基于5推進(jìn)器DP—3船舶的電壓降穿越試驗(yàn)

李真剛

摘 要：本文介紹了DP-3船舶在出現(xiàn)雙路供電到同一用電設(shè)備，而該設(shè)備無法滿足A60分割時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)進(jìn)水或著火引起短路電壓降時(shí)，全船DP設(shè)備不會(huì)由于該單一故障而造成船舶丟失定位的具體試驗(yàn)方法，并通過實(shí)例驗(yàn)證其正確性。

關(guān)鍵詞：船舶；DP-3；電壓降穿越 ；雙路供電

中圖分類號(hào)：U665.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：This paper describes the test how to ensure that if the electric equipment servicing for DP-3 vessel can not comply with A60 isolation， but its feed power is redundant， when a fire or water flooding cause short circuit in this equipment， it wouldnt lead to further fault.

Keyword： Vessel； DP-3； Voltage dip ride through； Redundant

1 引言

當(dāng)我國邁向深海油氣資源的勘探與開發(fā)之際，深水多功能船為必不可缺的重要一環(huán)，此類船舶對(duì)動(dòng)力定位的穩(wěn)定性、安全性要求非常高，作為最高等級(jí)的三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP-3）是該類船舶的必要配置。為滿足DP-3動(dòng)力定位的船級(jí)社規(guī)范要求，對(duì)完全滿足A60分割的主備動(dòng)力定位系統(tǒng)、兩獨(dú)立發(fā)電機(jī)機(jī)艙、兩套完全獨(dú)立滿足定位的推進(jìn)系統(tǒng)是必須的配置。在考慮到成本與空間的情況下，基于5個(gè)推進(jìn)器的DP-3船舶是很有意義的研究課題，其中兩主推、兩側(cè)推容易滿足A60分割，但1個(gè)伸縮推沒法分開，為驗(yàn)證在伸縮推進(jìn)器艙可能著火、進(jìn)水帶來的變頻器DC-LINE短路事故引起的全船電網(wǎng)電壓降不會(huì)影響到該船的DP定位能力，根據(jù)船級(jí)社要求特進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)。同時(shí)該試驗(yàn)還可延伸到以下方面的應(yīng)用：（1）基于電站BUS-TIE閉合類型動(dòng)力定位的研究，該類型船舶具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)；（2）DP-3船舶用電設(shè)備兩路供電由于空間原因造成A60不可分割的情況，該試驗(yàn)也可驗(yàn)證其是否滿足DP-3的要求。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

2.1 驗(yàn)證配電板斷路器

在兩個(gè)A60分割的電力系統(tǒng)中存在唯一交叉點(diǎn)的伸縮推（見圖1），其變頻器DC-LINE短路造成的電流增大對(duì)電網(wǎng)的影響中，電網(wǎng)伸縮推斷路器直接瞬間斷開，不會(huì)影響發(fā)電機(jī)斷路器的正常閉合。

2.2 驗(yàn)證船舶電壓降負(fù)載的穿越能力

在兩個(gè)A60分割的電力系統(tǒng)中存在唯一交叉點(diǎn)的伸縮推，其變頻器DC-LINE短路造成的全船電壓降不會(huì)導(dǎo)致船舶失去定位能力。

圖1中框內(nèi)主電源如果出現(xiàn)三相電源短路，就可能對(duì)左右兩邊電站造成電壓降，該電壓降會(huì)降低多少？驗(yàn)證其是否會(huì)影響到兩個(gè)電力系統(tǒng)中其它設(shè)備運(yùn)行而使船舶失去動(dòng)力定位能力。

