直流母排穿艙問題的處理方案

張建平，陳曉宇，唐杰，陸華中

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

某深水鋪管船項目，鋪管設備采用多傳動變頻系統，布置在左、右舷電氣設備間，系統的公共直流母排穿過A60 & 水密艙壁相連，母排設置直流隔離開關。正常運行時，兩側的母排獨立運行，驅動各自母排上的設備；應急情況時，可將艙壁兩側的直流隔離開關合閘，利用單側的驅動變壓器和ISU(IGBT supply unit，IGBT整流單元)實現所有設備的降容運行。驅動電力系統見圖1。

圖1 驅動電力系統

驅動系統、直流母排和母線槽由鋪管設備商供貨，母排為普通鍍錫裸母排，母線槽為玻璃鋼材質、扣板形式。設計團隊負責母排穿艙方案的具體設計、穿艙件選型等工作。母排穿艙成為實現驅動系統設計意圖的關鍵。

電纜、管件在海工船舶上的穿艙屬于常規做法，有眾多知名廠家和成熟產品，可以選擇模塊式電纜貫艙件(multi-cable transit，MCT)、防火套管、堵料澆注等穿艙方案。但電力母排穿艙屬于特殊應用。為此，考慮根據實際情況，分析母排穿艙及母線槽的規范和認證要求，調研市場產品和以往項目的應用情況，從產品認證、設備改造、穩性計算、作業工況、失效模式分析等多方面，分析比較方案的可行性，確定最佳處理方案。

1 規范和標準

IMO的《國際海上人命安全公約》(international convention for safety of life at sea，SOLAS)綜合文本2009版對于穿艙問題有明確的要求[1]：如管子、排水管和電纜等通過水密艙壁時，應設有保證該艙壁水密完整性的設施；如貫穿“A”級分隔，該貫穿件應在符合本條4.1.1.5規定的前提下，根據《耐火試驗程序規則》(fire protection procedure，FTP)進行試驗。

《歐盟的船用設計指令》(marine equipment directive，MED)Directive 2014/90/EU要求：電纜穿艙件必須符合SOLAS要求，并具備MED module B+D 或 B+E 或 B+F證書。

英國勞氏船級社的《船舶入級規范》(2017年7月版)，第6部分/第2章/第11節/11.17[2]對于母線槽系統有專門的描述。相關內容如下。

1)母線及其連接應有防腐蝕/氧化措施，避免接觸不良而導致過熱。母線及其支座的設計應能承受短路時可能產生的機械應力。需要時應提交測試報告或計算結果以驗證母線系統的短路耐受強度。

2)如果裸導體采取了措施防止表面氧化，則額定正常電流下的溫升極限不得超過60 ℃，否則允許溫升極限不超過45 ℃。如果母線溫升高于45 ℃，應確保對與母線相鄰和/或連接的設備沒有不利影響，并且不超過與母線接觸的任何材料的溫升極限。需要時，應提交測試報告或計算結果以驗證分配給母線系統的額定電流。

3)母線槽系統應具有最低進入防護(ingress protection，IP)等級IP54(根據IEC60529)。

4)母線槽或其系統的內外布置應確保不損害其通過的任何結構的防火和/或水密完整性。

經與現場驗船師和船級社審圖中心溝通后明確，母排穿艙后的艙壁防火和水密性必須完全符合本項目的《防火區域圖》和SOLAS要求；穿艙件的耐火和水密試驗證書必須滿足FTP、SOLAS、MED要求和船旗國規定。

2 方案分析

針對公約、標準和規范的要求，結合項目實際，設計團隊提出了4種處理方案。

2.1 電纜替代母排

首先考慮采用電纜替換母排，從而規避母排穿艙。原項目執行時，船東和驅動系統供應商曾討論過采用電纜代替母排以便連接左、右舷電氣設備間的兩部分驅動柜，設備商也確認技術上可行，但需要加裝額外的電控柜以容納直流保險絲、電纜連接件，以及其他輔件，整體成本約增加45萬元。增加直流保險絲是由于母排上的直流開關均為隔離開關，開關操作是在電源斷開、電容儲能釋放后進行，無線路保護功能；如果母排改為電纜，必須設置直流保險絲以保護電纜。

