DP-2起重船的電力系統(tǒng)特點分析

國世乾 陳 夢 何沁園 達 靜

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.長江三峽設(shè)備物資有限公司 成都610000）

0 引 言

隨著大型海洋工程的逐步推進，尤其是近幾年海上風(fēng)電的大力發(fā)展，使大型起重船作為不可缺少的工程船而在其中發(fā)揮重要的作用。3 000 t全回轉(zhuǎn)起重船作為具有“運輸+起重”一體化功能的海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工大型作業(yè)船，其對于電力系統(tǒng)的設(shè)計也有更高的要求。

與以往DP-1起重船不同，本船中壓配電系統(tǒng)采用4分段母排，以使推進器與發(fā)電機組可以分別獨立運行，從而更好滿足DP-2的冗余要求。對于中壓配電板的繼電保護措施，除采用相較于常用的綜合繼保，本船增加了弧光保護功能，以保證整個中壓配電網(wǎng)絡(luò)的安全性與可靠性。同時本船采用以多傳動變頻器為主控制手段的多點錨泊定位系統(tǒng)，且實現(xiàn)了錨泊絞車與變頻器間的交叉連接設(shè)計，既滿足軟件的冗余備用也達到了硬件的冗余備用，極大提高了本船的定位能力。

1 中壓配電系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基本配置

針對本船電力推進、錨泊定位和動力定位（DP-2）的特點。本船選用4臺主發(fā)電機組功率3 000 kW，電壓AC 6.6 kV，頻率50 Hz，3相3線中性點高阻接地；同時將中壓配電板分為2套，每套分為2段，形成4分段母排的設(shè)計效果。每段母排分別接入1臺主發(fā)電機。本船配置2臺3 000 kW全回轉(zhuǎn)主推進電機，2臺2 000 kW艏側(cè)推進電機，分別通過推進變頻器以及移相變壓器連接在母排上。本船的核心作業(yè)設(shè)備主起重機的主驅(qū)動動力電源容量約為3 200 kVA，由中壓配電板供電。錨泊定位系統(tǒng)配置8臺約300 kW絞車電機、2臺約1 000 kW多傳動變頻器以及2臺約1 000 kVA/5 00 kVA/500 kVA變壓器。

1.2 中壓配電系統(tǒng)框架

本船主發(fā)電機向6.6 kV配電板供電，通過主變壓器向400 V主配電板供電，400 V主配電板通過主照明變壓器向230 V主配電板供電。保證4臺主發(fā)電機可以長期穩(wěn)定并聯(lián)運行；任意1臺中壓主變壓器與停泊發(fā)電機可以短時并聯(lián)運行進行負載轉(zhuǎn)移。

正常工況下，中壓配電板所有母聯(lián)開關(guān)閉合和聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，400 V和230 V主配電板上的各母聯(lián)開關(guān)斷開。DP-2工況下，中壓配電板所有母聯(lián)開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，400 V和230 V主配電板上的各母聯(lián)開關(guān)斷開，電力系統(tǒng)分為4個獨立系統(tǒng)運行。在變壓器故障或檢修時，1號和2號主變壓器以及3號和4號主變壓器可以短時并聯(lián)進行不斷電切換。

與常規(guī)雙分段母排或3分段母排相比，4分段母排可以保證4臺推進器分別獨立于彼此，在發(fā)生短路故障的情況下，最大限度減少對動力定位能力的影響。主要推進設(shè)備布置情況見圖1，電力系統(tǒng)單線圖見下頁圖2。

圖1 電力推進設(shè)備基本布置

在本船的設(shè)計過程中，按照4分段母排的設(shè)計，將全船推進系統(tǒng)以及主要機械設(shè)備進行所屬冗余組的劃分。具體冗余組配置情況見第76頁表1。

表1 全船冗余組配置

1.3 FMEA報告驗證分析

FMEA（故障模式與影響分析）報告，是針對DP-2和DP-3船型每一種故障模式下進行分析最終得出各分系統(tǒng)和整體動力定位系統(tǒng)的總結(jié)報告，目的在于分析及論證出現(xiàn)單一故障后動力定位船舶是否能船位保持，及系統(tǒng)是否滿足冗余設(shè)計要求。FMEA報告依據(jù)最新的CCS規(guī)范以及IMO MSC通告1580，帶有動力定位系統(tǒng)的船舶指南進行編寫。這種基于故障模式下的分析對于整個配電系統(tǒng)的設(shè)計具有很好的指導(dǎo)作用。

本船在設(shè)計過程之初依據(jù)過往同類型船的FMEA報告進行反推，先針對推進器的配置與布置情況，反推出6.6 kV配電設(shè)計需求；再綜合考慮上述因素，得出發(fā)電機組的配置情況；再根據(jù)全船用電負荷得出目前的設(shè)計結(jié)果。尤其是在對中壓配電板4分段母排的設(shè)計過程中，詳細考慮了可能出現(xiàn)的故障模式，并對造成的影響結(jié)果進行判斷。不同故障對于推進器的影響會對船舶定位能力產(chǎn)生明顯的影響，其分析結(jié)果見表2。

表2 6.6 kV中壓配電板故障模式分析

綜合表2，可清晰體現(xiàn)4分段母排可在不同故障模式下很好保證動力定位能力，同時也合理增加了冗余性。

相比于以往起重船當主變壓器失電時，依靠400 V主配電板某分段與其他分段母聯(lián)開關(guān)自動閉合，使相應(yīng)的主變壓器與另一個主變壓器短時并聯(lián)進行不斷電切換，從而滿足DP-2要求，但從400 V主配電板失電到依靠其他分段恢復(fù)供電需要約數(shù)十秒時間。為從源頭上解決這個問題，本船將推進器與母排分段一一對應(yīng)，這樣即使失去某一推進器，依然不會對DP能力造成影響。