3 方案的制定

3.1 短路點(diǎn)的選取

根據(jù)分析，兩個(gè)獨(dú)立供電系統(tǒng)的交叉點(diǎn)在伸縮推變頻器的輸出端及變頻器直流母排后。如果伸縮推艙著火或者進(jìn)水，唯一可能影響兩個(gè)電網(wǎng)的就是直流母排后的短路，如果在直流母排后進(jìn)行短路，將對(duì)變頻器造成致命的損壞。為避免變頻器的損壞又能滿足試驗(yàn)的要求，經(jīng)與船級(jí)社商討后，具體的短路點(diǎn)選取在伸縮推變壓器的原邊位置，即伸縮推單邊斷路器的后面（如圖2所示位置A和B）。

3.2 短路位置點(diǎn)可行性分析

3.2.1 公共點(diǎn)短路分析

現(xiàn)實(shí)中如果伸縮推變頻器直流母排后短路引起的結(jié)果是：短路瞬間電流增大，直流母排、伸縮推兩變壓器副邊與原邊、兩配電板母排、發(fā)電機(jī)端電壓瞬間下降，連接在兩配電板上的全船其它DP設(shè)備均經(jīng)過電壓降過程，而伸縮推兩個(gè)配電板上的斷路器過流瞬斷，全船電壓恢復(fù)。該過程中伸縮推退出DP，其余為DP服務(wù)的相關(guān)設(shè)備不得從電網(wǎng)中退出，剩余4個(gè)推進(jìn)器全部工作在DP狀態(tài)，船舶仍能滿足定位能力。因此，試驗(yàn)分成兩部分，對(duì)兩段電站分別進(jìn)行驗(yàn)證，分別做A點(diǎn)、B點(diǎn)的短路試驗(yàn)。

3.2.2 A點(diǎn)短路分析

首先關(guān)閉伸縮推，全船其余設(shè)備進(jìn)入DP操作工況，將兩主配電板母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)分開。若A點(diǎn)短路，瞬間電流增大，左配電板母排、左發(fā)電機(jī)端電壓瞬間下降，連接在左配電板上的全船其它DP設(shè)備全部經(jīng)過電壓降過程。如連接在左配電板上的其余DP相關(guān)設(shè)備未退出DP狀態(tài)，則試驗(yàn)證明左邊整套系統(tǒng)滿足DP-3的規(guī)范。

3.2.3 B點(diǎn)短路分析

同樣關(guān)閉伸縮推，全船其余設(shè)備進(jìn)入DP操作工況，將兩主配電板母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)分開。若B點(diǎn)短路，瞬間電流增大，右配電板母排、右發(fā)電機(jī)端電壓瞬間下降，連接在右配電板上的全船其它DP設(shè)備全部經(jīng)過電壓降過程。如連接在右配電板上的其余DP相關(guān)設(shè)備未退出DP狀態(tài)，則試驗(yàn)證明右邊整套系統(tǒng)滿足DP-3的規(guī)范。

通過分別在A點(diǎn)與B點(diǎn)的短路試驗(yàn)可以真實(shí)反應(yīng)實(shí)際工況，若試驗(yàn)成功，則可驗(yàn)證該船在伸縮推主電路短路的情況下，其余DP相關(guān)設(shè)備擁有電壓降穿越能力，船舶不會(huì)失去定位能力，即可滿足船級(jí)社的規(guī)范要求。

4 試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)備可靠性分析

4.1.1斷路器可靠性

（1）主配電板上斷路器

當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路時(shí)，負(fù)載斷路器首先斷開，在這個(gè)過程中發(fā)電機(jī)端的斷路器不得斷開，需在整個(gè)電站短路及恢復(fù)的過程中保持穩(wěn)定。其次，其余DP相關(guān)設(shè)備的負(fù)載斷路器不能受影響，因此短路點(diǎn)伸縮推的中壓斷路器需要優(yōu)先斷開。

（2）斷路器短路分?jǐn)啻螖?shù)

