淺談D P3船舶閉合環(huán)網(wǎng)的電力系統(tǒng)設(shè)計要點

宋秀麗

（招商局重工（深圳）有限公司，廣東深圳518054）

1 引言

最近幾年來，隨著海洋油氣開發(fā)成本的逐漸提高和對環(huán)保排放要求的日趨嚴格，從降低燃油消耗支出，改善負載抗干擾能力、降低動力發(fā)生干擾概率，減少因機組維護而停工的時間，提高供電連續(xù)性等方面考慮，越來越多的海工船東希望電力系統(tǒng)可以在DP3的操作模式下閉環(huán)運行1。想法很不錯，但要在船舶上實現(xiàn)DP3的閉環(huán)配電系統(tǒng)，需從系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備安裝、系統(tǒng)調(diào)試和海上試驗等各個階段充分考慮，尤其是DNVGL船級社對其要求甚嚴。

電網(wǎng)采用閉環(huán)長期運行時，在網(wǎng)的發(fā)電機組全部連接在一起，如果單一故障發(fā)生時不能快速響應(yīng)和及時處理就有可能引起電網(wǎng)的共模故障最終導(dǎo)致全網(wǎng)失電，故在技術(shù)上需采取一系列有效、可靠的保護措施來防止事故的發(fā)生，保證系統(tǒng)可靠性。FMEA在做船舶動力定位相關(guān)系統(tǒng)故障分析報告時會重點關(guān)注系統(tǒng)的故障分離試驗，特別是對入級DNV GL船級社的DP3船舶，其要求更嚴格，必須進行實船短路故障試驗，以真正驗證系統(tǒng)的保護裝置故障隔離能力。故我們在系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選型、建造、試驗以及試驗現(xiàn)場的安全保護措施等方面都要考慮全面。

2 DP3閉環(huán)電力系統(tǒng)的保護設(shè)計

基于DNV GL的規(guī)范要求，特別是針對冗余分組的建立以及配電板閉環(huán)的關(guān)鍵因素，DP3船舶電力系統(tǒng)的閉環(huán)設(shè)計一般從以下幾個方面考慮整個船舶電站系統(tǒng)的保護：

①配電板保護(短路、欠壓、接地、方向性選擇等)。配電板母線保護基于一級和二級共兩級結(jié)構(gòu)以提供兩個級別的保護，即母線區(qū)域差分保護和方向性保護；除此之外還要考慮母線接地，電纜差動和電纜接地故障保護，開關(guān)故障保護以及跳閘線圈監(jiān)測等保護2。

②發(fā)電機保護(差動、AVR、調(diào)速器、負載分配等)。對發(fā)電機的電壓和頻率進行監(jiān)測以作為故障指示的基礎(chǔ)。增強發(fā)電機保護用來限制發(fā)電機內(nèi)部故障的影響,保護發(fā)電機遠離電力系統(tǒng)故障的影響以及保護電力系統(tǒng)遠離發(fā)電機故障的影響。

③起動沖擊電流的保護。增強的發(fā)電機保護要求為所有的高壓變壓器和變頻器均配備預(yù)充磁裝置，電網(wǎng)產(chǎn)生瞬時壓降，有可能引起保護裝置的脫扣，避免暫態(tài)現(xiàn)象。

④特殊保護(弧光檢測，開關(guān)通訊等)。在每個配電屏至少包含三處弧光檢測，即開關(guān)室，母排室，接線室；如果在母排室檢測到弧光，所有的進線斷路器脫扣，同時滅弧，如果在開關(guān)室檢測到弧光，所有的進線斷路器脫扣，同時滅??；如果在接線室檢測到弧光，只有相對應(yīng)的斷路器脫扣，同時滅弧。

⑤電站管理系統(tǒng)(通訊，模塊，監(jiān)測等)包括負載分配、快速功率限制、快速故障恢復(fù)功能等?？焖俟收匣謴?fù)功能要求電網(wǎng)在失電時，能快速起動發(fā)電機組和并網(wǎng)發(fā)電，推進器應(yīng)能盡快起動，恢復(fù)DP的定位能力。閉環(huán)運行當主匯流排斷電時，主配電板上的所有的母聯(lián)開關(guān)應(yīng)自動斷開，此時電網(wǎng)會被分隔成若干獨立的DP區(qū)域，這就要求在設(shè)計時，要保證每個區(qū)域里面均要有快速恢復(fù)的能力。

⑥輔助系統(tǒng)(推進器，輪機系統(tǒng)等)主要是針對快速響應(yīng)和重載起動功能，推進器系統(tǒng)的快速響應(yīng)是要求當電網(wǎng)突然出現(xiàn)故障時，變頻控制系統(tǒng)可以暫時減少推進負荷的輸出來穩(wěn)定電網(wǎng)，防止由于發(fā)電機的過載脫扣而全網(wǎng)失電3。此種保護要求響應(yīng)時間極短，通常是在毫秒級。

