中壓雙級(jí)環(huán)形供電系統(tǒng)故障穿越測(cè)試方法

劉國(guó)泰，翁康強(qiáng)，王浩召

(福建省馬尾造船股份有限公司，福建 福州 350501)

0 引言

深海采礦船設(shè)備眾多，作業(yè)工況復(fù)雜，一旦供電網(wǎng)出現(xiàn)故障，對(duì)設(shè)備及整船危害極大。故障測(cè)試是環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)的必不可少一環(huán)，是驗(yàn)證電力系統(tǒng)安全性及可靠性的重要手段。由于深海采礦船采用特有的雙級(jí)環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，而實(shí)船故障測(cè)試危險(xiǎn)性較大，需預(yù)先研究形成一套完整的危險(xiǎn)源識(shí)別及防控技術(shù)，用以鑒別測(cè)試中的危險(xiǎn)源，并判定危險(xiǎn)系數(shù)，劃分危險(xiǎn)等級(jí)，提出危險(xiǎn)防控方案。

本文針對(duì)采礦船特有的中壓雙級(jí)冗余環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)和隱性故障，進(jìn)行故障穿越能力測(cè)試技術(shù)分析，制定了故障穿越能力測(cè)試流程，通過(guò)實(shí)船故障穿越能力測(cè)試，總結(jié)了一套中壓雙級(jí)冗余環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)故障穿越能力測(cè)試方案，并確保系統(tǒng)在嚴(yán)重故障情況下，不影響采礦作業(yè)設(shè)備、推進(jìn)器及柴油發(fā)電機(jī)組的正常工作，以提高采礦船海上作業(yè)的安全性，滿足連續(xù)作業(yè)及定位的要求。

1 深海采礦船雙級(jí)環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)介紹

深海采礦船主供電網(wǎng)絡(luò)由6臺(tái)6.6 kV中壓發(fā)電機(jī)、3個(gè)獨(dú)立配電板以及配電板之間連接的電纜組成。船舶環(huán)形網(wǎng)供電時(shí)，根據(jù)作業(yè)工況需求啟動(dòng)最少2臺(tái)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，閉合配電板之間的主母聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)和備用母聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，從而將所有配電板連接起來(lái)形成一個(gè)環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，給船舶用電負(fù)荷供電。深海采礦船雙極環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖1。圖中，柴油發(fā)電機(jī)組參數(shù)為：電壓6.6 kV，頻率60 Hz，功率5 238 kW,三相三線制(3PH)。

采礦作業(yè)系統(tǒng)的供電應(yīng)為主電網(wǎng)的一部分，在采礦作業(yè)時(shí)采礦配電板母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由主環(huán)形供電網(wǎng)給采礦配電板供電，然后由采礦配電板給作業(yè)設(shè)備供電。因此，只有采礦配電板對(duì)應(yīng)的主供電母排出現(xiàn)故障隔離后，才會(huì)引起對(duì)應(yīng)的采礦作業(yè)設(shè)備停止供電，保證了采礦設(shè)備供電的穩(wěn)定性和可靠性。深海采礦船采礦設(shè)備配電單線圖見(jiàn)圖2。

主電環(huán)形電站的方向性過(guò)電流保護(hù)功能可以延伸到下一級(jí)的6.6 kV采礦配電板。

2 故障穿越能力測(cè)試方法

故障穿越能力測(cè)試主要通過(guò)實(shí)船短路及接地故障測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證電力系統(tǒng)在電壓瞬時(shí)突降時(shí)維持系統(tǒng)穩(wěn)定的一個(gè)特性。

在測(cè)試前需準(zhǔn)備主要儀表如下：

Digsi和Sigra網(wǎng)路監(jiān)控工具；Siprotec網(wǎng)絡(luò)分析工具； Sinamics啟動(dòng)器軟件(用于變頻器監(jiān)測(cè)及記錄)； DEC200 AVR監(jiān)測(cè)及記錄軟件；柴油機(jī)監(jiān)測(cè)及記錄軟件； PMS軌跡/動(dòng)態(tài)分析軟件；DP軌跡/動(dòng)態(tài)分析軟件。

需要注意的是：為了提高測(cè)試數(shù)據(jù)的可讀性，每個(gè)配電板內(nèi)Siprotec裝置在同一時(shí)間進(jìn)行同步是至關(guān)重要的。

測(cè)量點(diǎn)1：發(fā)電機(jī)保護(hù)繼電器7UM62

圖1 深海采礦船雙級(jí)環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)圖

圖2 深海采礦船采礦設(shè)備配電單線圖

在故障穿越試驗(yàn)中，記錄在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的保護(hù)繼電器5 s內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)連接到Siprotec保護(hù)繼電器的服務(wù)電腦獲得以下測(cè)量數(shù)據(jù)：

