90m電力推進海洋工程輔助船電氣設計的幾個關鍵問題

王 平,秦 輝 ,王金苓,林從煥,曹硯培

(廣新海事重工股份有限公司，中山528437)

1 引言

90 m DP2 RDSV項目是我司承接的一艘采用電力推進、具有較高技術水平的平臺輔助船，該項目入級ABS。

本船規格書要求電力系統具有 閉合匯流排（Closed-bustie）時的二級動力定位功能，這是一種非常規的動力定位電力系統，當工作于Closed-bustie時電力系統是沒有冗余的，其設計理念是與規范和現行FMEA要求的冗余設計相沖突的。這種要求是船東希望在非惡劣海況時減少發電機的運行臺數以節省資源，因此在2013之前的DP 指引中并沒有相關的說明。ABS 2013版指引對closed-bustie有簡單的總括性要求，即要以極快的速度在故障由一部分傳遞到另一部分之前切除掉出現故障的部分，以滿足單點故障不致失去定位能力的要求。因此，本項目在進行電力系統設計及設備訂貨時，首先要考慮的就是如何在closed-bustie DP2時，從設備和系統保護方面滿足FMEA單點故障不致引起定位失效的要求。

該項目要求特殊，在國內尚無完成先例，故下面簡述該項目訂貨及技術談判中的一些需要注意的關鍵點，供大家參考。

2 電力系統單線圖

本項目電力系統單線圖如圖1所示。 AC690V主匯流排分為A、B、C三段，A段和C段匯流排分別向一首側推和一尾主推供電，B段匯流排專用于向艏部第三臺側推供電，AC440V和AC230V配電板匯流排相應也分為三部分。這種匯流排分段設計的優點在于：當主配電板在Open-bustie或Closed-bustie時出現最大單點故障，即A段或C段匯流排短路時，至少仍有兩臺側推和一臺尾推正常運行，Open-bustie時不需要進行任何切換，Closed-bustie時僅需要斷開離故障點最近的匯流排斷路器。

當工作于Open-bustie狀態時，所有配電板匯流排斷路器均打開；當工作于Closed-bustie時，AC690V配電板匯流排斷路器閉合，其它配電板匯流排斷路器打開。

AC440V 600A ROV與Diving接口交叉布置在A段和C段匯流排下級，同時A段和C段匯流排與440V Diving配電板通過兩臺1 000 kVA變壓器連接，以保證在出現最大單點故障時ROV和Diving設備不失電。如果出現機艙電源全部失去，仍可通過專用Diving發電機保證ROV和Diving設備及人員的安全。

一臺4×350 kW功率海工吊的四個電機分別布置在A、C兩段匯流排下級，可以保證出現最大單點故障時海工吊仍有一定的起吊能力。

推進設備、ROV和Diving設備的輔助電源分別與其主電源匯流排相對應。

圖1 電力系統單線圖

3 Closed-bustie DP的關鍵問題

3.1 主匯流排斷路器的數量

參見ABS 2013 DP指引的要求，最少需要提供兩個斷路器用于閉合匯流排的系統中，因該斷路器容量達到6 300 A，價格昂貴，我們一度按照兩個進行配置。在與某電力系統集成商進行詳細技術談判的時候，提到了一個隱性故障的問題，即當出現最大單點故障時，如果由于斷路器本身的原因而無法打開，那么按此配置就會至少失去A和B，或者B和C兩段匯流排，導致定位能力下降較大，解決的辦法就是對匯流排主斷路器進行冗余，即按四個進行配置。

事后再次詳細理解DP指引要求，指引中針對的是兩段式匯流排，本項目AC690V主匯流排分為三段，每段上均掛有推進器，因此配置四個斷路器是合理的。

3.2 主匯流排斷路器短延時的選擇性保護

Closed-bustie有非動力定位正常航行和動力定位兩種情況。這兩種情況的選擇性保護都要求滿足，兩者的區別在于動力定位選擇性保護需要多考慮系統的冗余問題，即當匯流排發生故障時要求快速斷開匯流排斷路器，防止故障蔓延。

當采用兩段式匯流排時，匯流排故障只需要斷開兩段匯流排之間的斷路器即可。本項目采用三段式匯流排，有兩個斷點，每段匯流排均掛有推進器，為了不影響其它匯流排的工作，就需要進行一定的判斷，本項目采用電流方向探測來確定故障點的辦法。