對于大型起重船而言，DP-2起重作業(yè)模式是最關(guān)鍵的工作模式，如果此時中壓配電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)短路故障，是否能在最短時間內(nèi)將故障所帶來的影響降至最小，并最大程度保證其定位能力和起重能力，也就成為設(shè)計過程中的重點考察方向。

1.4 弧光保護

對于中壓配電板的保護功能，本船除了常用的綜合繼保以外，增設(shè)了弧光保護。弧光保護裝置主要功能是檢測弧光故障信號和電流故障信號，在配電板母線室、斷路器室或電纜連接處發(fā)生短路故障時快速實現(xiàn)保護，且先于其他保護動作，避免產(chǎn)生的電弧光對設(shè)備和人員造成傷害，是短路保護的第一道屏障。由于電弧故障極易產(chǎn)生燃燒危險，所以電弧故障動作時間一般在30～50 ms，如果超過這段時間則大大提升火災(zāi)風(fēng)險，參見圖3。

圖3 弧光保護脫扣時間與可能的燃燒風(fēng)險

因此對于中壓配電板，弧光保護具有很好的應(yīng)用效果?；」獗Ｗo裝置由弧光監(jiān)測器（擴展模塊）、光傳感器、電流感應(yīng)單元組成（具體配置見表3）。

表3 中壓配電板弧光保護輸入輸出信號

根據(jù)本船總單線圖中的母聯(lián)開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)的分布把中壓匯流排分為4段進行保護。通過電流感應(yīng)單元采集各發(fā)電機進線端、前/后電纜聯(lián)絡(luò)段、前/后電站跨接段的電流信號，同時通過弧光傳感器采集各屏的母線室、斷路器室、電纜室的弧光信號。當某段匯流排上安裝的弧光保護裝置同時收到光傳感器的弧光信號、電流感應(yīng)單元的過流（大于1.5倍額定電流）信號時，快速輸出保護動作（毫秒級），切斷進線電源端的聯(lián)絡(luò)、母聯(lián)、發(fā)電機斷路器，從而實現(xiàn)對配電板的保護。

2 錨泊定位系統(tǒng)

全回轉(zhuǎn)起重船在作業(yè)過程中需要保持船位。為了維持起重船的正常作業(yè)，必須抵抗外在環(huán)境條件的作用，限制船舶的位移，因此需要一套可靠的定位系統(tǒng)來保障起重船在各種工況下的作業(yè)和安全。可行的方式有動力定位和錨泊定位兩種。一般認為在水深300 m以內(nèi)，錨泊定位的經(jīng)濟性優(yōu)于動力定位。因此本船采用了8點錨泊定位與動力定位（DP-2）相結(jié)合的作業(yè)模式。這也是目前DP-2起重船型普遍采用的定位模式。

2.1 錨泊絞車變頻控制系統(tǒng)

本定位錨絞機主控制器采用冗余PLC形式，PLC和2組變頻器的通訊模塊為冗余通訊PLC和絞車控制柜、機旁操作臺、集控操作臺、變頻器和絕對值編碼器之間的通訊采用總線通訊方式。通過冗余的控制網(wǎng)絡(luò)，可以很大程度上提高錨泊定位的可靠性與安全性。

2.2 多傳動變頻器

本船定位錨絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)采用了多傳動變頻器，具體內(nèi)部接線見圖2。多電動機傳動是相對于單電動機傳動而言的，即在1套系統(tǒng)內(nèi)有2個或2個以上的電動機同時運行，這些電動機大多要求精確速度控制、多電機同步運轉(zhuǎn)或比例同步（牽伸）運轉(zhuǎn)等，這種類型多臺電動機的變頻控制系統(tǒng)就是多傳動變頻系統(tǒng)。

本船采用由獨立的整流裝置提供直流電源，多臺逆變裝置共用此直流電源的形式。同時為保證錨泊定位能力的可靠性，本船變頻器與定位錨泊絞車的接線方式也進行特殊設(shè)計（如圖4所示），將1、3、5、7點作為一套變頻單元，2、4、6、8點作為另一套變頻單元，兩者之間再通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)進行連接。當A方向的風(fēng)、浪、流較大時，1、3點為主要受力點，2、4兩點為次要受力點。這4個點分別來自2套變頻單元，即2個定位錨變壓器同時供電，從而可以很好保證錨泊定位功能的用電平衡，避免過度依賴單一變壓器，同時也在一定程度上緩解了變壓器的過載風(fēng)險。

圖4 定位錨變頻器與絞車接線方式

3 結(jié) 語

本文主要基于3 000 t全回轉(zhuǎn)起重船的電氣設(shè)計進行闡述與分析。在DP-2的基礎(chǔ)上對中壓電力系統(tǒng)和錨泊定位系統(tǒng)進行介紹與論述。同時也分析弧光保護的使用特點與價值。通過FMEA報告分析驗證，可以清晰了解本船相較于同類型起重船的優(yōu)點和較好的適用性。文章對于在起重船電氣設(shè)計中所遇到的難點也提出解決方法和思路，既要符合規(guī)范標準，同時也要盡可能滿足使用要求。望能對此類型船舶的電氣設(shè)計提供一些參考。