DP3船舶闭合母排实效短路试验

李成育，高 峰

上海振华重工（集团）股份有限公司海工船舶事业部，上海 200125

随着海工船舶的大型化和作业工况的复杂化，DP3船舶既要满足复杂工况作业或发生故障时的安全性，又要满足日常及安全作业下的经济性。在此背景下，电力系统发展出了DP状态下的闭合母排、闭合环网、推进器交叉供电等技术。文章基于笔者所在公司制造交付的两艘DP3海工船舶配电系统，选取闭合母排或双供电下所制作的配电板进行短路测试，介绍DP3船舶闭合母排的实效短路试验前的组织分析和实施要点。

1 动力定位船舶闭合母排电力技术概述

自1977年DNV的DP规则出现以来，到1999年DNV引用IMO 645 DP指南作为指导方针，再到2013年提出闭合母排对DP3船舶的诸多建议要求并开始实施，对于DP3船舶，DNV-GL等船级社一般不接受采用闭合母排和闭合环网系统设计，主要原因是当时设备技术性能保护不足，实效短路试验验证电力系统稳定和可靠的困难等。考虑到系统安全性，防止某些单点故障，导致整个电力系统失电，因此一般采用分段母排运行。因为分段母排完全相互独立，无论发生什么故障，都只会导致一段母排故障，不会引起全船失电，能维持船舶动力定位能力。

然而随着电子技术和工艺的发展，证明闭合母排和闭合环网可以做到和分段母排相同水平的可靠性和完整性，还能使船舶在运行过程具有更高的经济性和更灵活的操作性，进而开始被采纳。继DNV-GL船级社后，CCS等船级社也开始接受闭合母排、闭合环网系统设计和配电方式的船舶。同时，为了证明其可靠性和完整性能够等效于分段母排运行，对系统的设计、安装、调试也提出了更高的要求，要求系统有多重的保护、冗余、安全穿越等，在FMEA试验项目中也要求附加AVR故障、发动机调速器故障、实效接地、短路故障、失电顺序恢复试验及安全穿越等能力。

采用该配置的船舶在进行DP FMEA（故障模式分析）时组合复杂，分析难度高，试验安全风险大，且不能做全部的工况测试，如果试验方法保护不当将造成严重的或灾难性后果。

2 实效短路试验的分析准备

船舶运行在DP3闭合母排工况时，电网发生单点故障后，有可能会将故障蔓延至其他冗余的DP分组。在闭合母排的状态下，需要保证单点故障发生后，故障点所在DP分组能够被及时隔离，电网剩余部分能够恢复正常，相应推进器能够正常运行，且DP保持正常运作；隔离的故障段、非故障的设备和系统能够安全穿越；发电机电压恢复时冲高不会对整个电网造成影响，如引起过压脱扣等。

2.1 风险评审

（1）发电机短路电流衰减曲线实际和理论不一致将带来保护失效风险。发电机厂家在工厂测试一般不进行额定电压下三相直接短路测试，因此一般厂家不能提供发电机实效短路电流衰减曲线，只能提供理论计算的曲线。配电开关继电保护设定选择性分析报告等基于理论计算的短路电流衰减曲线设定或分析若不正确将导致继电保护的设定错误，因此存在实效短路测试失败、发电机器件损坏等风险。发电机的理论计算短路电流衰减曲线应该基于实船电站短路电流测试来验证，最终交付的短路电流衰减曲线必须基于实际的发电机和AVR测试结果。

（2）HV侧三相短路电流测试。短路试验选择11kV高压侧三相实效短路测试。基于项目负载工况、DP能力分析、短路电流分析，当4台发电机在网，4台中压变压器并联运行，8台推进器在网时为最危险工况。此时HSB3（11kV第三段）母排发生短路，实效短路时的母排连接如图1所示，HSB3短路电流计算结果如表1所示。

图1 HSB3短路母排连接

表1 HSB3短路电流计算结果

测试时为了验证电网选择性保护功能，将测试的备用“Feeder”脱扣线圈拆掉使之失效，使故障段配电盘、发电机及其下游负载能够耐受1s的短路电流冲击。

第一，短路测试时，短路电流不可控，测试时为了不直接在中压母排上直接短路，选择备用“Feeder”进行测试，要求该短路故障一直存在以达到与母排短路等效的目的。测试时为了验证电网选择性保护功能，使备用“Feeder”的脱扣线圈失效。由于发电机主开关需满足选择性保护要求，在发生短路后，故障段母排在0.1s或0.8s内被隔离，但故障段上的发电机主开关要在过电流延时1s后脱扣隔离，因此脱扣之前发电机、母排及其下游负载需要耐受约1s的短路电流冲击，同时也会存在发电机或母排烧坏的风险。中压配电板继电保护设置如表2所示。第二，中压配电板各开关在发生短路时承受大电流冲击，开关在冲击电流的影响下机械灵敏度备受考验，若多次试验灵敏度下降会直接影响开关的分合闸动作时间，进而影响最终的试验结果，同时短路试验也会影响开关的使用寿命甚至直接损坏。

表2 中压配电板继电保护设置

第三，若故障配电盘母联开关未及时脱扣，故障配电盘未及时隔离，则将导致整个电网失电，造成船舶DP失效、船舶失位。

第四，测试过程中若推进器瞬态欠压穿越失效，将导致短路试验失败，使设备存在再次试验冲击损坏的风险。

在得到模糊等价矩阵后,将中最小元素和最大元素分别设置为初始阈值λmin和最大阈值λmax。则阈值增量Δλ根据λmin和λmax确定。

第五，短路降压后恢复过程中若存在电压超调超压过程，变频器穿越将存在失败风险。

第六，该试验为破坏性试验，一般在发电机的整个使用周期内只能做几次，因此发电机不存在反复测试验证的可能，如发电机发生重大故障也会导致试验彻底失败而影响船舶取证和交付。

