基于5推进器DP—3船舶的电压降穿越试验

李真刚

摘 要：本文介绍了DP-3船舶在出现双路供电到同一用电设备，而该设备无法满足A60分割时，当出现进水或着火引起短路电压降时，全船DP设备不会由于该单一故障而造成船舶丢失定位的具体试验方法，并通过实例验证其正确性。

关键词：船舶；DP-3；电压降穿越 ；双路供电

中图分类号：U665.1 文献标识码：A

Abstract：This paper describes the test how to ensure that if the electric equipment servicing for DP-3 vessel can not comply with A60 isolation， but its feed power is redundant， when a fire or water flooding cause short circuit in this equipment， it wouldnt lead to further fault.

Keyword： Vessel； DP-3； Voltage dip ride through； Redundant

1 引言

当我国迈向深海油气资源的勘探与开发之际，深水多功能船为必不可缺的重要一环，此类船舶对动力定位的稳定性、安全性要求非常高，作为最高等级的三级动力定位系统（DP-3）是该类船舶的必要配置。为满足DP-3动力定位的船级社规范要求，对完全满足A60分割的主备动力定位系统、两独立发电机机舱、两套完全独立满足定位的推进系统是必须的配置。在考虑到成本与空间的情况下，基于5个推进器的DP-3船舶是很有意义的研究课题，其中两主推、两侧推容易满足A60分割，但1个伸缩推没法分开，为验证在伸缩推进器舱可能着火、进水带来的变频器DC-LINE短路事故引起的全船电网电压降不会影响到该船的DP定位能力，根据船级社要求特进行该项试验。同时该试验还可延伸到以下方面的应用：（1）基于电站BUS-TIE闭合类型动力定位的研究，该类型船舶具有节能的优点；（2）DP-3船舶用电设备两路供电由于空间原因造成A60不可分割的情况，该试验也可验证其是否满足DP-3的要求。

2 试验目的

2.1 验证配电板断路器

在两个A60分割的电力系统中存在唯一交叉点的伸缩推（见图1），其变频器DC-LINE短路造成的电流增大对电网的影响中，电网伸缩推断路器直接瞬间断开，不会影响发电机断路器的正常闭合。

2.2 验证船舶电压降负载的穿越能力

在两个A60分割的电力系统中存在唯一交叉点的伸缩推，其变频器DC-LINE短路造成的全船电压降不会导致船舶失去定位能力。

图1中框内主电源如果出现三相电源短路，就可能对左右两边电站造成电压降，该电压降会降低多少？验证其是否会影响到两个电力系统中其它设备运行而使船舶失去动力定位能力。

3 方案的制定

3.1 短路点的选取

根据分析，两个独立供电系统的交叉点在伸缩推变频器的输出端及变频器直流母排后。如果伸缩推舱着火或者进水，唯一可能影响两个电网的就是直流母排后的短路，如果在直流母排后进行短路，将对变频器造成致命的损坏。为避免变频器的损坏又能满足试验的要求，经与船级社商讨后，具体的短路点选取在伸缩推变压器的原边位置，即伸缩推单边断路器的后面（如图2所示位置A和B）。

3.2 短路位置点可行性分析

3.2.1 公共点短路分析

现实中如果伸缩推变频器直流母排后短路引起的结果是：短路瞬间电流增大，直流母排、伸缩推两变压器副边与原边、两配电板母排、发电机端电压瞬间下降，连接在两配电板上的全船其它DP设备均经过电压降过程，而伸缩推两个配电板上的断路器过流瞬断，全船电压恢复。该过程中伸缩推退出DP，其余为DP服务的相关设备不得从电网中退出，剩余4个推进器全部工作在DP状态，船舶仍能满足定位能力。因此，试验分成两部分，对两段电站分别进行验证，分别做A点、B点的短路试验。

3.2.2 A点短路分析

首先关闭伸缩推，全船其余设备进入DP操作工况，将两主配电板母排联络开关分开。若A点短路，瞬间电流增大，左配电板母排、左发电机端电压瞬间下降，连接在左配电板上的全船其它DP设备全部经过电压降过程。如连接在左配电板上的其余DP相关设备未退出DP状态，则试验证明左边整套系统满足DP-3的规范。

3.2.3 B点短路分析

同样关闭伸缩推，全船其余设备进入DP操作工况，将两主配电板母排联络开关分开。若B点短路，瞬间电流增大，右配电板母排、右发电机端电压瞬间下降，连接在右配电板上的全船其它DP设备全部经过电压降过程。如连接在右配电板上的其余DP相关设备未退出DP状态，则试验证明右边整套系统满足DP-3的规范。

通过分别在A点与B点的短路试验可以真实反应实际工况，若试验成功，则可验证该船在伸缩推主电路短路的情况下，其余DP相关设备拥有电压降穿越能力，船舶不会失去定位能力，即可满足船级社的规范要求。

4 试验的风险分析

4.1 试验设备可靠性分析

4.1.1断路器可靠性

（1）主配电板上断路器

当负载出现短路时，负载断路器首先断开，在这个过程中发电机端的断路器不得断开，需在整个电站短路及恢复的过程中保持稳定。其次，其余DP相关设备的负载断路器不能受影响，因此短路点伸缩推的中压断路器需要优先断开。

