浅谈D P3船舶闭合环网的电力系统设计要点

宋秀丽

（招商局重工（深圳）有限公司，广东深圳518054）

1 引言

最近几年来，随着海洋油气开发成本的逐渐提高和对环保排放要求的日趋严格，从降低燃油消耗支出，改善负载抗干扰能力、降低动力发生干扰概率，减少因机组维护而停工的时间，提高供电连续性等方面考虑，越来越多的海工船东希望电力系统可以在DP3的操作模式下闭环运行1。想法很不错，但要在船舶上实现DP3的闭环配电系统，需从系统设计、设备安装、系统调试和海上试验等各个阶段充分考虑，尤其是DNVGL船级社对其要求甚严。

电网采用闭环长期运行时，在网的发电机组全部连接在一起，如果单一故障发生时不能快速响应和及时处理就有可能引起电网的共模故障最终导致全网失电，故在技术上需采取一系列有效、可靠的保护措施来防止事故的发生，保证系统可靠性。FMEA在做船舶动力定位相关系统故障分析报告时会重点关注系统的故障分离试验，特别是对入级DNV GL船级社的DP3船舶，其要求更严格，必须进行实船短路故障试验，以真正验证系统的保护装置故障隔离能力。故我们在系统设计、设备选型、建造、试验以及试验现场的安全保护措施等方面都要考虑全面。

2 DP3闭环电力系统的保护设计

基于DNV GL的规范要求，特别是针对冗余分组的建立以及配电板闭环的关键因素，DP3船舶电力系统的闭环设计一般从以下几个方面考虑整个船舶电站系统的保护：

①配电板保护(短路、欠压、接地、方向性选择等)。配电板母线保护基于一级和二级共两级结构以提供两个级别的保护，即母线区域差分保护和方向性保护；除此之外还要考虑母线接地，电缆差动和电缆接地故障保护，开关故障保护以及跳闸线圈监测等保护2。

②发电机保护(差动、AVR、调速器、负载分配等)。对发电机的电压和频率进行监测以作为故障指示的基础。增强发电机保护用来限制发电机内部故障的影响,保护发电机远离电力系统故障的影响以及保护电力系统远离发电机故障的影响。

③起动冲击电流的保护。增强的发电机保护要求为所有的高压变压器和变频器均配备预充磁装置，电网产生瞬时压降，有可能引起保护装置的脱扣，避免暂态现象。

④特殊保护(弧光检测，开关通讯等)。在每个配电屏至少包含三处弧光检测，即开关室，母排室，接线室；如果在母排室检测到弧光，所有的进线断路器脱扣，同时灭弧，如果在开关室检测到弧光，所有的进线断路器脱扣，同时灭弧；如果在接线室检测到弧光，只有相对应的断路器脱扣，同时灭弧。

⑤电站管理系统(通讯，模块，监测等)包括负载分配、快速功率限制、快速故障恢复功能等。快速故障恢复功能要求电网在失电时，能快速起动发电机组和并网发电，推进器应能尽快起动，恢复DP的定位能力。闭环运行当主汇流排断电时，主配电板上的所有的母联开关应自动断开，此时电网会被分隔成若干独立的DP区域，这就要求在设计时，要保证每个区域里面均要有快速恢复的能力。

⑥辅助系统(推进器，轮机系统等)主要是针对快速响应和重载起动功能，推进器系统的快速响应是要求当电网突然出现故障时，变频控制系统可以暂时减少推进负荷的输出来稳定电网，防止由于发电机的过载脱扣而全网失电3。此种保护要求响应时间极短，通常是在毫秒级。

⑦故障穿越能力。与DP系统有关的所有重要系统设备，如发电机、主配电板、推进装置、检测报警和控制系统等，都应具有故障穿越能力，使因短路电流引起的瞬时压降不会导致重要设备失效而对定位能力造成影响，特别是针对DP3的船舶。

⑧备用的安全和保护装置。要考虑因隐藏故障或第一套保护装置失效时，备用的安保装置能够快速反应以隔离故障。特别是主汇流排的母联开关，需配备两套保护装置4。

⑨隐藏故障。船舶系统设备多而杂，必定有很多部位监测不到，为此就不可避免存在不少隐藏故障。为了最大程度排除隐藏故障，应加强系统的自我诊断和监控能力，定期对系统进行维保检查等措施。

以下图1为例简单说明保护的全方位性：母排保护区、发电机保护区、母联保护区、设备保护区。

3 DP3闭环电力系统的试验

图1 DP3闭环电力系统的保护设计

按照DNVGL规范要求DP3闭环电力系统船舶除了普通动力定位船舶常规试验测试外，还需增加必要的系统功能描述文件、分析报告、计算机动态模拟试验以及短路和接地故障的实船的真实实验，以查证整个系统的保护和恢复能力5。电力系统最严重的故障是中压系统发生短路的同时，还存在着主开关的隐藏故障，如主触头黏合等。进行真实短路实验的电流极大，对于实验人员和船舶设备本身都存在着非常大的风险，必须事先做好风险评估，哪些可能出现的情形或者故障情况要充分考虑全面，仔细分析可能导致危险事件的因素，包括但不限于以下几点：

设备状态和测试顺序的紊乱；

柴油机的机械故障，发电机的耦合故障；

电缆在此故障状态下难以支撑维持，尤其注意的是单芯电缆；

发电机的互感/震动；

测试用短棒上产生电晕；

测试用短棒溶化；

在线负载在测试中遭受的电气故障；

在测试下设备对船舶位置保持能力的失效；

位置或首向的丢失；

保护系统未按预想执行；

测试设备故障；

测试时设备状态的紊乱。

以图2实船DP3闭环配电系统为例说明，本船设有3个机舱，4个DP分区，每个机舱各2台中压发电机组，配电系统为6600V,60Hz的中压配电系统和450V，60Hz的低压配电系统。本船由船尾的3台5500KW的回转推进装置推进。在船艏设置2台3100KW管道推进器和2台3100KW的伸缩式推进器，其中4号艏部伸缩式推进器由1区和2区双路电源供电。本船FMEA是基于Close ring状态下分析，在DP-3工况下，4个主配电板连接成一个汇流排运行，闭合环网运行。

图2 DP3闭环电力系统的保护设计的实船案例

本船要求闭合环网应经理论证明，以及实船所有设备连接在网的情况下进行测试。以证明所有的安全保护措施，比如辨别和故障穿越能力能预期工作。环网运行中一段母排的故障不应影响到其他母排上与DP有关的重要系统的丢失。

之后会同船东、设计院、FMEA、设备商、船级社和船厂准备好完善的测试方案和程序，分清各方在测试过程中的职责，提前布置有效的消防紧急措施和安保措施，需在有资质人员的指导和监督下进行，以极大限度的保护船舶设备和人员的生命财产安全问题。

4 结论

入级DNVGL配备DP3闭环电力系统的船舶在设计阶段非常关键，需综合考虑全船设备的冗余及其布置、所有关键系统的计算文件、故障分析及功能描述等。在建造过程中需精心管控，严格按图施工，最后的试验更是需要所有相关部门、单位通力合作完成。DP3闭环电力系统船舶的建造是船舶行业的电气设计难点，本文的描述为后续类似船舶的建造提供少许借鉴。