斷路器耐受短路電流的分段次數(shù)能力，決定設(shè)備在試驗(yàn)結(jié)束后能滿足船東的正常使用，且穩(wěn)定性要有保障。endprint

（3）斷路器耐受短路電流的能力

斷路器能夠耐受短路電流的大小，不至于短路電流引起斷路器的損壞。

4.1.2 配電板可靠性

包括：（1）配電板的耐短路電流能力；（2）配電板在電壓恢復(fù)過程中耐過壓的能力；（3）配電板內(nèi)部燃弧、滅弧能力；（4）配電板上各負(fù)載斷路器的保護(hù)器及檢測(cè)設(shè)備的可靠性。

4.1.3 發(fā)電機(jī)可靠性

包括：（1）發(fā)電機(jī)AVR的特性；（2）發(fā)電機(jī)調(diào)速器的特性；（3）發(fā)電機(jī)的機(jī)械抗沖擊能力；（4）發(fā)電機(jī)相關(guān)電纜耐壓、耐流的可靠性；（5）發(fā)電機(jī)電纜接線端耐電磁應(yīng)力的可靠性。

4.1.4 主推、側(cè)推可靠性

包括：（1）變壓器過壓耐受能力；（2）變頻器交—直—交變頻模塊的過壓耐受力；（3）推進(jìn)器電機(jī)的過壓耐受力；（4）變頻器欠壓的耐受能力。

4.1.5 短路點(diǎn)安全性

包括：（1）短路母排電流耐受能力；（2）短路母排安裝緊固可靠，防止燃?。唬?）短路點(diǎn)清潔，空間大，防止燃弧。

4.2 試驗(yàn)通過性分析

試驗(yàn)成功的判斷依據(jù)是當(dāng)短路產(chǎn)生后，伸縮推斷路器瞬間斷開，發(fā)電機(jī)供電斷路器閉合狀態(tài)良好，全船其余DP設(shè)備運(yùn)行正常，船舶定位能力未丟失。在這一過程中，電站需要經(jīng)歷短路電流瞬間增大—電壓瞬間減小—短路跳開后電流恢復(fù)，以及電壓增大甚至過調(diào)—電壓、電流恢復(fù)正常的過程。全船DP設(shè)備也需要經(jīng)過電站的這個(gè)變化過程，需要注意幾個(gè)關(guān)鍵的因素，具體分析如下：

4.2.1 短路回路設(shè)備的固定及清潔

試驗(yàn)前需進(jìn)行短路回路（發(fā)電機(jī)—配電板—短路斷路器—短路點(diǎn)母排），所有連接螺絲緊固檢查、連接處接觸面檢查以及整個(gè)回路設(shè)備的清潔和絕緣的測(cè)量，防止由于過壓、過流帶來設(shè)備的損壞；同時(shí)，由于電流的瞬間增大，連接電纜處電纜會(huì)產(chǎn)生相互的應(yīng)力，連接處的電纜需要固定綁扎，特別是發(fā)電機(jī)電球端、發(fā)電機(jī)負(fù)載線在配電板處的連接端。

4.2.2 全船DP相關(guān)設(shè)備的壓降通過性

試驗(yàn)過程中全船電站電壓在短路的瞬間母排電壓幾乎為零，而此過程中為DP服務(wù)的相關(guān)設(shè)備不能從電站退出，這就需要設(shè)計(jì)相關(guān)的控制電路，保證在主電網(wǎng)失電的情況下，斷路器不會(huì)失壓分?jǐn)唷镈P服務(wù)的設(shè)備包括：發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器、DP系統(tǒng)、配電板等以及為這些系統(tǒng)服務(wù)的設(shè)備，全部需要設(shè)計(jì)防斷電電路，這是保證這些設(shè)備在電壓降過程中順利通過的基礎(chǔ)。

