海上电力输入输出开关设备详解

为什么不能将岸上电力开关装置作为通用柜体选择？

岸电规格往往过早地被限制在几个目录参数上：

• 电压；;
• 转换能力；;
• 额定电流；;
• 断路器的数量。.

这些值很重要，但它们并不能完全描述电气问题。.

同一座岸电系统可能包含公用事业侧的进线馈线、变流器、隔离变压器、高压或低压配电、泊位连接设备以及船舶的电气系统。.

将开关柜从该链条上的一个点移动到另一个点，多个设计条件可能会发生变化。.

可用故障电流可能会发生变化。.

接地装置可能会发生变化。.

所需的保护功能可能会发生变化。.

该输送装置可以成为从岸到船的输送序列的一部分。.

断路器的关闭可能取决于柜内外的环境条件。.

远程操作可能会引入另一个控制权边界。.

因此，岸上配电开关柜应该被视为电气和操作接口，而不只是一个连接断路器的外壳。.

国际岸接连接标准不仅将保护、控制、监测和互联互通定义为船舶与岸基系统中的整体功能，而不仅仅是各个独立的功能。.

开关柜结构遵循岸上电力传输拓扑结构

并非每个岸电系统都采用单一的开关装置配置。.

在 630 kVA 的配置中，设备链中包含了一台频率转换器。 隔离变压器、计量设备、高压开关设备、低压开关设备 以及几个靠泊点。.

另外一个 500 kVA 的移动配置使用了传入的环路主单元， 已退出的低压开关设备、隔离变压器和连接坞设备。.

关键的区别并不是500 kVA与630 kVA之间的差异。.

这两个系统采用了不同的电气架构。.

仅仅凭借容量并不能决定：

• 输入电压是高电压还是低电压；;
• 变压器位于哪里；;
• 是否适合采用环状布置；;
• 需要多少个输出供电器；;
• 泊位接口的布置方式；;
• 保护边界和计量边界的位置。.

开关柜的结构遵循了拓扑结构。.

因此，在开关柜配置方案冻结之前，应该确定单线图。.

关于更广泛的设备链，请参阅我们的 岸电系统架构与组件 指南。.

HV 和 LV 是不同的设备范围

“岸上电力开关设备”是一种系统功能，而非单个电压等级的产品类别。.

10 kV 输入柜和 400 或 440 V 输出板可能属于同一岸电系统。 但它们并不属于同一设备范围。.

IEC/IEEE 80005-1 规范了高压岸上连接系统，而 IEC/IEEE 80005-3:2025 另行规定了低压岸上连接系统的范围。.

适用于额定电压大于 1 kV 和不超过 52 k 的交流金属封闭开关柜V： IEC 62271-200规定了相关的高压设备框架。 这种功能不应该自动转移到 400 或 440 V 交换机上。.

首先确定电压等级和系统位置，然后确定相应的开关设备要求。.

即将推出的开关柜定义了端口网格接口

进线开关柜构成了港口配电网与岸上供电设备之间的电气界限。.

其职责可能包括：

• 切换和隔离；;
• 故障保护；;
• 电流和电压测量；;
• 与上游保护的协调；;
• 本地和远程操作。.

即将推出的部分与实际的港口网络相关联，因此其故障情况无法仅从转换器的容量中推断出来。.

即使转换器额定功率保持不变，不同的端口供电也能产生不同的故障情况。.

接替的断路器也必须与上游系统进行协调。.

在其中一种配置中，输入断路器采用了过电流保护和接地故障保护功能。.

目标不是最大化断路器的额定值。 就是要根据变压器的实际使用环境来匹配其功能，并正确地协调保护功能。.

输出开关装置保护不同的电气接口

输出部分存在不同的电气问题。.

根据系统架构的不同，它可能位于以下位置之一：

• 变频器和变压器；;
• 变压器和泊位输送机；;
• 转换器和泊位输送机；;
• 泊位连接设备和船只系统。.

因此，即将离任的馈送端所看到的异常情况可能与港网接口处的情况有所不同。.

在其中一个项目中，退出的保护措施包括：

• 过电流；;
• 过电压；;
• 低压；;
• 地电故障；;
• 反向电力；;
• 失衡。.

同一项目的下一部分并不只是使用相同的保护列表。.

但这并不意味着每个输出供料机都需要具备所有这些功能。.

保护功能应根据该系统位置上实际可能发生的异常情况选择，而不应根据可用的继电器功能的数量选择。.

