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Die Ausschreibung umfasste zwanzig Seiten für Bauarbeiten und nur eine Zeile für den elektrischen Umfang: Lieferung und Einbau einer 6,6-kV-Shore-Power-Anlage. Wir fragten den elektrotechnischen Ingenieur des Hafens, mit welcher Frequenz die Besuchsschiffe betrieben werden. Es folgte eine Pause, dann die Antwort: ‚Je nach Standard.‘ Diese eine unbeantwortete Frage entscheidet die Auslegung des shore-Power-Transformator , ob am Liegeplatz überhaupt ein statischer Frequenzumrichter benötigt wird und ob ein Kreuzfahrtschiff beim Eintreffen tatsächlich angeschlossen werden kann.
Cold Ironing ist von einer Pilotprojekt-Position zu einer behördlichen Auflage in immer mehr Häfen geworden; das elektrische Paket wird dabei meist zuletzt formuliert und am wenigsten geprüft. Dieser Leitfaden behandelt, was eine shore-Power-Transformator shore-Power-Anlage am Liegeplatz aushalten muss, welche Werte in die Spezifikation gehören und welche Details zu Oberschwingungen und Korrosion darüber entscheiden, ob die Anlage nach fünfzehn Jahren Salzluft noch im Betrieb ist.
Cold-Ironing-Last ist keine Gebäude-Last
Ein Schiff am Liegeplatz schaltet seine Hilfsaggregate ab und bezieht sämtliche Energie vom Ufer: Hotellast, Kühlcontainer (Reefers), Pumpen, Krane bei Selbstentladern sowie bei Kreuzfahrtschiffen die gesamte Klima- und Küchenlast. Die Spitzenlast ist hoch und steigt abrupt an. Ein großer Kreuzfahrtliegeplatz wird üblicherweise für ca. 7,2 MVA bei 6,6 kV geplant, was einem Sekundärstrom von etwa 630 A entspricht; ein Containerliegeplatz mit Kühlcontainer-Stellplätzen liegt dagegen eher bei 1,5 bis 3 MVA.
Die Belastung ist zudem in einer Weise wiederholend, wie sie ein Verteiltransformator niemals erfährt. Bei jeder Schiffsanbindung wird der Transformator und anschließend auch der eigene Transformator des Schiffs eingeschaltet, sodass der Einschaltstromstoß mehrmals täglich auftritt – gelegentlich über ein Kabel von 200 bis 400 m Länge zwischen Liegeplatzkasten und Schiff. Hinzu kommen eine Umgebungstemperatur von 45 °C in einem Golfhafen, eine relative Luftfeuchtigkeit von 90 % sowie eine geplante Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren – unter diesen Bedingungen wirkt die auf dem Datenblatt noch großzügig erscheinende thermische Reserve plötzlich knapp.
Spannung, Frequenz und die Entscheidung für einen Umrichter
Die Hochspannungs-Anlandeverbindung ist genormt in IEC/IEEE 80005-1 , und die Änderung des Standards aus dem Jahr 2021 existiert weitgehend deshalb, weil die Phasendrehung an der Schnittstelle Schiff–Kai im Betrieb Probleme verursacht hat. Die praktische Erkenntnis für einen Transformator-Käufer ist enger gefasst: Der Liegeplatz muss die vom Schiff erwartete Spannung und Frequenz liefern, und der Transformator ist nur ein Teil dieser Kette.
