急流航段全回轉舵槳電推船電站設計研究

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(中國船級社 武漢規范研究所,武漢 430022)

《內河船舶法定檢驗技術規則》(2004)第2篇第2章中規定，根據水文和氣象條件，內河船舶航行區域劃分為A、B、C三級，其中某些水域，依據水流湍急情況，又劃分為急流航段(J級航段)，急流航段按灘上流速劃分為J1(5.0～6.5 m/s)和J2(3.5～5.0 m/s)兩級。由于急流航段的特殊性，《鋼制內河船舶建造規范》(以下簡稱《規范》)對內河急流航段航行的船舶提出了附加要求和特殊規定[1]。

全回轉舵槳電力推進船舶具有易于操縱、節能減排、振動和噪聲小等優點[2]，在內河中逐漸得到更多的應用。原有的《規范》主要是針對常規艉軸柴油機驅動方式，而對于這種新的驅動方式的電氣特點，論述得不多。特別是急流航段，由于航道狹窄，水流湍急，流速和流向都會嚴重影響船舶航向[3]，需要充分考慮。

1 現有《規范》對急流航段船舶的有關規定及分析

《規范》中出于對船舶的推進和操縱性的安全考慮，對內河中急流航段航行的船舶增加了新的要求，主要有如下幾點。

1)對于客船(包括1型客滾船、2型客滾船、車客渡船)、油船和散裝運輸液化氣體和散裝運輸危險化學品船舶應至少安裝雙主推進裝置。

2)所有船舶動力操舵裝置應具有2臺操舵能力相同的舵機裝置動力設備，且對于轉舵轉矩大于16 kN·m的電控型舵機，動力設備的管系和附件應互相獨立設置，僅在油缸入口隔離閥處匯合。當其管系或1臺動力設備發生單項故障時，此缺陷能被隔離，且能迅速轉換至另1臺使用，轉換時間應不大于10 s。

3)船舶應設置應急操舵裝置，應急操舵功能與正常操舵功能相同。應設置應急蓄電池供電，當主電源失電時，應急蓄電池應能立即向應急操舵裝置的動力及控制設備供電，時間不小于1 h。

1)和2)保證船舶動力設備發生單點故障的時候，不應失去全部推進動力和操縱能力；3)是為了保證能迅速地對舵機應急供電，故要求蓄電池提供舵機的應急能源。

全回轉舵槳的電力推進船舶，其推進動力來源全部依賴于主電網的電力供應，即使設置雙軸推進，如果主電網失電，也會造成全船推進能力的喪失，達不到“單點故障不失去全部船舶推進力”的要求。另外，船舶的操縱依賴于舵效，全回轉舵槳舵效與螺旋槳的推進是高度耦合的，螺旋槳推力喪失無論回轉角有多大也不能產生轉船力矩[4]，即沒有舵效。

當主電網失電，采用蓄電池對舵機應急供電后，常規艉軸柴油機驅動的船舶推進和舵效能得到完全的恢復；而全回轉舵槳的電力推進船舶由于舵效還需要靠推進力來保證，仍沒有舵效。

綜上所述，對于急流航段中的全回轉舵槳電力推進船舶，最關鍵的問題是電網失電后帶來的影響。對于常規艉軸柴油機驅動的船舶可以配備雙推進、雙動力操舵機構和應急蓄電池來滿足規范要求，從等效來考慮，應同時將蓄電池作推進電動機的應急電源。但即使對于小型電力推進船舶(推進功率低于1 500 kW)來說，由于蓄電池重量和體積都十分大，將蓄電池作為推進電動機的應急電源是不太現實的。

現行《規范》中對內河船舶的主電源供電連續性沒有要求，但為了等效地滿足規范對急流航段船舶安全性要求，又不采用前述蓄電池作推進應急電源方案，全回轉舵槳電推船應在設計時就關注主電源的供電連續性，并對能引起主電源供電失效的單點故障予以考慮。

2 過電流故障解決思路

過電流故障是船舶電氣系統中常見故障，選擇性保護是基于斷路器的延時特性，根據電力系統的短路電流計算分析，依靠延長其位于較接近電源的保護電器的分斷時間來實現先后脫扣順序，是一種相對可靠，并在設計和施工中都相對簡單的方案。設置適當的選擇性保護后，可以使得過電流故障發生后，通過保護器件將故障部分線路切除后，剩余的電力系統仍能正常供電，從而保障船舶的正常運行。