增加保护功能还会增加设置、协调工作以及可能导致不必要的故障的另一项因素。.

转会哲学可以改变防守问题

逆变电源就是其中一个例子。.

采用“断开-再连接”传输方式时，船只的源头和岸基源头不会被有意地平行连接。.

控制的闭环过渡序列会产生不同的运行条件。 岸上电源和船用发电机可能会暂时协同工作，因此主动功率的方向对保护和控制变得至关重要。.

在一种配置中，反向功率行为是并行传输逻辑的一部分，过量的反向功率可能会导致输出断路器保护动作。.

这并不意味着逆电流保护就成为通用输出开关设备的必备条件。.

这使得转移理念成为保护设计的一个输入要素。.

有关详细控制行为的说明，请参阅我们的 岸上供电反向供电保护 文章.

短路保护功能是基于位置而定的要求

额定功率和短路应答功能可以满足不同的工程需求。.

额定功率描述了系统旨在供电的负载量。.

短路负荷是指设备在发生故障时可能承受的电气应力。.

可用故障电流取决于电源以及该电源与故障位置之间的阻抗。.

相关要点包括：

• 港口供水连接；;
• 转换器输入；;
• 变压器接线端子；;
• 转换输出；;
• 泊位输送机；;
• 船只连接。.

变压器和电力电子转换器可以将下游的故障行为与上游的网络截然不同。.

因此，应在实际安装地点而非在设计图中进行断路器和布线板的额定值检查。 由转换器 kVA 推算得出。.

更高的短路额定值会增加设备的尺寸和成本，但并不能纠正不准确的故障分析或保护措施的配合不良。.

工程过程是这样的：

1. 定义系统拓扑结构；;
2. 在相关点确定故障等级；;
3. 将计算出的额定功率与设备规格进行比较；;
4. 确认保护协调。.

关于计算输入和边界的详细信息，请参阅我们的 岸上电源短路电流计算 指南。.

为何锁止装置延伸至开关柜外

岸上供电开关并非单个断路器操作。.

该系统经历了几个物理和电气状态：

• 断开连接；;
• 连接但没有电；;
• 准备好进行能量化；;
• 精力充沛；;
• 转移；;
• 孤立的；;
• 维修；;
• 断开连接。.

即使完整的海底至船只连接仍然处于不安全状态，断路器仍可以机械上保持健康。.

问题在于国家之间的不安全结合

考虑一个供电装置，该装置在维修期间已接地，而断路器则仍可供关闭使用。.

每个设备本身可能都运行正常。.

这种组合是不可接受的。.

必须防止将断路器连接到接地电路中。.

相反的情况也很重要。 绝不允许接地开关将有电力的供电装置接地。.

同样原则适用于可拆卸的断路器位置、舱室进出以及岸上连接设备。.

工程问题不一定是组件存在缺陷。. 这可能是一个原本有效的组件状态的无效组合。.

内部开关装置锁止装置

在其中一个项目的规格文件中，使用了锁止装置以防止：

• 在载重的情况下移动断路器卡车；;
• 开关操作不正确；;
• 在接地开关关闭时，同时打开断路器；;
• 进入有电气的舱室；;
• 将接地开关连接到已通电的电路上。.

接地开关还必须提供清晰的开启或关闭状态。.

这些功能将切换序列转化为设备行为，而不是将其仅保留在操作员的记忆中。.

系统权限可以扩展到连接设备

岸上电力系统的安全状态并不止于开关柜的门。.

在其中一个项目中，电缆插头与输出断路器连接在一起，连接箱门也与断路器权限相关联。.

开关柜具有自身的机械和电气锁止装置。.

完整的岸上电力系统可以根据连接设备的状态和已批准的操作顺序添加另一层允许性。.

IEC/IEEE 80005-1 也涉及了更广泛的高压船舶-岸基连接系统的相互连接问题。 EMSA的指导文件将岸上电力视为一个综合性的基础设施、运营和安全问题。.

更多层次的关联并不一定意味着更好。.

额外的允许条件意味着更多的信号、布线、逻辑、调试和故障排除工作。.

设计应区分安全关键的锁止装置与仅用于报警的条件。这样可以确保阻挡逻辑与实际危险情况和操作顺序保持一致。.

接地可以解决地球故障问题

在了解中性接线和接地连接之前，输出保护功能无法完成。.

接地决定了地面故障电流可用的路径。.

改变这条路径，就可以改变多项保护条件：

• 故障电流强度；;
• 检测方法；;
• 所需测量范围；;
• 继电器功能；;
• 旅行理念。.