圖2 AC690V匯流排斷路器方向性保護配置

如圖2所示，P10和P6、P7和P11分別設定有相同的故障電流檢測方向，P7和P10作為兩個方向主斷路器，分斷時間為0.53 s;P6和P11作為冗余從斷路器，分斷時間為0.65 s。任一排發生故障時，具有相同電流參考方向的主斷路器先動作，主斷路器失效，則與之相鄰的相反方向的斷路器動作。

3.3 有功（頻率）和無功（電壓）的監測

同一匯流排并聯運行的發電機中，某一臺出現有功或者無功故障（如調速器故障、油門齒條卡死、傳感器失效、AVR故障、信號線路斷線、PMS故障等問題），嚴重時可導致非故障發電機斷路器因過載或逆功而動作，最終全船失電而失去定位能力。這在常規動力定位船中不會出現，因為電力系統分為兩部分工作，而Closed-bustie則可能出現，這是不允許的。因此需要對頻率和電壓的變化進行監測，當變化超過一定值時，進行報警或打開主匯流排斷路器，將系統恢復到冗余狀態，再對故障點進行處理。

本項目對每臺發電機，均增加了專門進行頻率和電壓監測并集成到PMS中的發電機監測系統（AGS），圖3是該系統的基本組成。

圖3 發電機電壓和頻率監測模型

該系統的工作過程是由AGS系統不斷監測發電機組的電壓、電流、勵磁電流、油門尺條位置并與系統內預置的數據比較，產生偏差時先交由PMS調節，如調節失敗偏差進一步擴大且達到一定值時，AGS通知PMS啟動備用機組并切除故障發電機，如故障仍然存在則分斷匯流排斷路器。

3.4 匯流排短路電壓瞬變的跨越

當電網有大功率電機啟動或匯流排短路等情況時，較大的電壓降會引起斷路器的欠壓保護動作，驅動變頻器也會停機。特殊是當匯流排發生短路時，電壓會在極短的時間內降到0，必然會觸發欠壓保護動作，因此要采取一些措施。

匯流排斷路器應設置成瞬時分斷，將發生短路的匯流排切除。同時要對與動力定位系統相關輔助設備負荷開關設置UVR欠壓釋放保護，并設定合適的重啟動組和時間，既要避免重啟動時對電網造成再次沖擊，又要保證從電源到驅動的順序。這些設備包括機艙風機、發電機的供油泵、冷卻水泵、驅動變頻器冷卻泵、驅動電機冷卻泵等。

為避免匯流排短路時變頻器欠壓停機，變頻器應在短路期間使直流部分維持一定的電壓。當檢測到直流部分電壓降低到一定程度時，即轉為發電機模式（仍然在旋轉的螺旋槳和電動機向變頻器供電，維持變頻器不關機，直到短路故障被分離），本項目變頻器可以維持1.5s的時間，滿足切除故障的時間要求。

3.5 電站管理系統

電站管理系統是整個電站的核心，在Closed-bustie時PMS分為主用和備用兩部分：主用PMS監控整個網絡的狀態，任一點的故障都可能引起PMS發出錯誤命令，引起所有推進器強行減負荷或網絡保護動作。首先，PMS的冗余應得到充分保證，在主用PMS發生故障時，備用PMS應能無間斷切換。要求主備用PMS要進行熱備份實時通信并有通信故障的報警，并且通信需要有冗余。其次，PMS要具有判斷故障點的能力，即在電網異常時先切除造成電網異常的部分，而不是直接對定位系統發送故障信息。

4 結語

Closed-bustie的動力定位系統是一種較新的系統，在與船級社、FMEA分析公司和電氣集成商的溝通中，明顯感覺他們對這種要求也是不太了解。本文簡述了FMEA分析最為關注的幾個主要問題，在類似項目的設計中需要與FMEA緊密配合，以避免日后設備成型造成大修改。Closed-bustie對船東來說是一種更經濟的系統配置，可以減少動力定位時發電機開機的數量，同時作為一種技術的進步也具有較大的意義。

[1]Guide for Dynamic Positioning Systems,ABS 2013.

[2]A Guide to Dp Electrical Power and Control Systems,IMCA M206.

[3]Methods of Establishing the Safety and Reliability of Dynamic Positioning System.IMCA M04/04.

[4]Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) of Redundant Systems.DNVRP-D102.

[5]王文義.船舶電站[M]..哈爾濱工程大學出版社.