DP3船舶閉合母排實效短路試驗

李成育，高 峰

上海振華重工（集團）股份有限公司海工船舶事業(yè)部，上海 200125

隨著海工船舶的大型化和作業(yè)工況的復雜化，DP3船舶既要滿足復雜工況作業(yè)或發(fā)生故障時的安全性，又要滿足日常及安全作業(yè)下的經(jīng)濟性。在此背景下，電力系統(tǒng)發(fā)展出了DP狀態(tài)下的閉合母排、閉合環(huán)網(wǎng)、推進器交叉供電等技術。文章基于筆者所在公司制造交付的兩艘DP3海工船舶配電系統(tǒng)，選取閉合母排或雙供電下所制作的配電板進行短路測試，介紹DP3船舶閉合母排的實效短路試驗前的組織分析和實施要點。

1 動力定位船舶閉合母排電力技術概述

自1977年DNV的DP規(guī)則出現(xiàn)以來，到1999年DNV引用IMO 645 DP指南作為指導方針，再到2013年提出閉合母排對DP3船舶的諸多建議要求并開始實施，對于DP3船舶，DNV-GL等船級社一般不接受采用閉合母排和閉合環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)設計，主要原因是當時設備技術性能保護不足，實效短路試驗驗證電力系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠的困難等。考慮到系統(tǒng)安全性，防止某些單點故障，導致整個電力系統(tǒng)失電，因此一般采用分段母排運行。因為分段母排完全相互獨立，無論發(fā)生什么故障，都只會導致一段母排故障，不會引起全船失電，能維持船舶動力定位能力。

然而隨著電子技術和工藝的發(fā)展，證明閉合母排和閉合環(huán)網(wǎng)可以做到和分段母排相同水平的可靠性和完整性，還能使船舶在運行過程具有更高的經(jīng)濟性和更靈活的操作性，進而開始被采納。繼DNV-GL船級社后，CCS等船級社也開始接受閉合母排、閉合環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)設計和配電方式的船舶。同時，為了證明其可靠性和完整性能夠等效于分段母排運行，對系統(tǒng)的設計、安裝、調試也提出了更高的要求，要求系統(tǒng)有多重的保護、冗余、安全穿越等，在FMEA試驗項目中也要求附加AVR故障、發(fā)動機調速器故障、實效接地、短路故障、失電順序恢復試驗及安全穿越等能力。

采用該配置的船舶在進行DP FMEA（故障模式分析）時組合復雜，分析難度高，試驗安全風險大，且不能做全部的工況測試，如果試驗方法保護不當將造成嚴重的或災難性后果。

2 實效短路試驗的分析準備

船舶運行在DP3閉合母排工況時，電網(wǎng)發(fā)生單點故障后，有可能會將故障蔓延至其他冗余的DP分組。在閉合母排的狀態(tài)下，需要保證單點故障發(fā)生后，故障點所在DP分組能夠被及時隔離，電網(wǎng)剩余部分能夠恢復正常，相應推進器能夠正常運行，且DP保持正常運作；隔離的故障段、非故障的設備和系統(tǒng)能夠安全穿越；發(fā)電機電壓恢復時沖高不會對整個電網(wǎng)造成影響，如引起過壓脫扣等。

2.1 風險評審

（1）發(fā)電機短路電流衰減曲線實際和理論不一致將帶來保護失效風險。發(fā)電機廠家在工廠測試一般不進行額定電壓下三相直接短路測試，因此一般廠家不能提供發(fā)電機實效短路電流衰減曲線，只能提供理論計算的曲線。配電開關繼電保護設定選擇性分析報告等基于理論計算的短路電流衰減曲線設定或分析若不正確將導致繼電保護的設定錯誤，因此存在實效短路測試失敗、發(fā)電機器件損壞等風險。發(fā)電機的理論計算短路電流衰減曲線應該基于實船電站短路電流測試來驗證，最終交付的短路電流衰減曲線必須基于實際的發(fā)電機和AVR測試結果。

（2）HV側三相短路電流測試。短路試驗選擇11kV高壓側三相實效短路測試。基于項目負載工況、DP能力分析、短路電流分析，當4臺發(fā)電機在網(wǎng)，4臺中壓變壓器并聯(lián)運行，8臺推進器在網(wǎng)時為最危險工況。此時HSB3（11kV第三段）母排發(fā)生短路，實效短路時的母排連接如圖1所示，HSB3短路電流計算結果如表1所示。