現行《規范》對內河船舶電力系統的選擇性保護只有一個籠統的要求，沒有送審要求。在此建議急流航段的全回轉舵槳電推船應按照《船舶電力系統選擇性保護指南》的要求進行選擇性保護設計，并將保護電器協調動作分析報告納入到送審圖紙當中。這樣，由于急流航段要求船舶至少有雙推進支路，對于短路故障，除主匯流排之外，任一處饋電線路發生故障，切除故障支路，都能保證至少一半的推進和操縱力，但主匯流排的短路故障必須單獨考慮。

這里，考慮兩種方案。

1)船舶采用分區獨立供電，或在主配電板主匯流排分成多段，分段之間不連接，推進和其它負載均分連接到主匯流排各分段，見圖1。對于任何一處單點故障，都至少能保證一半的推進力和操縱動力，降低了主電網失電的風險。但是，對于雙槳推進的電力推進船舶，當船舶的電網使用了電力電子設備對推進電動機或其他大型工程機械進行調速控制，為限制其帶來的諧波影響，往往采用單推進支路12脈沖整流，從而構成雙推進支路虛擬24脈沖整流，從而抑制電網諧波，見圖2。

圖1 母線不聯接的方案

圖2 母線帶保護聯接的方案

如果強制電力推進船舶的電網采用分區供電或左右舷分開供電，就無法構成虛擬24脈沖整流，從而在抑制諧波方面，就需要采取一些高成本的措施，這也是設計者不愿意見到的。

2)采用帶保護的斷路器連接主匯流排的分段，一般這個斷路器稱為母聯開關，見圖2的ACB0。母聯開關的保護，主要考慮對主匯流排的短路故障的保護，一般僅設置STD進行保護，按照時間選擇性來進行短路保護。以圖2系統為例，各保護電器短延時可按如下設置：MCCB6～MCCB11短延時0.1 s，MCCB5短延時0.15 s，MCCB3、MCCB4以及ACB3、ACB4短延時0.2 s，MCCB1和MCCB2短延時0.3 s，ACB0短延時0.5 s，ACB1和ACB2短延時0.7 s。實踐經驗表明，當主匯流排以下負載饋電線路發生短路故障，由時間選擇性保障僅切除故障支路；當主匯流排一側發生故障時，母聯開關由時間選擇性可在發電機端斷路器動作之前斷開，以保障非故障的一側主電源的供應；當發電機組端發生短路故障，則主要靠發電機端斷路器的瞬動保護或差動保護來確保切除該發電機組端的故障，保證主電網的供電。

3 功率管理系統的設置

考慮到電力推進船舶的特點，一般來說為了提高能效，通常會設置2臺甚至更多的可并網的主發電機組，根據航行工況靈活地增減，對全船推進及其它負載進行供電。

故在電氣設計時，建議設計者考慮設置可靠的功率管理系統(以下簡稱PMS)，來實現電站的自動管理。PMS具有控制方式靈活、穩定可靠等特點[5]，可以容易地實現發電機組相關參數的監測和報警、自動并網及解列、自動調頻調載、重載詢問、有功、無功負荷分配以及快速功率限制卸載等功能，使得在網機組能對負載大小自動調節，增加電站供電的可靠性。

在正常的情況下，PMS可以保證電站的正常工作，防止電力中斷，但若在網機組可用功率快速下降，PMS的響應速度就很重要。根據以往的設計經驗，當發電機組并網工作且處于額定負荷率的情況下(此處考慮最惡劣工況，即僅有2臺發電機組并網工作)，并網運行的發電機組其中1臺發生故障而故障解列，若考慮正常工作時，每臺在網發電機的負荷率為80%左右，1臺發電機故障解列后，另1臺將工作在160%左右。當發生這樣一種特殊情況時，應有合理的措施保障，僅剩的一臺發電機也必須能持續工作。

4 特殊情況的解決方案

一般發生上述特殊情況會造成以下保護措施動作。

1)內河規范規定，一般發電機斷路器的LTD整定值一般在發電機額定電流的125%～135%，而STD整定值在發電機額定電流的200%～300%。根據斷路器保護的動作電流特性曲線，一般來說剩余的1臺發電機處于2倍的額定負荷率工作情況下時，其保護電器會在介于短延時和長延時的延時時間內脫扣跳閘。