2.2 实效短路试验可能产生的风险

（1）安全风险。实效短路试验属于破坏性试验，风险较大。短路瞬间母排会产生巨大的短路冲击电流，大到几十千安，可能产生的事故如下：①强电流可能导致电缆或设备发热，引发火灾事故；②短路瞬间温度快速上升，可能使配电板内气体快速膨胀，从而导致爆炸事故；③短路瞬间因电流过大，各相母排或电缆之间会产生强大的排斥力，当超过导体的动稳定度时，母排或电缆可能会被甩出，造成设备损坏或人身安全事故。

（2）设备损坏风险。实效短路试验因巨大的短路冲击电流，可能导致配电板、发电机、柴油机等设备的器件受冲击电流影响导致损坏，柴油机因瞬间巨大的负载导致闷机甚至断轴等风险，需设备厂家做好更换器件准备。

（3）试验通过风险。因为试验过程时间很短，几乎瞬间完成，所有情况需要通过数据记录系统检测，再根据数据分析试验成功与否，最终由船级社、FMEA第三方等评估确定试验是否成功；如果失败，还需要修改系统或调整参数后重新试验，存在试验失败或多次试验的风险，实效接地、短路试验也存在最终试验失败并影响取证交船的风险，该风险需与船东提前沟通。

（4）周期风险。试验分析、送退审、预调试、实效试验是否顺利也将影响交船周期长短以及船东是否接受并允许延期。

3 实效短路试验的实施准备

（1）按照FMEA试验程序完成DP试航时相关系统的FMEA测试，保证单一故障发生时，每一个DP相关设备的保护、切换、维持运行可靠，不影响DP状态运行。

（2）失电顺序恢复试验虽然在系统设计时，已经考虑了发生各种故障时的保护和隔离能力，以保证电网的供电连续性，但在船舶实际运行过程中，仍会有一些故障无法预料，因此也要求进行全船失电恢复试验，以保证在全船突然失电的情况下，能迅速恢复供电系统和动力系统，以验证船舶从失电到恢复供电的能力。

（3）根据规范要求和试验目的，有故障的配电母排段或某机组、负载设备能及时被切断隔离，而其他DP相关配电等系统设备，在短路等故障期间至恢复供电后需要恢复并保持原来的运行状态，保证恢复供电后运行的连续性。例如推进变频器不脱扣、使DP系统维持对推进器的控制、辅助设备电机不脱扣或停机、使低压保护脱扣器不发生误动作并有自启动记忆功能等。对于重要的辅助设备电机，例如冷却泵、燃油供应泵、转舵泵等为DP系统服务的马达启动器，要求在短路降压或失电瞬间其接触器不会断开，其主控回路的电源可由UPS供电，且UPS按系统冗余分组设计配置并已按照FMEA试验程序完成试验。

（4）为了保证实效试验的成功，提前进行中压配电板开关继电保护的现场模拟测试，测试方向性电流的保护功能。

4 实效短路试验实施及保证前提

在所有准备工作完成后，还需成立专门的FMEA试验项目和实效短路试验小组，负责全面试验的具体实施和数据收集工作。

（1）根据前期的准备及流程，编排FMEA试验和实效短路试验计划，准备相应的航行试验大纲、程序，并提交船东、船检认可。

（2）FMEA试验和实效短路试验时由专业调试主管根据调试计划和实际情况确定系统调试先后顺序，或调整、处理调试中各种交叉问题，并向船东、船检提交报检计划并组织报检，达到船东、CCS船检和FMEA第三方的要求。

（3）每项调试结束后，整理调试报告，提交船东、船检、第三方签字确认，并澄清确认意见或有条件时安排逐一消除，尽量保证不留意见。

（4）调试过程中根据不同的设备，做好相关的保护、操作维护、数据记录等相关工作，保证在调试过程和调试结束后，设备始终处于良好的状态。

（5）FMEA试验项目必须完成，包含FMEA基本测试、失电顺序恢复试验、安全穿越测试、中压开关继电保护功能测试。

（6）实效短路试验结论认定。实效短路试验后，船级社和FMEA第三方需要就试验结果进行讨论分析，然后给出结论，评判试验是否成功一般有以下标准：①发生短路或接地故障的母排是否被隔离；②发生短路或接地故障母排上的发电机和负载是否被隔离；③正常段配电板是否被隔离；④正常段发电机是否正常运行且正常供电；⑤正常段推进器是否正常运行且未被踢出DP控制；⑥需要安全穿越设备是否正常运行且未影响发电机和推进器的运行；⑦实效短路和实效接地试验后各开关和设备的动作是否与试验程序预设一致；⑧采集的数据和曲线是否与模拟仿真分析报告的情况基本一致。

5 结束语

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，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，越来越多的船东希望电力系统可以在DP3的闭合母排操作模式下开环或闭环运行，船级社对实效短路试验的要求也越来越明确。虽然短路试验只有短短1s左右的时间，但是需要船东、船厂和供应商前期足够重视，进行密切沟通并保持设计标准一致，实验过程中做好预防措施，特别是安全方面的保障措施，考虑试验过程中各种潜在故障风险带来的影响，确保将相应的保护措施工作落实到位。对于此类多工况高复杂性、高风险的试验（如实效短路及接地试验），可以采用模拟仿真的方法和实际验证对比的方法，减少试验次数和试验的风险，事前做好技术研讨分析及组织研讨，以识别过程风险并制订应急预案，取得各利益方的认可。