將該方案細化為3種具體方式，顯然各有局限性。

1)將母排整體改為電纜。前述的整體增加成本基于多傳動驅動器尚在設計階段、未生產的情況下，實際上設備到貨后，現場改造費用會更高；考慮改造風險和責任，國內是否有設備商可以承接改造工作也不可知；而且電氣設備間空間有限，多傳動驅動柜已經無法增加柜體。

2)將穿艙的一段母排改為電纜，左、右電氣設備間設置對接箱，用于連接該電纜和驅動柜一側的母排。這樣多傳動驅動柜無需作電纜連接件的改造，但按照電纜保護的要求，直流保險絲仍需增加，隨之而來的問題是多傳動驅動柜需要升級改造。

3)采用防短路電纜。防短路電纜即硅橡膠絕緣電纜，這類電纜由于絕緣材質的特性，長期工作所允許的最高溫度、短路時允許的最高溫度都高于普通電纜。小電流或者交流系統采用硅絕緣電纜有現實意義，當前系統的額定電流4 000 A以上，短路電流計算值更高，且直流系統的電纜絕緣要求本來就高。適用性需要進行電纜熱效應和動效應校驗，還要解決電纜的規格選型和船級社證書問題；而且，不設保險絲或開關以保護電纜，本身就和船級社規范的要求相悖。

2.2 更改母排品牌和型號

對各大船廠以往項目的類似應用和相關的母線槽產品展開調研。

招商局重工(江蘇)有限公司曾在CMHI182項目上采用配電母排穿過A0艙壁，連接2個艙室的2組配電板，避免了27根3×120 mm2電纜的敷設和MCT穿艙，降低了成本、工藝難度以及工作量。穿艙系統持有DNV GL防火證書(證書號TAF00001BB)。項目采用施耐德母線Type I-LINE/Canalis Series B Busway 800 A to 5 000 A，及火克HK-MG母線槽穿艙系統，申請了實用新型專利(專利授權公告號：CN 210898425 U)。

核查該項目應用情況及防火證書，證書載明須配套使用施耐德特定型號母排槽，可用于A60艙壁穿艙。但有以下局限性。

1)DNV GL防火證書上明確載明“不適用于水密艙壁穿艙”，無法用于鋪管船項目。

2)該母線槽型號的電壓等級從產品資料看為690 V AC，而直流母排額定電壓為973 V DC。

3)存在施耐德母線槽與多傳動驅動柜內母排的連接問題。

4)施耐德母線槽的防護等級最多能達到IP66。如果考慮母線槽內封堵以達到水密，則演化為母排的直接封堵和穿艙，就沒有必要采用施耐德產品。

鑒于多傳動驅動柜原理圖和尺寸圖中標注母排為“ABB MDY BUSDUCT”。設計團隊查閱ABB官網，發現“MDY BUSDUCT”除了母排，還包括母排支撐件、母排護套等。資料截圖見圖2。

圖2 ABB MDY BUSDUCT[3]

資料中對于母排絕緣層和IP等級有專門的說明，產品由無鹵絕緣材料擠塑包覆在母排表面，母排可彎曲以方便現場施工，載流能力出色，完全密封時防護等級為IP54，也可提供IP65。對比鋪管設備商供貨的普通裸母排，ABB MDY BUSDUCT的IP等級滿足規范要求，配有完整的支撐件，母排絕緣采用普通電纜相同的擠塑絕緣工藝，更加符合項目所需的母排穿艙應用，但仍然無法避開防火、防水認證和試驗。

查閱ABB母線槽手冊時，注意到ABB有樹脂澆注式的母排產品，MV Busduct系列Type MV-MB，以及LV Busduct系列Type SC-R，可以達到防火、防爆、IP68防護等級，額定電壓從1 kV一直到17.5 kV，額定電流最高可到6 000 A，可見還是有類似應用。

2.3 母排穿艙型式認證

母排穿艙的前提是保持艙壁的防火、防水性能，穿艙型式的防火、防水試驗和認證必須解決。

本著最大程度利用現有設備和材料，減少已到貨的進口多傳動驅動柜改造工作量，基于“套管式電纜/管道貫穿密封裝置”提出安裝型式，見圖3。

圖3 母排穿艙型式示意

該裝置是成熟產品，各家穿艙件廠家均有A60證書和水密測試報告，但均針對電纜或者管道。設計團隊按照驗船師要求提交了穿艙件的防火證書、水密證書，并計劃就此母排穿艙型式進行后續取證工作。