發(fā)電機(jī)L1、L2、L3相電流的均方根值/瞬時(shí)值；發(fā)電機(jī)L1、L2、L3相電壓的均方根值/瞬時(shí)值；差動(dòng)電流iDiff和IRest的均方根值；接地電流的均方根值/瞬時(shí)值。

測(cè)量點(diǎn)2：故障饋線負(fù)載的保護(hù)繼電器7SJ80(變壓器)

在故障穿越試驗(yàn)中，記錄故障饋線負(fù)載的保護(hù)繼電器5 s內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，通過(guò)連接到Siprotec保護(hù)繼電器的服務(wù)電腦獲得以下測(cè)量數(shù)據(jù)：

L1、L2、L3相電流的均方根值/瞬時(shí)值；L1、L2、L3相電壓的均方根值/瞬時(shí)值；接地電流的均方根值/瞬時(shí)值。

測(cè)量點(diǎn)3：推進(jìn)變頻器

在故障穿越試驗(yàn)中，記錄推進(jìn)變頻器的相關(guān)參數(shù)，通過(guò)連接到Siprotec保護(hù)繼電器的服務(wù)電腦獲得以下測(cè)量數(shù)據(jù)：

變頻器直流母排實(shí)際電壓；實(shí)際輸出有功功率；主母排頻率；調(diào)速控制器設(shè)定點(diǎn)；實(shí)際速度/轉(zhuǎn)矩；直流電壓控制器輸出設(shè)定點(diǎn)。

測(cè)量點(diǎn)4：動(dòng)力定位系統(tǒng)(DP系統(tǒng))

在故障穿越試驗(yàn)中，記錄DP系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，從DP系統(tǒng)獲得以下測(cè)量數(shù)據(jù)：

試驗(yàn)前DP系統(tǒng)人機(jī)界面上所有發(fā)電機(jī)和推進(jìn)器的狀態(tài)；所有推進(jìn)器的推力；所有推進(jìn)器的反饋功率；報(bào)警及事件記錄。

測(cè)量點(diǎn)5：功率管理系統(tǒng)(PMS)及發(fā)電機(jī)保護(hù)單元

在故障穿越試驗(yàn)中，記錄PMS及發(fā)電機(jī)保護(hù)單元的以下數(shù)據(jù)：

試驗(yàn)前PMS系統(tǒng)人機(jī)界面上所有發(fā)電機(jī)和推進(jìn)器的狀態(tài)及試驗(yàn)后的發(fā)電機(jī)功率軌跡趨勢(shì)圖，包括啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)時(shí)的趨勢(shì)；試驗(yàn)后PMS系統(tǒng)人機(jī)界面上所有發(fā)電機(jī)和推進(jìn)器的狀態(tài)試驗(yàn)中出現(xiàn)的報(bào)警及時(shí)間記錄，如開(kāi)關(guān)脫扣、頻率及電壓報(bào)警等功率限制的輸入輸出趨勢(shì)圖。注意：試驗(yàn)過(guò)程中要特別注意發(fā)電機(jī)保護(hù)單元功能的正確性；在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)保護(hù)單元要給出相應(yīng)的報(bào)警，但是不能脫開(kāi)任何發(fā)電機(jī)。

3 短路故障穿越能力測(cè)試方法

中壓環(huán)形供電系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障就是發(fā)生短路故障的同時(shí)主配電板上的母聯(lián)開(kāi)關(guān)出現(xiàn)隱性故障。環(huán)形供電系統(tǒng)DP操作時(shí)，不能出現(xiàn)任何故障造成失位情況，因此，需要配電系統(tǒng)在短路時(shí)同時(shí)出現(xiàn)隱性故障的情況下具備故障穿越能力。隱性故障(通常為斷路器內(nèi)部的機(jī)械故障)可以通過(guò)斷開(kāi)斷路器的脫扣線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)，脫扣回路監(jiān)測(cè)應(yīng)該能輸出相關(guān)的報(bào)警。

3.1 測(cè)試系統(tǒng)配置

在進(jìn)行故障穿越能力測(cè)試時(shí)，配電系統(tǒng)需要運(yùn)行在環(huán)網(wǎng)模式下(配電板上所有母聯(lián)開(kāi)關(guān)需要合閘)，所有的推進(jìn)器需要運(yùn)行并進(jìn)入DP模式。其他要求如下：

推進(jìn)器需要運(yùn)行在DP模式下，保持最低轉(zhuǎn)速或者輕負(fù)荷狀態(tài)；在短路模式下進(jìn)行斷路器隱性故障測(cè)試時(shí)，至少2臺(tái)發(fā)電機(jī)需要在網(wǎng)；所有的變壓器均需通電，除了用于進(jìn)行短路測(cè)試的變壓器回路。

3.2 測(cè)試方法

在高壓變壓器高壓側(cè)建立一個(gè)三相接地回路，接地裝置的短路電流耐流等級(jí)應(yīng)與主配電板一致(31.5 kA,1 s)，測(cè)試變壓器所在配電板母排分段應(yīng)有1臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)。