4.2.3 發(fā)電機(jī)AVR調(diào)壓特性

該試驗(yàn)在電壓突降到電壓恢復(fù)的過程主要考驗(yàn)AVR調(diào)壓動(dòng)態(tài)特性?，F(xiàn)在主流AVR調(diào)壓都是采取PID的控制原理，所以在第一次回調(diào)的過程中可能會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，超調(diào)量會(huì)影響到推進(jìn)變頻器DC-LINE的保護(hù)動(dòng)作，可能導(dǎo)致試驗(yàn)的失敗。同樣，過高的超調(diào)量可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)中設(shè)備造成損壞，按照規(guī)范要求通過這個(gè)超調(diào)量不得大于額定值的120%。因此，決定AVR動(dòng)態(tài)特性的PID三個(gè)參數(shù)設(shè)置非常重要，需要試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2.4 變頻器DC-LINE穩(wěn)壓能力

電網(wǎng)下降到極限值的時(shí)候，變頻器直流母排的電壓同樣會(huì)下降，而直流母排的電壓低于一個(gè)值（625V）后會(huì)導(dǎo)致低壓保護(hù)控制變頻器脫扣。同樣，在電壓恢復(fù)的過程中AVR的調(diào)壓會(huì)導(dǎo)致電壓過調(diào)，電壓的升高會(huì)導(dǎo)致變頻器DC-LINE的電壓升高，這個(gè)值不得大于額定值的120%，否則過壓保護(hù)會(huì)導(dǎo)致變頻器脫扣。因此，試驗(yàn)中需要注意變頻器DC-LINE穩(wěn)壓的能力及保護(hù)參數(shù)值的合理設(shè)置。

4.2.5 中央保護(hù)器參數(shù)設(shè)置

斷路器中央保護(hù)器的參數(shù)設(shè)置同樣關(guān)系到該試驗(yàn)?zāi)芊裢ㄟ^。首先，短路點(diǎn)斷路器與發(fā)電機(jī)斷路器參數(shù)設(shè)置需要區(qū)分兩個(gè)斷路器的選擇性，即在短路發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的短路電流需要伸縮推斷路器跳閘，而發(fā)電機(jī)的斷路器在此瞬間不跳閘。所以在中央保護(hù)器參數(shù)設(shè)置時(shí)要特別注意。

4.2.6 斷路器的分?jǐn)嗄芰εc分?jǐn)啻螖?shù)

該試驗(yàn)從試驗(yàn)摸底到報(bào)驗(yàn)需要經(jīng)過多次的實(shí)際短路測(cè)試，試驗(yàn)開始前需要與斷路器生產(chǎn)商對(duì)斷路器的分?jǐn)嗄芰εc分?jǐn)啻螖?shù)進(jìn)行論證，保證其可靠性和試驗(yàn)后該斷路器分?jǐn)啻螖?shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)，其性能沒有受到影響。

4.3 試驗(yàn)安全性分析

該試驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)包括人員安全和設(shè)備安全，需要制定相關(guān)的安全應(yīng)急預(yù)案，防止安全事故發(fā)生：

（1）防止設(shè)備短路引起著火

試驗(yàn)開始前，需要準(zhǔn)備專業(yè)的消防隊(duì)。

（2）防止人員觸電

試驗(yàn)時(shí)需要配置高壓操作電工，配備絕緣墊、絕緣服裝，遠(yuǎn)側(cè)遙控操作，并配備醫(yī)護(hù)搶救人員等。

（3）防止船舶動(dòng)力定位失效

試驗(yàn)時(shí)需要配置拖船保護(hù)，并組織設(shè)備搶修小組待命。

5 結(jié)論

通過該試驗(yàn)驗(yàn)證了兩段同時(shí)供電的伸縮推在DC-LINK出現(xiàn)由于艙室進(jìn)水或者著火引起的短路情況下，這單一故障不會(huì)對(duì)整個(gè)船舶的定位能力造成影響，滿足了DNV船級(jí)社、CCS船級(jí)社對(duì)DP-3船舶規(guī)范的要求。同時(shí)，該試驗(yàn)對(duì)今后基于主配電板BUS-TIE閉合情況下的DP2/3等級(jí)的船舶具有重要的參考意義。endprint