（2）断路器短路分断次数

断路器耐受短路电流的分段次数能力，决定设备在试验结束后能满足船东的正常使用，且稳定性要有保障。endprint

（3）断路器耐受短路电流的能力

断路器能够耐受短路电流的大小，不至于短路电流引起断路器的损坏。

4.1.2 配电板可靠性

包括：（1）配电板的耐短路电流能力；（2）配电板在电压恢复过程中耐过压的能力；（3）配电板内部燃弧、灭弧能力；（4）配电板上各负载断路器的保护器及检测设备的可靠性。

4.1.3 发电机可靠性

包括：（1）发电机AVR的特性；（2）发电机调速器的特性；（3）发电机的机械抗冲击能力；（4）发电机相关电缆耐压、耐流的可靠性；（5）发电机电缆接线端耐电磁应力的可靠性。

4.1.4 主推、侧推可靠性

包括：（1）变压器过压耐受能力；（2）变频器交—直—交变频模块的过压耐受力；（3）推进器电机的过压耐受力；（4）变频器欠压的耐受能力。

4.1.5 短路点安全性

包括：（1）短路母排电流耐受能力；（2）短路母排安装紧固可靠，防止燃弧；（3）短路点清洁，空间大，防止燃弧。

4.2 试验通过性分析

试验成功的判断依据是当短路产生后，伸缩推断路器瞬间断开，发电机供电断路器闭合状态良好，全船其余DP设备运行正常，船舶定位能力未丢失。在这一过程中，电站需要经历短路电流瞬间增大—电压瞬间减小—短路跳开后电流恢复，以及电压增大甚至过调—电压、电流恢复正常的过程。全船DP设备也需要经过电站的这个变化过程，需要注意几个关键的因素，具体分析如下：

4.2.1 短路回路设备的固定及清洁

试验前需进行短路回路（发电机—配电板—短路断路器—短路点母排），所有连接螺丝紧固检查、连接处接触面检查以及整个回路设备的清洁和绝缘的测量，防止由于过压、过流带来设备的损坏；同时，由于电流的瞬间增大，连接电缆处电缆会产生相互的应力，连接处的电缆需要固定绑扎，特别是发电机电球端、发电机负载线在配电板处的连接端。

4.2.2 全船DP相关设备的压降通过性

试验过程中全船电站电压在短路的瞬间母排电压几乎为零，而此过程中为DP服务的相关设备不能从电站退出，这就需要设计相关的控制电路，保证在主电网失电的情况下，断路器不会失压分断。为DP服务的设备包括：发电机、推进器、DP系统、配电板等以及为这些系统服务的设备，全部需要设计防断电电路，这是保证这些设备在电压降过程中顺利通过的基础。

4.2.3 发电机AVR调压特性

该试验在电压突降到电压恢复的过程主要考验AVR调压动态特性。现在主流AVR调压都是采取PID的控制原理，所以在第一次回调的过程中可能会产生超调，超调量会影响到推进变频器DC-LINE的保护动作，可能导致试验的失败。同样，过高的超调量可能会对电网中设备造成损坏，按照规范要求通过这个超调量不得大于额定值的120%。因此，决定AVR动态特性的PID三个参数设置非常重要，需要试验验证。

4.2.4 变频器DC-LINE稳压能力

电网下降到极限值的时候，变频器直流母排的电压同样会下降，而直流母排的电压低于一个值（625V）后会导致低压保护控制变频器脱扣。同样，在电压恢复的过程中AVR的调压会导致电压过调，电压的升高会导致变频器DC-LINE的电压升高，这个值不得大于额定值的120%，否则过压保护会导致变频器脱扣。因此，试验中需要注意变频器DC-LINE稳压的能力及保护参数值的合理设置。

4.2.5 中央保护器参数设置

断路器中央保护器的参数设置同样关系到该试验能否通过。首先，短路点断路器与发电机断路器参数设置需要区分两个断路器的选择性，即在短路发生时，产生的短路电流需要伸缩推断路器跳闸，而发电机的断路器在此瞬间不跳闸。所以在中央保护器参数设置时要特别注意。

4.2.6 断路器的分断能力与分断次数

该试验从试验摸底到报验需要经过多次的实际短路测试，试验开始前需要与断路器生产商对断路器的分断能力与分断次数进行论证，保证其可靠性和试验后该断路器分断次数在规定的范围内，其性能没有受到影响。

4.3 试验安全性分析

该试验的安全风险包括人员安全和设备安全，需要制定相关的安全应急预案，防止安全事故发生：

（1）防止设备短路引起着火

试验开始前，需要准备专业的消防队。

（2）防止人员触电

试验时需要配置高压操作电工，配备绝缘垫、绝缘服装，远侧遥控操作，并配备医护抢救人员等。

（3）防止船舶动力定位失效

试验时需要配置拖船保护，并组织设备抢修小组待命。

5 结论

通过该试验验证了两段同时供电的伸缩推在DC-LINK出现由于舱室进水或者着火引起的短路情况下，这单一故障不会对整个船舶的定位能力造成影响，满足了DNV船级社、CCS船级社对DP-3船舶规范的要求。同时，该试验对今后基于主配电板BUS-TIE闭合情况下的DP2/3等级的船舶具有重要的参考意义。endprint