Drei Konfigurationen decken die meisten Ausschreibungen ab, und sie erfordern drei unterschiedliche Transformator-Spezifikationen.
| Liegeplatz-Konfiguration | Transformator-Betrieb | Was sich in der Spezifikation ändert |
| 60-Hz-Netz, 60-Hz-Flotte | Nur Spannungssenkung, z. B. von 33 kV auf 6,6 kV | Am nächsten an einer normalen Verteilereinheit: Standard-Impedanz, ONAN- oder ONAF-Kühlung, C5-M-Lackierung für die maritime Atmosphäre |
| 50-Hz-Netz, 60-Hz-Flotte | Speist einen statischen Frequenzumrichter oder ist am Ausgang des Umrichters angeordnet | Strom mit reichhaltigem Obertonanteil, Gleichstrom-Offset am Umrichterausgang, höhere Wirbelstrom- und Streuverluste, Lüfter- und Pumpenhilfsantriebe auf der Umrichterseite |
| 50-Hz-Netz, 50-Hz-Flotte (Fähren, RoRo) | Nur Spannungssenkung, z. B. von 11 kV auf 6,6 kV | Spannungsverhältnis und Stufbereich ausgelegt für die aktuelle Flotte, nicht für eine zukünftige |
Wo die Frequenzen übereinstimmen, ist ein shore-Power-Transformator eine konventionelle Verteilungs- oder Leistungstransformator mit ungewöhnlicher Korrosionsanforderung. Wo sie nicht übereinstimmen, befindet sich der Transformator stromabwärts eines Umrichters und übernimmt dessen Wellenform. Dieser zweite Fall birgt das meiste technische Risiko und ist der Fall, bei dem eine Standard-Verlustbewertung stillschweigend falsch wird.
Wo Oberwellen den Transformator treffen
Schiffsgleichrichtervordereinheiten sind die Quelle. Eine Sechspulsanordnung erzeugt charakteristische 5. und 7. Oberschwingungen; eine Zwölfpulsanordnung verschiebt die dominierenden Ordnungen auf die 11. und 13. Diese Ströme durchlaufen den Transformator, und die Wirbelstromverluste in den Wicklungen steigen annähernd mit dem Quadrat der Oberschwingungsordnung an; daher verursachen die 11. und 13. Oberschwingung pro Ampere deutlich mehr Erwärmung als die Grundschwingung.
Zwei Werte gehören in die Spezifikation. Der erste ist eine zulässige Oberschwingungsverlustleistung, angegeben entweder als K-Faktor oder als vorgegebens Oberschwingungsspektrum, das das Gerät bei Nennstrom ohne Überschreiten seines zulässigen Temperaturanstiegs tragen muss. Der zweite ist die zulässige Spannungsverzerrung am gemeinsamen Kopplungspunkt, wo Die IEEE-519-Oberschwingungsgrenzwerte für Systeme zwischen 1 kV und 69 kV einen Gesamtoberschwingungsgehalt von 5 % festlegen. Ein 6,6-kV-Anlegeplatz liegt eindeutig innerhalb dieses Bereichs.
Hier liegt der Teil, den die meisten Hafenspezifikationen übersehen: Die Erhöhung der Transformatorimpedanz zur Begrenzung des Kurzschlussstroms erhöht auch die Spannungsverzerrung bei gleichem Oberschwingungsstrom, da ein größerer Anteil dieser Verzerrung direkt am Transformator auftritt. Impedanz, Umrichterpulszahl und Filterauslegung müssen gemeinsam festgelegt werden. Wenn eine Liegeplatzanfrage mit 8 % Impedanz, einem zwölfpulsigen Umrichter und keiner Filterung eingeht, markieren wir diese Kombination bereits vor der Angebotserstellung.
Salz, Feuchtigkeit und die Liegeplatzumgebung
Ein Liegeplatz ist ein Küstenstandort mit einer ungewöhnlich aggressiven Atmosphäre: Salznebel, Gezeitenfeuchtigkeit, Dieselabgase sowie Hochdruckreinigung in der Nähe des Terminalgebäudes. Für Außeninstallationen am Kai sollte das Beschichtungssystem nach ISO 12944 Klasse C5-M spezifiziert werden, wobei für außenliegende Befestigungselemente Edelstahl 316 und für die Tankunterseite ein Material verwendet werden muss, das an den Verankerungspunkten nicht durchrosten kann. Warmverzinkte Grundrahmen sind üblich; wir verlangen jedoch die Angabe der Beschichtungsstärke in Mikrometern statt des Farbnamens.
