6～20kV卷筒电源电缆时才提供。岸边电源箱和船舶上都应配相应的光纤

端子接口。

机械助力手动柔性中压电缆收放传输链装置：由于动力电缆的比重通常为6～9 kg/m，两条10余米（并联使用）的电缆（每条电缆的一端又带了防水中压电源插头），总重量不轻，需要有这套机械助力机构方能轻送地将电缆引出插入电源配置箱体上的插座。

6～20kV防水中压电源插头：6～20kV防水中压电源插头组件。防护等级IP65。装配在6～20kV电缆端部。用于快速连接电缆。

船舶通讯设备：接收/发送光纤信号的端口，可选用ST端子。

6～20kV防水中压电源插座：6～20kV防水中压电源插座组件。防护等级IP65。安装在电源配置箱体一端。用于快速连接电缆。

输入滤波变压器：干式特种变压器，额定功率容量为500～2500KVA，额定输入电压为10KV，额定输出电压为520V，短路阻抗≤5％，采用真空压力浸渍漆绝缘处理工艺，绝缘级别为H级。具有滤除高次谐波功能。

VACON变频器：采用芬兰VACON NXP系列高性能矢量控制电源专用变频器，该变频器采用SPWM（正弦脉宽调制）技术以及矢量电压控制技术来进行电源功率的变换，控制处理  器采用双DSP专用数字信号控制处理器进行程序运算控制，程序运算周期小于10毫秒，保护中断小于2微秒，调制开关频率达6K，控制器与IGBT模块之间通过光纤高速连接。由于运算控制速度快，IGBT功率开关器件保护在2微秒以下，（IGBT功率开关器件其短路承受能力仅为5微秒）即使是变频电源输出端短路，逆变器马上关闭而IGBT功率开关器件不会造成烧毁。而且由于保护关断速度极快，不会造成设备以及人员任何的伤害，这种高速保护性能在作为电源应用的场合尤为重要。

正弦滤波器：这是专用的逆变器输出端三阶正弦波滤波器。该滤波器采用独立滤波形式，电抗器采用箔式绕制工艺，整体真空压力浸渍漆绝缘处理，绝缘级别为H级。额定工作电流为650～2650A。对于三相三线输出系统可取消输出变压器，从而大大减小输出电路的阻抗，提高起动大功率电机的能力及带复杂负荷的能力。

低压输出开关：塑壳断路器和电动操作装置，带失压瞬时脱扣装置。

机械助力手动柔性低压电缆收放传输链装置：低压电缆的比6～20kV电缆更重，通常需要3～4条并联使用。每条电缆的一端又带了防水中压电源插头，需要有这套机械助力机构方能轻送地将这些电缆从电源配置箱引出10余米连接到船舶上的岸电接口。

带引导信号的防水低压大电流插头：低压大电流插头组件。防护等级IP65。装配在低压电缆端部。用于快速连接电缆。

船舶上的岸电受电箱大电流插座：船舶上应配有专门接受岸电的接线箱，为了快速接通岸电，此箱体上配有低压大电流插座组件，它的防护等级为IP65。此插座连接到船舶上配电室内的岸电断路器。船舶的岸电断路器应该和副机发电机组的电源互锁。

在附图3中，高压输入柜：就是6～20kV开关柜，通常它和电缆卷筒一起被安装在同一个集装箱内。

变频电源系统的以下部件被置于另一个集装箱内，并需要和逆变单元柜同被置于密闭的可散热的保温环境。

变压器柜：等同于前面所述的输入滤波变压器。

逆变单元柜：等同于前面所述的VACON变频器和正弦滤波器。

输出柜：等同于前面所述的低压输出开关。

在附图4中，潮汐时续设定参数：电缆卷筒的收卷和释放电缆的驱动扭矩是不同的。当系统投入自动收放电缆控制模式前，应将预计何时开始涨/落潮的时间参数输入到电缆卷筒的控制系统，使系统届时自动实现扭矩切换。船舶吃水变化补偿参数：船舶的吃水变化和电缆卷筒离岸高度相关。电缆卷筒的驱动扭矩应随离岸高度变化作自动补偿调节。在将电缆卷筒设定为自动控制模式时，输入了这个补偿参数可以更精确地自动调节驱动扭矩。

变频驱动功率设定数值的电缆自动收放控制系统：变频驱动功率设定数值是根据电缆规格，卷绕长度，卷绕速度和预计的最高安置高度通过计算获得。这是系统的最高驱动功率。通过计算，也获得了从电缆卷筒的最低位置到最高位置时收入和释放电缆的两组扭矩设定梯度。将这组和上述两组参数输入到变频驱动控制系统就可以获得如“发条弹簧卷筒”般的驱动特性。