圖1 HSB3短路母排連接

表1 HSB3短路電流計算結果

測試時為了驗證電網(wǎng)選擇性保護功能，將測試的備用“Feeder”脫扣線圈拆掉使之失效，使故障段配電盤、發(fā)電機及其下游負載能夠耐受1s的短路電流沖擊。

第一，短路測試時，短路電流不可控，測試時為了不直接在中壓母排上直接短路，選擇備用“Feeder”進行測試，要求該短路故障一直存在以達到與母排短路等效的目的。測試時為了驗證電網(wǎng)選擇性保護功能，使備用“Feeder”的脫扣線圈失效。由于發(fā)電機主開關需滿足選擇性保護要求，在發(fā)生短路后，故障段母排在0.1s或0.8s內被隔離，但故障段上的發(fā)電機主開關要在過電流延時1s后脫扣隔離，因此脫扣之前發(fā)電機、母排及其下游負載需要耐受約1s的短路電流沖擊，同時也會存在發(fā)電機或母排燒壞的風險。中壓配電板繼電保護設置如表2所示。第二，中壓配電板各開關在發(fā)生短路時承受大電流沖擊，開關在沖擊電流的影響下機械靈敏度備受考驗，若多次試驗靈敏度下降會直接影響開關的分合閘動作時間，進而影響最終的試驗結果，同時短路試驗也會影響開關的使用壽命甚至直接損壞。

表2 中壓配電板繼電保護設置

第三，若故障配電盤母聯(lián)開關未及時脫扣，故障配電盤未及時隔離，則將導致整個電網(wǎng)失電，造成船舶DP失效、船舶失位。

第四，測試過程中若推進器瞬態(tài)欠壓穿越失效，將導致短路試驗失敗，使設備存在再次試驗沖擊損壞的風險。

在得到模糊等價矩陣后,將中最小元素和最大元素分別設置為初始閾值λmin和最大閾值λmax。則閾值增量Δλ根據(jù)λmin和λmax確定。

第五，短路降壓后恢復過程中若存在電壓超調超壓過程，變頻器穿越將存在失敗風險。

第六，該試驗為破壞性試驗，一般在發(fā)電機的整個使用周期內只能做幾次，因此發(fā)電機不存在反復測試驗證的可能，如發(fā)電機發(fā)生重大故障也會導致試驗徹底失敗而影響船舶取證和交付。

2.2 實效短路試驗可能產(chǎn)生的風險

（1）安全風險。實效短路試驗屬于破壞性試驗，風險較大。短路瞬間母排會產(chǎn)生巨大的短路沖擊電流，大到幾十千安，可能產(chǎn)生的事故如下：①強電流可能導致電纜或設備發(fā)熱，引發(fā)火災事故；②短路瞬間溫度快速上升，可能使配電板內氣體快速膨脹，從而導致爆炸事故；③短路瞬間因電流過大，各相母排或電纜之間會產(chǎn)生強大的排斥力，當超過導體的動穩(wěn)定度時，母排或電纜可能會被甩出，造成設備損壞或人身安全事故。

（2）設備損壞風險。實效短路試驗因巨大的短路沖擊電流，可能導致配電板、發(fā)電機、柴油機等設備的器件受沖擊電流影響導致?lián)p壞，柴油機因瞬間巨大的負載導致悶機甚至斷軸等風險，需設備廠家做好更換器件準備。

（3）試驗通過風險。因為試驗過程時間很短，幾乎瞬間完成，所有情況需要通過數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)檢測，再根據(jù)數(shù)據(jù)分析試驗成功與否，最終由船級社、FMEA第三方等評估確定試驗是否成功；如果失敗，還需要修改系統(tǒng)或調整參數(shù)后重新試驗，存在試驗失敗或多次試驗的風險，實效接地、短路試驗也存在最終試驗失敗并影響取證交船的風險，該風險需與船東提前溝通。

（4）周期風險。試驗分析、送退審、預調試、實效試驗是否順利也將影響交船周期長短以及船東是否接受并允許延期。

3 實效短路試驗的實施準備

（1）按照FMEA試驗程序完成DP試航時相關系統(tǒng)的FMEA測試，保證單一故障發(fā)生時，每一個DP相關設備的保護、切換、維持運行可靠，不影響DP狀態(tài)運行。