現場驗船師對此方案提出3點要求。

1)母排以及穿艙密封裝置中所使用的絕緣材料均要有型式證書和特性試驗數據，不小于同一電壓等級電纜的絕緣性能。

2)母線槽要符合LR規范中相關規定(如IP等級、支撐強度、載流量計算書等)。

3)需要提供穿艙形式認可證書。

這一方案的關鍵是A60防火試驗以及母排絕緣護套、穿艙密封裝置中的防火套管等電絕緣性能的驗證認證。取證周期較長，相關費用約20萬元。

2.4 更改艙壁屬性

普通艙壁的母排穿艙不需封堵，左、右舷電氣設備間的相鄰艙壁是否可以定義為非水密、非防火，這是處理過程中各方都提出的方案和問題。

多傳動驅動柜所在的左、右舷電氣設備間在當前設計中歸類為動力定位(dynamic positioning，DP)分區，同時也是安全返港(safe return to port，SRtP)分區，DP系統、SRtP都以這道中間艙壁為A60及水密分割壁開展設計，進行電纜管路的路徑規劃及設備布置，見圖4。

圖4 左右舷電氣設備間布置示意

一旦艙壁屬性變化，這兩個房間在DP和SRtP分析時必須按照一個房間對待，分屬不同DP系統的設備、電纜、管路就不能同處一室，會對正在施工的項目造成修改。

經聯合各專業、技術顧問團隊、失效模式與影響分析(failure mode and effects analysis，FMEA)第三方，就取消艙壁的A60和水密屬性進行溝通，梳理具體影響。

1)總體專業認為，鋪管船破艙穩性適用于概率破艙，最大破損范圍是從舷邊穿透船寬(breadth，B)/2，垂向破損范圍最大為距基線約23.3 m，左、右舷電氣設備間處于破損范圍內。若中間艙壁考慮為非水密，對原穩性計算結果產生影響，初步核算仍滿足要求，穩性報告需重新送審。

2)內裝專業的防火分割圖需取消艙壁的防火分割，但現場已完工的絕緣可保留，不作返工。

3)通風專業無需修改。

4)輪機管系專業，移出燃油儲存艙1根透氣溢流管，或用鋼板圍蔽并做A60絕緣，形成A60通道。

5)電氣專業的電纜路徑無需修改。

6)原兩個設備間各布置有DP系統的1個網絡分配單元(network distribution unit，NDU)，2個NDU不能同時丟失，其中1個需移出，并修改相關電纜。

7)6臺中壓變壓器分2組連至2段發電機主母排，雖未供電給DP設備，但該區域發生火災或水淹時，可能使主母排多次連續短路，疊加壓降時間超過系統設計的壓降穿越能力，造成全船失電。

8)2個690 V和440 V配電板雖未供電給DP設備，也應考慮火災或水淹時的連續短路情況。

2.5 船級社審圖中心核查意見

1)更新并重新提交關聯圖紙和計算分析報告，比如穩性計算、選擇性保護分析、設備布置圖等。

2)中壓變壓器開關保護設定值由0.40 s調整為0.15 s，這樣即使火災或水淹時3個變壓器無間隔連續短路(3×0.15=0.45 s)，也不會引起發電機(設定值0.80 s)和主母排母聯開關(設定值0.6 s)的跳閘，可避免發生開關誤動作或主母排全部失電。

3)更新FMEA報告描述，并確定驗證步驟，海試時模擬火災/水淹狀況進行演示。

方案從實施可行性上，得到各專業、船級社審圖中心、驗船師以及船東方的認可?，F場工作除了需處理1根透氣溢流管、1個NDU需移位，其余均為計算書、圖紙、分析報告等工作；母排穿艙可以不考慮艙壁的A60和水密性，無需考慮封堵，到貨母排和母線槽得到利用；船級社提出的模擬試驗本就屬于FMEA試驗項，并非額外工作；艙室失火或浸水時設備可能連續短路引起的問題，可調整相應保護開關設定值予以避免，經核實，對下級低壓負載的選擇性保護也無影響。因此，更改艙壁屬性對項目進度和成本影響有限。

2.6 方案比較和選擇

把不同方案對應的影響情況見表1。

表1 母排穿艙解決方案對比表

3 結論

綜合考慮項目各方意見，最為務實的做法是采用第4種方案：更改艙壁屬性。其他方案均存在成本、可行性、進度不可控等風險，而且均會出現即使付出代價，仍可能無法達到預期的情況。