电机：驱动电缆卷筒的马达。

电缆卷筒机构：电缆卷筒机构被上述的电机驱动。由卷筒构件，容量最高可达4800A的大电流集电器组件，传动机械，电动导缆器小车，卷筒支座构件和底盘构件等部件组成。从电缆卷筒的集电器输出的电缆接入6～20kV中压开关柜。

光缆偶合器：此件为选用件，图中未示，内置于电缆卷筒机构。当电缆卷筒机构选用带光缆的电缆时，应配此选用件用于岸上至船舶的光纤通信。

Claims (5)

1.一种岸边移动式船用变电站集成系统，由一个带电缆自动收放控制系统、6～20kV中压开关柜和一套手动助力重锤式电缆收放机构的集装箱及一个带船用电源配置系统和一套手动机械助力链式电缆收放装置的集装箱组成，其特征在于：所述的电缆自动收放控制系统设有：

A：当电缆收放控制系统接入临时电源后启动导缆器小车推开放出电缆的舱门； 

B：当电缆导架伸出到设定的位置后以自动或手动的方式插入定位销，在插入定位销后，安全连锁开关发出信号准许下一步放缆操作；

C：电缆卷驱机构具有手动和自动两种操作模式：手动模式用于将卷筒上的6～20kV 中压电缆释放到岸边供电箱附近和船舶离岸前将电缆收卷入电缆卷筒的操作，手动模式也用于设备检修；当6～20kV 中压电缆被接到了岸边的中压电源箱后即切换到自动操作模式；自动操作模式的原理是采用通过潮汐时续参数及船舶吃水变化补偿参数决定提升卷绕电缆的驱动转矩的变频驱动自动控制系统，使得由马达减速机驱动的电缆卷筒具备发条弹簧般的机械特性，在涨潮时电缆会因浮力而非常轻松地将电缆无损地收入卷筒，在退潮后水位下降时，卷筒又会将电缆拽出卷筒；

D：上层集装箱内的手动锤式助理装置很轻松地将从中压开关柜输出的6～20kV电缆，从本箱体的另一端放到下层的箱体，将此电缆端部的防水中压电源插头插入到带电源配置系统下层箱体上的插座，实现和下层箱体内中压滤波变压器的快速接通；

E：通过手动机械助力链式电缆收放机构轻松地将若干条低压大电流引出下面带电源配置系统的箱体，将这些电缆的端部低压大电流插头插入船舶上岸电箱上的插座实现将此移动式船用变电站系统的电源输送到船上，取代副机发电运转。

2.根据权利要求 1 所述的岸边移动式船用变电站集成系统，其特征在于：所述的船用电源配置系统设有500～2500KVA干式特种虑波变压器，防止变频电源产生的高次谐波对电网的污染。

3.根据权利要求 2 所述的岸边移动式船用变电站集成系统，其特征在于：所述的变频电源输出的电压和频率是可调的，其输出电压的调节范围是440VAC±10%，输出电压的频率可设定为50或60 Hz。

4.根据权利要求 1 所述的岸边移动式船用变电站集成系统，其特征在于：所述的船用电源配置系统的输出端为配备防水型低压大电流插头或配备若干条低压大电流柔性电缆，并配备手动助力的链式排缆装置，实现轻松地将数条粗大的低压柔性电缆引导至船舶的配电端口接驳。

5.根据权利要求 1 所述的岸边移动式船用变电站集成系统，其特征在于：所述的船用电源配置系统的单套总容量为小于或等于2500KVA，已经满足大部分船型的容量，所述的船用电源配置系统集成通常内置于两个20～40英尺标准集装箱内，其中一个为系统输入端，内置电缆卷筒，高压开关柜，带6～20kV防水中压电源插头的输出电缆和手动机械助力电缆收放装置，另一个箱体外部的一端带有6～20kV防水中压电源插座，箱内有干式滤波变压器，变频电源组件，数条带防水型大电流插头的低压大电流输出电缆和手动机械助力链式电缆收放装置；干式滤波变压器和变频电源组件置于全密封保温舱内，使变频电源产生的热量由一套风管式制冷系统产生的冷气散发，此部分的防护等级为IP55；所述的船用电源配置系统所配备的6～20kV和低压大电流插头和插座的防护等级为IP65。

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