在一种岸上供电配置中，重复移动电缆和机械应力被认为与接地故障风险有关。.

在该配置中描述的特殊非接地布置下，可能很难快速发现并隔离单相接地故障。.

该系统采用了中性接地电阻器以及输出端的零序列保护装置。.

该配置解决了地球故障检测问题，但它并不是一种通用的岸上电源接地方法。.

不同的变压器连接方式或船侧中性连接方式可能需要采用不同的方法。.

在确定接地检测和输出保护方式之前，先明确接地原理。.

最终的布置应根据岸线图和船只单线图进行审查。.

关于更广泛的接地和防接地问题，请参阅我们的 岸上电源配电点等电点连接和接地 指南。.

计量、CT/PT 和控制接口的功能必须匹配。

开关设备也是一种测量和控制接口。.

一个常见的规范问题是，在定义了每个测量或信号的目的之前就选择了设备。.

在一种岸上供电配置中，系统测得：

• 当前；;
• 电压；;
• 频率；;
• 主动功率；;
• 可逆功率；;
• 功率因数；;
• 活性能量；;
• 反应性能量。.

这些测量结果可以用于不同的目的。.

保护继电器、操作员显示器和计费仪表并不一定需要相同的测量性能。.

CT/PT 筛选遵循功能要求

选择电流互感器时应考虑以下因素：

• 比例；;
• 准确性；;
• 负担；;
• 连接继电器或仪器。.

因此，CT并非一种可以在防护设计完成后独立完成的附件。.

V稳压变压器也遵循同样的原理。.

它们的功能安排和主侧保护功能必须与它们所支持的测量和保护功能进行协调。.

运营计量并非自动计费的计量

开关柜显示器可以显示能源数据，而无需将测量结果自动转换为商业结算形式。.

如果需要计费，项目应分别定义以下内容：

• 商业计量边界；;
• CT/PT 的准确性；;
• 验证或认证要求；;
• 适用当地公用事业的要求。.

这会阻止操作性测量被用于原本并未指定用途的用途。.

协议名称并未定义控制接口

只写字 需要 Modbus 或者 IEC 61850要求 它不定义完整的接口。.

网络连接虽然可以正常运行，但操作界面仍然不完整。.

该项目仍需明确：

• 测量；;
• 断路器位置；;
• 接地开关状态；;
• 报警器；;
• 旅行；;
• 允许的命令；;
• 指挥权；;
• 许可状态；;
• 点列表。.

在其中一个项目的规格中，允许使用 Modbus RTU 或其他开放式总线。.

另外一种 10 kV 配置使用 IEC 61850 作为监督集成的一部分。.

这些是项目实施情况，而非普遍的海岸动力协议要求。.

IEC/IEEE 80005-2 规范了非紧急监控和控制功能的数据接口和通信程序。 该标准并未具体规定针对 IEC/IEEE 80005-1 规定的紧急功能的通信方式。.

协议规定了数据如何交换的规则。.

它本身并不能决定谁可以操作断路器，或者在什么条件下应该接受命令。.

地方当局和远程当局必须明确说明

远程操作增加了另一个控制权边界。.

在一种开关柜配置中，低压区包括：

• 保护继电器；;
• 仪器和显示器；;
• 实时显示；;
• 本地/远程选择；;
• 故障重置。.

另外一种 10 kV 配置采用电机控制装置，并与监控系统集成在一起。.

因此，运营权力既可以在内阁中，也可以在更高层次的控制系统中存在。.

该项目需要明确：

1. 谁有权发出命令；;
2. 哪些权限仍适用于远程模式；;
3. 哪些行动必须保持本地化；;
4. 在接受命令之前，必须确认该状态。.

遥控器不应该绕过当地适用的安全逻辑。.

更强大的远程功能也带来了更多接口责任。.

需要额外的命令：

• 权力管理；;
• 通信测试；;
• 清晰的重置行为；;
• 完成完整的控制和反馈路径的调试。.

状态监测可以提供另一个保障层。.

在一种配置中，使用断路器运行电流曲线、机制行程信息和温度数据来评估设备状况。.

这是一种针对特定项目的监测方法，而非强制性的岸上电力功能。.

FAT必须证明完整的切换链

工厂测试不仅要证明断路器能够开启和关闭。.

即使完整的保护和控制链仍然存在缺陷，组件仍可以运行。.