Gehäuse und Kühlung ergeben sich aus der Aufstellung. Ölgefüllte Geräte eignen sich für eine Außenplattform neben dem Liegeplatz; gießharzisolierte Trockentransformatoren eignen sich für das innenliegende Terminalgebäude, wo die Brandlast und die Kabelverlegung ein Gerät ohne Flüssigkeit begünstigen. In beiden Fällen ist mindestens IP54 vorzugeben, Heizungen gegen Kondensation im Niederspannungs-Fach sowie eine Temperaturerhöhungsklasse, die am Standort-Ambientetemperatur – nicht bei der im Katalog angegebenen Standardtemperatur von 40 °C – noch eingehalten wird.
Ein Detail, das wir früh ansprechen, weil es später teuer wird: Lüfterausfall. Ein ONAF-Transformator, dessen Nennleistung für die volle Liegeplatzlast bei laufenden Lüftern ausgelegt ist, verliert im August bei Festfressen eines Lüftermotors 25 bis 30 % seiner Leistungsfähigkeit. Entweder ist ein Lüftergruppenalarm vorzusehen, der mit dem Überwachungssystem des Hafens verdrahtet ist, oder die ONAN-Nennleistung ist auf die realistische Dauerlast auszulegen, wobei die Zwangskühlstufe als Reservekapazität für die Spitzenlast des Hotels betrachtet wird.
Was in das Shore-Power-Transformator Spezifikation
Die nachstehende Tabelle enthält den Mindest-Datensatz, den wir benötigen, bevor ein Liegeplatzangebot korrekt kalkuliert werden kann. Fehlende Angaben werden als Annahmen behandelt, und Annahmen führen zu Änderungsaufträgen. Wo eine Angabe auch in der Norm IEC/IEEE 80005-1 enthalten ist, ist die entsprechende Klausel neben der Angabe anzugeben, damit Lieferant und Hafeninspektor dieselbe Anforderung lesen.
| Parameter | Typische Liegeplatzanforderung | Warum es wichtig ist |
| Nennleistung | 7,2 MVA pro Kreuzfahrtliegeplatz; 1,5 bis 3 MVA pro Containerliegeplatz | Legt das gesamte thermische Konstruktionskonzept sowie die Kabelquerschnitte vom Liegeplatzkasten ab fest |
| Spannungsverhältnis | primärspannung 33 kV oder 11 kV, Sekundärspannung 6,6 kV oder 11 kV | Muss mit der Schiffsschaltanlage übereinstimmen, nicht mit dem Hafennetz |
| Frequenz | 60 Hz für eine 60-Hz-Flotte, 50 Hz für eine 50-Hz-Flotte; Frequenzumrichter dort, wo die Netzfrequenzen voneinander abweichen | Entscheidet darüber, ob ein Frequenzumrichter – und dessen Oberschwingungsspektrum – in die Konstruktion einzubeziehen ist |
| Impedanz | typisch 6 bis 8 %, abgestimmt auf die Kurzschlussleistung | Zu niedrig: Die Schiffsschaltanlage wird mit übermäßiger Kurzschlussstromstärke belastet; zu hoch: Die Spannungsverzerrung steigt |
| Oberschwingungsbeanspruchung | Angegebener Spektrum- oder K-Faktor, 5 % THDv am PCC | Verhindert Wicklungshotspots, die kein Standard-Verlusttest aufdeckt |
| Kühlung | ONAN mit ONAF-Stufe, Lüfteralarm an die SCADA-Schnittstelle | Hält den Liegeplatz im Betrieb, wenn ein Lüfter ausfällt |
| Korrosion | C5-M-Lack gemäß ISO 12944, Edelstahl-Befestigungselemente (Werkstoff 1.4404), IP54 | Fünfzehn Jahre Salzluft sind der eigentliche Abnahmetest |
| TESTS | Routineprüfungen, Temperaturanstiegstest, PD-Messung bei Gießharztransformatoren | Gibt dem Hafen eine Referenz für die nächste Ausschreibung |
Wie Ryan eine Liegeplatzanfrage bearbeitet
Wir fertigen flüssigkeitsgefüllte und Gießharz-Transformatoren in einem 120.000-m²-Werk mit über 180 Produktions- und Prüfeinrichtungen, gestützt durch 37 Patente; seit 2023 agieren wir als Joint-Venture-Partner von Eaton. Das ist weniger entscheidend als das technische Gespräch – bedeutet aber, dass eine Liegeplatzanfrage bei Personen landet, die sich bereits zuvor über Impedanzen ausgetauscht haben.