⑦故障穿越能力。與DP系統(tǒng)有關(guān)的所有重要系統(tǒng)設(shè)備，如發(fā)電機、主配電板、推進裝置、檢測報警和控制系統(tǒng)等，都應(yīng)具有故障穿越能力，使因短路電流引起的瞬時壓降不會導(dǎo)致重要設(shè)備失效而對定位能力造成影響，特別是針對DP3的船舶。

⑧備用的安全和保護裝置。要考慮因隱藏故障或第一套保護裝置失效時，備用的安保裝置能夠快速反應(yīng)以隔離故障。特別是主匯流排的母聯(lián)開關(guān)，需配備兩套保護裝置4。

⑨隱藏故障。船舶系統(tǒng)設(shè)備多而雜，必定有很多部位監(jiān)測不到，為此就不可避免存在不少隱藏故障。為了最大程度排除隱藏故障，應(yīng)加強系統(tǒng)的自我診斷和監(jiān)控能力，定期對系統(tǒng)進行維保檢查等措施。

以下圖1為例簡單說明保護的全方位性：母排保護區(qū)、發(fā)電機保護區(qū)、母聯(lián)保護區(qū)、設(shè)備保護區(qū)。

3 DP3閉環(huán)電力系統(tǒng)的試驗

圖1 DP3閉環(huán)電力系統(tǒng)的保護設(shè)計

按照DNVGL規(guī)范要求DP3閉環(huán)電力系統(tǒng)船舶除了普通動力定位船舶常規(guī)試驗測試外，還需增加必要的系統(tǒng)功能描述文件、分析報告、計算機動態(tài)模擬試驗以及短路和接地故障的實船的真實實驗，以查證整個系統(tǒng)的保護和恢復(fù)能力5。電力系統(tǒng)最嚴重的故障是中壓系統(tǒng)發(fā)生短路的同時，還存在著主開關(guān)的隱藏故障，如主觸頭黏合等。進行真實短路實驗的電流極大，對于實驗人員和船舶設(shè)備本身都存在著非常大的風險，必須事先做好風險評估，哪些可能出現(xiàn)的情形或者故障情況要充分考慮全面，仔細分析可能導(dǎo)致危險事件的因素，包括但不限于以下幾點：

設(shè)備狀態(tài)和測試順序的紊亂；

柴油機的機械故障，發(fā)電機的耦合故障；

電纜在此故障狀態(tài)下難以支撐維持，尤其注意的是單芯電纜；

發(fā)電機的互感/震動；

測試用短棒上產(chǎn)生電暈；

測試用短棒溶化；

在線負載在測試中遭受的電氣故障；

在測試下設(shè)備對船舶位置保持能力的失效；

位置或首向的丟失；

保護系統(tǒng)未按預(yù)想執(zhí)行；

測試設(shè)備故障；

測試時設(shè)備狀態(tài)的紊亂。

以圖2實船DP3閉環(huán)配電系統(tǒng)為例說明，本船設(shè)有3個機艙，4個DP分區(qū)，每個機艙各2臺中壓發(fā)電機組，配電系統(tǒng)為6600V,60Hz的中壓配電系統(tǒng)和450V，60Hz的低壓配電系統(tǒng)。本船由船尾的3臺5500KW的回轉(zhuǎn)推進裝置推進。在船艏設(shè)置2臺3100KW管道推進器和2臺3100KW的伸縮式推進器，其中4號艏部伸縮式推進器由1區(qū)和2區(qū)雙路電源供電。本船F(xiàn)MEA是基于Close ring狀態(tài)下分析，在DP-3工況下，4個主配電板連接成一個匯流排運行，閉合環(huán)網(wǎng)運行。

圖2 DP3閉環(huán)電力系統(tǒng)的保護設(shè)計的實船案例

本船要求閉合環(huán)網(wǎng)應(yīng)經(jīng)理論證明，以及實船所有設(shè)備連接在網(wǎng)的情況下進行測試。以證明所有的安全保護措施，比如辨別和故障穿越能力能預(yù)期工作。環(huán)網(wǎng)運行中一段母排的故障不應(yīng)影響到其他母排上與DP有關(guān)的重要系統(tǒng)的丟失。

之后會同船東、設(shè)計院、FMEA、設(shè)備商、船級社和船廠準備好完善的測試方案和程序，分清各方在測試過程中的職責，提前布置有效的消防緊急措施和安保措施，需在有資質(zhì)人員的指導(dǎo)和監(jiān)督下進行，以極大限度的保護船舶設(shè)備和人員的生命財產(chǎn)安全問題。

4 結(jié)論

入級DNVGL配備DP3閉環(huán)電力系統(tǒng)的船舶在設(shè)計階段非常關(guān)鍵，需綜合考慮全船設(shè)備的冗余及其布置、所有關(guān)鍵系統(tǒng)的計算文件、故障分析及功能描述等。在建造過程中需精心管控，嚴格按圖施工，最后的試驗更是需要所有相關(guān)部門、單位通力合作完成。DP3閉環(huán)電力系統(tǒng)船舶的建造是船舶行業(yè)的電氣設(shè)計難點，本文的描述為后續(xù)類似船舶的建造提供少許借鑒。