（2）失電順序恢復試驗雖然在系統(tǒng)設計時，已經(jīng)考慮了發(fā)生各種故障時的保護和隔離能力，以保證電網(wǎng)的供電連續(xù)性，但在船舶實際運行過程中，仍會有一些故障無法預料，因此也要求進行全船失電恢復試驗，以保證在全船突然失電的情況下，能迅速恢復供電系統(tǒng)和動力系統(tǒng)，以驗證船舶從失電到恢復供電的能力。

（3）根據(jù)規(guī)范要求和試驗目的，有故障的配電母排段或某機組、負載設備能及時被切斷隔離，而其他DP相關配電等系統(tǒng)設備，在短路等故障期間至恢復供電后需要恢復并保持原來的運行狀態(tài)，保證恢復供電后運行的連續(xù)性。例如推進變頻器不脫扣、使DP系統(tǒng)維持對推進器的控制、輔助設備電機不脫扣或停機、使低壓保護脫扣器不發(fā)生誤動作并有自啟動記憶功能等。對于重要的輔助設備電機，例如冷卻泵、燃油供應泵、轉舵泵等為DP系統(tǒng)服務的馬達啟動器，要求在短路降壓或失電瞬間其接觸器不會斷開，其主控回路的電源可由UPS供電，且UPS按系統(tǒng)冗余分組設計配置并已按照FMEA試驗程序完成試驗。

（4）為了保證實效試驗的成功，提前進行中壓配電板開關繼電保護的現(xiàn)場模擬測試，測試方向性電流的保護功能。

4 實效短路試驗實施及保證前提

在所有準備工作完成后，還需成立專門的FMEA試驗項目和實效短路試驗小組，負責全面試驗的具體實施和數(shù)據(jù)收集工作。

（1）根據(jù)前期的準備及流程，編排FMEA試驗和實效短路試驗計劃，準備相應的航行試驗大綱、程序，并提交船東、船檢認可。

（2）FMEA試驗和實效短路試驗時由專業(yè)調試主管根據(jù)調試計劃和實際情況確定系統(tǒng)調試先后順序，或調整、處理調試中各種交叉問題，并向船東、船檢提交報檢計劃并組織報檢，達到船東、CCS船檢和FMEA第三方的要求。

（3）每項調試結束后，整理調試報告，提交船東、船檢、第三方簽字確認，并澄清確認意見或有條件時安排逐一消除，盡量保證不留意見。

（4）調試過程中根據(jù)不同的設備，做好相關的保護、操作維護、數(shù)據(jù)記錄等相關工作，保證在調試過程和調試結束后，設備始終處于良好的狀態(tài)。

（5）FMEA試驗項目必須完成，包含F(xiàn)MEA基本測試、失電順序恢復試驗、安全穿越測試、中壓開關繼電保護功能測試。

（6）實效短路試驗結論認定。實效短路試驗后，船級社和FMEA第三方需要就試驗結果進行討論分析，然后給出結論，評判試驗是否成功一般有以下標準：①發(fā)生短路或接地故障的母排是否被隔離；②發(fā)生短路或接地故障母排上的發(fā)電機和負載是否被隔離；③正常段配電板是否被隔離；④正常段發(fā)電機是否正常運行且正常供電；⑤正常段推進器是否正常運行且未被踢出DP控制；⑥需要安全穿越設備是否正常運行且未影響發(fā)電機和推進器的運行；⑦實效短路和實效接地試驗后各開關和設備的動作是否與試驗程序預設一致；⑧采集的數(shù)據(jù)和曲線是否與模擬仿真分析報告的情況基本一致。

5 結束語

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，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，越來越多的船東希望電力系統(tǒng)可以在DP3的閉合母排操作模式下開環(huán)或閉環(huán)運行，船級社對實效短路試驗的要求也越來越明確。雖然短路試驗只有短短1s左右的時間，但是需要船東、船廠和供應商前期足夠重視，進行密切溝通并保持設計標準一致，實驗過程中做好預防措施，特別是安全方面的保障措施，考慮試驗過程中各種潛在故障風險帶來的影響，確保將相應的保護措施工作落實到位。對于此類多工況高復雜性、高風險的試驗（如實效短路及接地試驗），可以采用模擬仿真的方法和實際驗證對比的方法，減少試驗次數(shù)和試驗的風險，事前做好技術研討分析及組織研討，以識別過程風險并制訂應急預案，取得各利益方的認可。