淺談D P3船舶閉合環網的電力系統設計要點

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，隨著海洋油氣開發成本的逐漸提高和對環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、降低動力發生干擾概率，減少因機組維護而停工的時間，提高供電連續性等方面考慮，越來越多的海工船東希望電力系統可以在DP3的操作模式下閉環運行1。想法很不錯，但要在船舶上實現DP3的閉環配電系統，需從系統設計、設備安裝、系統調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。

電網采用閉環長期運行時，在網的發電機組全部連接在一起，如果單一故障發生時不能快速響應和及時處理就有可能引起電網的共模故障最終導致全網失電，故在技術上需采取一系列有效、可靠的保護措施來防止事故的發生，保證系統可靠性。FMEA在做船舶動力定位相關系統故障分析報告時會重點關注系統的故障分離試驗，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，以真正驗證系統的保護裝置故障隔離能力。故我們在系統設計、設備選型、建造、試驗以及試驗現場的安全保護措施等方面都要考慮全面。

2 DP3閉環電力系統的保護設計

基于DNV GL的規范要求，特別是針對冗余分組的建立以及配電板閉環的關鍵因素，DP3船舶電力系統的閉環設計一般從以下幾個方面考慮整個船舶電站系統的保護：

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構以提供兩個級別的保護，即母線區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，開關故障保護以及跳閘線圈監測等保護2。

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

③起動沖擊電流的保護。增強的發電機保護要求為所有的高壓變壓器和變頻器均配備預充磁裝置，電網產生瞬時壓降，有可能引起保護裝置的脫扣，避免暫態現象。

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

⑤電站管理系統(通訊，模塊，監測等)包括負載分配、快速功率限制、快速故障恢復功能等。快速故障恢復功能要求電網在失電時，能快速起動發電機組和并網發電，推進器應能盡快起動，恢復DP的定位能力。閉環運行當主匯流排斷電時，主配電板上的所有的母聯開關應自動斷開，此時電網會被分隔成若干獨立的DP區域，這就要求在設計時，要保證每個區域里面均要有快速恢復的能力。

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

⑦故障穿越能力。與DP系統有關的所有重要系統設備，如發電機、主配電板、推進裝置、檢測報警和控制系統等，都應具有故障穿越能力，使因短路電流引起的瞬時壓降不會導致重要設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以隔離故障。特別是主匯流排的母聯開關，需配備兩套保護裝置4。

⑨隱藏故障。船舶系統設備多而雜，必定有很多部位監測不到，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，應加強系統的自我診斷和監控能力，定期對系統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、發電機保護區、母聯保護區、設備保護區。

3 DP3閉環電力系統的試驗

圖1 DP3閉環電力系統的保護設計

按照DNVGL規范要求DP3閉環電力系統船舶除了普通動力定位船舶常規試驗測試外，還需增加必要的系統功能描述文件、分析報告、計算機動態模擬試驗以及短路和接地故障的實船的真實實驗，以查證整個系統的保護和恢復能力5。電力系統最嚴重的故障是中壓系統發生短路的同時，還存在著主開關的隱藏故障，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，哪些可能出現的情形或者故障情況要充分考慮全面，仔細分析可能導致危險事件的因素，包括但不限于以下幾點：

設備狀態和測試順序的紊亂；

柴油機的機械故障，發電機的耦合故障；

電纜在此故障狀態下難以支撐維持，尤其注意的是單芯電纜；

發電機的互感/震動；

測試用短棒上產生電暈；

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；

保護系統未按預想執行；

測試設備故障；

測試時設備狀態的紊亂。

以圖2實船DP3閉環配電系統為例說明，本船設有3個機艙，4個DP分區，每個機艙各2臺中壓發電機組，配電系統為6600V,60Hz的中壓配電系統和450V，60Hz的低壓配電系統。本船由船尾的3臺5500KW的回轉推進裝置推進。在船艏設置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區和2區雙路電源供電。本船FMEA是基于Close ring狀態下分析，在DP-3工況下，4個主配電板連接成一個匯流排運行，閉合環網運行。

圖2 DP3閉環電力系統的保護設計的實船案例

本船要求閉合環網應經理論證明，以及實船所有設備連接在網的情況下進行測試。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期工作。環網運行中一段母排的故障不應影響到其他母排上與DP有關的重要系統的丟失。

之后會同船東、設計院、FMEA、設備商、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，需在有資質人員的指導和監督下進行，以極大限度的保護船舶設備和人員的生命財產安全問題。

4 結論

入級DNVGL配備DP3閉環電力系統的船舶在設計階段非常關鍵，需綜合考慮全船設備的冗余及其布置、所有關鍵系統的計算文件、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部門、單位通力合作完成。DP3閉環電力系統船舶的建造是船舶行業的電氣設計難點，本文的描述為后續類似船舶的建造提供少許借鑒。