例如：

• 正确的继电器可能正常工作，但错误的断路器却接收到了断路信号；;
• 断路器可能移动，但监控反馈仍然不正确；;
• 在图中可能存在一个锁止功能，但无法阻止实际的命令执行；;
• 指示器可能显示错误的状态；;
• 耐压测试可能需要用到原本应该隔离的设备。.

因此，FAT开关柜需要进行电气测试和功能验证。.

组件 PASS 不等于系统 PASS

功能验证应确认当出现保护或控制条件时，整个系统是否达到预期的最终状态。.

单独测试各个组件并不能证明其完整的行为。.

测试边界必须正确

在其中一项项目测试程序中，准备进行主电路耐压测试的工作包括以下步骤：

• PT 电路；;
• 进出线的电缆；;
• 适用的情况下应安装浪涌抑制器；;
• 断路器测试状态。.

随后，主电路在各相之间以及各相与地之间进行了测试。.

正确的测试结果始于正确定义的测试边界。.

错误的边界可能会使连接设备暴露在不合适的测试条件下，或者导致结果难以解释。.

功能 V验证必须遵循行动链

每个链接都必须正确。.

仅测试第一个或最后一个项并不能证明链条的存在。.

锁止装置和辅助电路需要进行功能测试

该项目测试程序还包括了以下方面的检查：

• 断路器电阻；;
• 门锁和互锁功能；;
• 二级布线；;
• 布线识别；;
• 连续性；;
• 控制功率；;
• 内阁指示；;
• 控制设备之间的通信。.

这些测试可以发现在单独的组件检查中无法发现的接口错误。.

完整的 FAT 需要比简单的组件检查更多准备和测试时间。 好处在于，接口验证会在坞泊调试前进行。.

关于更广泛的检查和验收流程，请参阅我们的 岸电制造和FAT 指南。.

常见的岸上配电柜规范错误

从转换器 kVA 中选择故障负荷

额定功率和故障负荷是不同的电气量。.

确认开关柜位置上的短路电流水平。.

将传入保护复制到输出端

进出站部分位于不同的接口上。.

定义每个位置的实际故障保护和运行情况。.

将锁扣视为仅限内阁使用的功能

断路器的许可可能取决于连接设备中的有效条件以及更广泛的从岸到船的传输过程。.

定义完整的允许链。.

在定义接地之前完成输出保护

接地会改变地球故障路径。.

在中性连接和接地连接保持开放的情况下，保护方案无法正确完成。.

在不定义权限和数据的情况下指定通信协议

协议只是接口的一部分。.

还要定义点、命令、权限、操作权限以及反馈等概念。.

开关柜选择之前必须确定哪些因素

一个有效的开关柜询价单需要具备电压和转换器容量以外的更多条件。.

电气数据

提供：

• 输入电压和频率；;
• 输出电压和频率；;
• 正常和最大工作电流；;
• 可用的短路电流水平。.

系统架构

提供：

• 岸线单线图；;
• 船侧单线图；;
• 转换器装置；;
• 变压器的额定值和阻抗；;
• 供料装置；;
• 泊位或船只连接的数量。.

保护

定义：

• 入境保护理念；;
• 输出保护理念；;
• 上下游协调；;
• 传输方式；;
• 是否允许临时并行运行。.

接地

定义：

• 变压器连接；;
• 中立安排；;
• 岸上接地方法；;
• 船侧接地信息；;
• 地球故障检测理念。.

计量

定义：

• 操作测量；;
• 如有任何计费要求；;
• CT/PT 精度要求；;
• 计量边界。.

控制与沟通

定义：

• 本地操作模式；;
• 远程操作模式；;
• 指挥权；;
• 断路开关的允许性；;
• 通信协议；;
• 点列表；;
• 报警和故障响应职责。.

V验证与遵从

定义：

• 适用HV 或LV 型岸接框架；;
• 适用于开关设备的要求；;
• FAT 范围；;
• 功能测试的预期；;
• 证人要求；;
• 验收标准。.

这些输入数据使开关柜能够作为完整的岸上供电系统的一部分进行检修，而不仅仅是作为单独的商品进行销售。.

常见问题解答

技术参考

1. IEC/IEEE 80005-1 — 高压岸上连接系统
2. IEC/IEEE 80005-2 — 用于监测和控制的数据通信
3. IEC/IEEE 80005-3 — 低压岸上连接系统
4. IEC 62271-200 — AC 金属封闭式开关装置和控制装置
5. EMSA — 海岸电力指导