淺談DP3船舶閉合環(huán)網(wǎng)的電力系統(tǒng)設(shè)計要點

宋秀麗

【摘 要】隨著社會發(fā)展，船舶閉合環(huán)網(wǎng)的配電系統(tǒng)為廣大船東所追求，但因其復雜的設(shè)計、安裝和試驗要求，嚴重影響其在船舶上的應用，特別是DP3船舶上。論文基于DNVGL船級社的最新相關(guān)規(guī)范要求和指導文件，全面分析DP3船舶的閉合環(huán)網(wǎng)電力系統(tǒng)的設(shè)計要求及注意事項。

【Abstract】With the development of society， the distribution system of closed loop network for ships is pursued by many shipowners. However， due to its complicated design， installation and test requirements， it seriously affects its application in ships， especially on DP3 ships. Based on the latest requirements and guidance documents of DNVGL classification society， this paper analyzes the design requirements and matters needing attention of DP3 closed loop network power system comprehensively.

【關(guān)鍵詞】DP3船舶；閉合環(huán)網(wǎng)；電力系統(tǒng)設(shè)計

【Keywords】 DP3 ship； closed loop network； power system design

【中圖分類號】TP274 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）04-0141-03

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)生時不能快速響應和及時處理就有可能引起電網(wǎng)的共模故障最終導致全網(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(tǒng)（通訊，模塊，監(jiān)測等）包括負載分配、快速功率限制、快速故障恢復功能等。快速故障恢復功能要求電網(wǎng)在失電時，能快速起動發(fā)電機組和并網(wǎng)發(fā)電，推進器應能盡快起動，恢復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和重載起動功能，推進器系統(tǒng)的快速響應是要求當電網(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(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

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。

本船要求閉合環(huán)網(wǎng)應經(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期工作。環(huán)網(wǎng)運行中一段母排的故障不應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。

【參考文獻】

【1】IMO. Guidelines for vessels with dynamic positioning systems.MSC/Circ.645[S].1994.

【2】DNV.GL. DP-classed vessels with closed bus-tie（s），DNVGL-OTG-10[S].2015.

【3】DNV. Failure Mode and Effect Analysis （FMEA） of Redundant Systems，DNV-RP-D102[S].2015.

【4】DNV. Dynamic Positioning Vessel Design Philosophy Guidelines，DNV-RP-E306[S].2015.

【5】DNV. Rules for Ships， ts607 [S].2014.