Für einen gemischten Fuhrpark ist die nützliche Option eine doppelte sekundäre Spannung mit einer außerhalb des Stromkreises erfolgenden Abgriffswahl, sodass ein einziges Design sowohl für Schiffe mit 6,6 kV als auch für solche mit 11 kV geeignet ist – ohne dass eine zweite Ersatz-Einheit vor Ort bereitgehalten werden muss. Abgriffverbindungen außerhalb des Stromkreises sind zudem die kostengünstigste Möglichkeit, Schwankungen der Netzspannung gegenüber den Planwerten auszugleichen. Jede Einheit verlässt das Werk mit dokumentierten Routineprüfungen in Form gemessener Werte, einem Temperaturanstiegstest bei Nennstrom sowie einem Foto des Typenschilds, das vor dem Verpacken angefertigt wird – denn das Typenschild ist das Erste, was ein Hafeninspektor bei der Ankunft liest.
Die Hochspannungs-Anschluss-Schnittstelle für Landstrom ist der Ort, an dem die meisten Diskussionen stattfinden – und zwar meist zwischen drei Parteien, die sich niemals persönlich treffen: dem elektrischen Berater des Hafens, dem technischen Leiter des Schiffes und dem Transformatorlieferanten. Wir bitten frühzeitig um das einzeilige Schaltbild des Schiffes. Ein zwölpulsiger Konverter an Bord verändert die Oberschwingungsbelastung unserer Wicklung; ein Schiff mit einem 6,6-kV-Schaltfeld und einem 60-Hz-Generator kann nicht ohne Konverter an einem 50-Hz-Landstromanschluss versorgt werden – egal wie großzügig die Nennleistung des Transformators auf dem Papier erscheint.
Falls Sie gerade jetzt eine Spezifikation für einen Liegeplatz erstellen, senden Sie uns bitte die Zusammensetzung der Flotte, die Netzspannung und -frequenz sowie die Kurzschlussleistung am Liegeplatzkasten. Diese drei Angaben entscheiden mehr über die shore-Power-Transformator als jede andere Seite der Ausschreibung – und sie sind in der Regel genau die drei Angaben, die am spätesten eintreffen. Unsere Ingenieure liefern schriftlich eine Nennleistungsangabe, eine Empfehlung für die Impedanz sowie eine zulässige Oberschwingungsbelastung, sodass das elektrische Paket vor Beginn der Bauarbeiten geprüft werden kann.
Über den Autor dieser Artikel wurde vom Ingenieurteam von Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) erstellt, einem Transformatorhersteller, der im Jahr 2007 gegründet wurde und seit 2023 Joint-Venture-Partner von Eaton ist. Das Team entwickelt ölgefüllte, Gießharz- und Sockeltransformatoranlagen für Hafen-, Rechenzentrum-, Versorgungs- und Industrieprojekte und unterstützt Kunden bei der Prüfung von Spezifikationen vor der Ausschreibung. Für Anfragen zu Liegeplätzen wenden Sie sich bitte an [email protected].