在進(jìn)行短路故障穿越能力測(cè)試時(shí)，在PMS操作站上遠(yuǎn)程將測(cè)試變壓器的開(kāi)關(guān)合閘，使之短路(主配電板間以及變壓器所在的房間不允許有人員在場(chǎng)，以保證人身安全)。

在測(cè)試前、測(cè)試中、測(cè)試后所有的系統(tǒng)參數(shù)都要記錄，包括發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)、推進(jìn)器的報(bào)警、狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)軌跡曲線，故障電流、電壓、變頻器的軌跡曲線，以及保護(hù)繼電器的報(bào)警、動(dòng)作狀態(tài)等。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程狀態(tài)

在試驗(yàn)中需將PMS系統(tǒng)人機(jī)界面主電網(wǎng)MIMIC圖狀態(tài)及電壓狀態(tài)趨勢(shì)圖打印出來(lái)。

(1)初始狀態(tài)

短路之前主配電板運(yùn)行在環(huán)網(wǎng)狀態(tài)，2臺(tái)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。詳見(jiàn)圖3初始狀態(tài)電力圖和電壓曲線圖。

注：電壓記錄時(shí)間t<0 ms。

圖3 初始狀態(tài)電力圖和電壓曲線圖

(2)短路狀態(tài)

測(cè)試變壓器三相短路，預(yù)期結(jié)果見(jiàn)圖4。

注：電壓記錄時(shí)間0 ms

(3)母聯(lián)開(kāi)關(guān)脫扣狀態(tài)

母聯(lián)開(kāi)關(guān)脫扣狀態(tài)預(yù)期結(jié)果見(jiàn)圖5。

故障清除時(shí)間段：電壓記錄時(shí)間200 ms

(4)結(jié)果

斷路器故障保護(hù)單元將快速斷開(kāi)備用斷路器并隔離故障母排分段。試驗(yàn)成功時(shí)，故障的母排分段應(yīng)該能被快速切除，同時(shí)剩余的發(fā)電機(jī)以及推進(jìn)器仍然可以正常工作，報(bào)警在操作站顯示。

斷路器故障保護(hù)單元會(huì)在延時(shí)150 ms之后啟動(dòng)斷路器內(nèi)的過(guò)電流保護(hù)脫扣功能。

(5)驗(yàn)證衰減曲線

在短路測(cè)試中驗(yàn)證。

4 故障穿越能力測(cè)試危險(xiǎn)源分析方法

海上試航期間進(jìn)行故障穿越能力測(cè)試時(shí)，需要提前分析潛在的風(fēng)險(xiǎn)/危險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)影響，并制定采取的風(fēng)險(xiǎn)防范措施。

(1)分析前準(zhǔn)備工作

分析小組主要包括設(shè)備供應(yīng)商、船廠設(shè)計(jì)人員、船廠項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)等。

資料主要包括整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商設(shè)備資料、分析報(bào)告、船廠設(shè)計(jì)圖紙、試驗(yàn)流程文件等。

圖5 母聯(lián)開(kāi)關(guān)脫扣電力圖和電壓曲線圖

(2)分析過(guò)程

在分析準(zhǔn)備階段、開(kāi)始正式分析前，分析小組應(yīng)根據(jù)本項(xiàng)目試驗(yàn)的具體試驗(yàn)流程，確定本項(xiàng)目重要的引導(dǎo)詞或風(fēng)險(xiǎn)/危險(xiǎn)源。具體分析流程見(jiàn)圖6。

圖6 危險(xiǎn)源分析流程

(3)編制報(bào)告

分析過(guò)程中討論的引導(dǎo)詞、識(shí)別的危險(xiǎn)源及其可能導(dǎo)致的影響和后果都將錄入HAZID分析清單里，編制分析報(bào)告，以便進(jìn)行HSE風(fēng)險(xiǎn)管理和監(jiān)控。

(4)制作清單

按潛在風(fēng)險(xiǎn)、潛在風(fēng)險(xiǎn)影響、潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)防范及剩余風(fēng)險(xiǎn)水平降低措施及制作故障穿越測(cè)試危險(xiǎn)源識(shí)別分析清單。

5 結(jié)語(yǔ)

中壓雙級(jí)環(huán)形供電系統(tǒng)故障穿越技術(shù)作為中壓智能環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)越來(lái)越受重視。本文總結(jié)了深海采礦船故障穿越能力測(cè)試流程、實(shí)施方案及故障穿越能力測(cè)試危險(xiǎn)源識(shí)別方法和相應(yīng)的解決方案，并對(duì)相應(yīng)的方案做了簡(jiǎn)要的分析和闡述，從而降低試驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)，形成一套故障測(cè)試危險(xiǎn)源識(shí)別方法及危險(xiǎn)防控方案。該方案可以作為采用中壓智能環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)的深海采礦船實(shí)船海試故障穿越能力測(cè)試時(shí)參考。