2)剩余的一臺發電機由于是額定負荷率下突加1倍額定負荷率的負載，會造成電網電壓的跌落，根據內河規范對發電機的欠電壓保護的要求是：當電壓降至35%～70%之間時，發電機主開關應能自動分斷；欠電壓保護裝置的延時應與短路保護延時相協調。因此欠電壓所導致的保護跳閘也會延時較短時間后動作。

3)一般柴油機的標定工況都是它能長期穩定輸出的功率，出廠前柴油機油門齒條會鎖死在一個固定的過載點，比如110%額定功率，超過這一功率柴油機是無法輸出的，如果嚴重過載會造成柴油機保護裝置動作停機。這一過程是不可逆轉的，也就是說只要保護裝置動作，即使負載降到額定值以下柴油機也會停機。

此3種保護動作均可能導致最后一臺在網發電機組停止工作。

一般情況下，推進系統的用電負荷是整個電力推進船舶用電最大的一部分，通常占到了50%～80%，即使PMS將非重要負載優先卸載，其剩余的在網負載仍會遠高于僅剩的在網發電機組最大輸出功率。因此在設計PMS及電站控制系統時，應考慮在出現上述特殊情況時，迅速限制推進功率，才能有效地解決過負荷問題。但柴油機功率調整是一個機械過程，其響應速度遠低于電子設備的響應速度。根據國內外的運行經驗，如果在0.2～0.5 s之內能夠將負載降到柴油機能夠承受的范圍，則柴油機保護裝置及其他保護均不會動作，可以保證主電源供電的連續性；否則，柴油機會在很短的時間內由于嚴重過載而停機，同樣導致最后一臺在網發電機組解列而主電網失電。

本文建議此時應考慮PMS和推進控制系統的密切配合，盡可能地節省控制系統響應時間。必須指出，由于PMS普遍采用PLC來實現對發電機組的監測，當監測到上述故障后，PMS將信號通訊到變頻器進行推進限制，而PLC其工作過程一般分為輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段，稱作一個掃描周期。以SIEMENS的PLC為例，一個掃描周期大約需要幾十毫秒，如果通訊任務很多的，時間就更長了。故建議采用變頻器的邏輯控制單元主動監測在網機組狀態，例如監測電網頻率參數。目前，求取電網瞬時頻率的算法很多，如文獻[6]的方法，當電網頻率在0.3 s內由50 Hz變化到60 Hz，是可以在4 ms內監測出這個階躍變化的[7]，這樣將縮減從PMS監測出異常到通訊至變頻器這個時間，有利于更快地進行功率限制響應。這一控制方式的有效性筆者在以往的實船設計和試驗中也得到過驗證。例如，當模擬某臺發電機組故障時，故障發電機的輸出功率、電網頻率和電壓會發生大幅波動；或在網某臺發電機主開關故障跳閘，變頻器若主動監測在網機組的輸出功率、頻率、電壓、發電機主開關這幾個參數中的一項或多項，采用相關的邏輯控制，無論變頻器采用直接轉矩控制[8]或是矢量控制[9]等，只要控制系統迅速做出反應，封鎖或限制逆變器開關管的PWM輸出脈沖信號，迅速限制輸出電流(即推進轉矩)，由于推進功率與轉速和轉矩均成正比關系，即使轉速也不能迅速降低，也可以達到限制推進功率的作用，即實現對限制推進功率的快速響應，從而避免最后一臺在網發電機組解列停機。

5 結論

內河急流航段全回轉舵槳的電力推進船舶電站型式可以采用推進母線分段不連接的方式，或采用在使用帶保護的母聯開關斷路器的方式，對于后一種方式，建議如下。

1)有條件的電力推進船舶，盡量采用多于2臺發電機組構成主發電系統，并保持每一段分匯流排都有在網發電機組運行。

2)有條件的電力推進船舶，將柴油機的功率裕量增加，使如發生第3節所述突發情況時，柴油機的過載率可以低一些。

3)當有可能發生第3節所述突發情況時，應具備有效措施，盡可能在0.2 s～0.5 s以內將推進功率限制到合理值，以保證主電網最后一臺在網機組不會因電網過載而解列，導致主電網失電。

內河急流航段對船舶的安全可靠性要求很高，全回轉舵槳的電力推進船舶可能發生的故障中最嚴重的是主電源的失電，應尤其注意防止其發生而造成影響船舶及人生安全的事故。

[1] 中國船級社.鋼制內河船舶建造規范[S].北京:人民交通出版社,2009.

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