DP-2起重船的电力系统特点分析

国世乾 陈 梦 何沁园 达 静

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.长江三峡设备物资有限公司 成都610000）

0 引 言

随着大型海洋工程的逐步推进，尤其是近几年海上风电的大力发展，使大型起重船作为不可缺少的工程船而在其中发挥重要的作用。3 000 t全回转起重船作为具有“运输+起重”一体化功能的海上风电基础施工大型作业船，其对于电力系统的设计也有更高的要求。

与以往DP-1起重船不同，本船中压配电系统采用4分段母排，以使推进器与发电机组可以分别独立运行，从而更好满足DP-2的冗余要求。对于中压配电板的继电保护措施，除采用相较于常用的综合继保，本船增加了弧光保护功能，以保证整个中压配电网络的安全性与可靠性。同时本船采用以多传动变频器为主控制手段的多点锚泊定位系统，且实现了锚泊绞车与变频器间的交叉连接设计，既满足软件的冗余备用也达到了硬件的冗余备用，极大提高了本船的定位能力。

1 中压配电系统设计

1.1 基本配置

针对本船电力推进、锚泊定位和动力定位（DP-2）的特点。本船选用4台主发电机组功率3 000 kW，电压AC 6.6 kV，频率50 Hz，3相3线中性点高阻接地；同时将中压配电板分为2套，每套分为2段，形成4分段母排的设计效果。每段母排分别接入1台主发电机。本船配置2台3 000 kW全回转主推进电机，2台2 000 kW艏侧推进电机，分别通过推进变频器以及移相变压器连接在母排上。本船的核心作业设备主起重机的主驱动动力电源容量约为3 200 kVA，由中压配电板供电。锚泊定位系统配置8台约300 kW绞车电机、2台约1 000 kW多传动变频器以及2台约1 000 kVA/5 00 kVA/500 kVA变压器。

1.2 中压配电系统框架

本船主发电机向6.6 kV配电板供电，通过主变压器向400 V主配电板供电，400 V主配电板通过主照明变压器向230 V主配电板供电。保证4台主发电机可以长期稳定并联运行；任意1台中压主变压器与停泊发电机可以短时并联运行进行负载转移。

正常工况下，中压配电板所有母联开关闭合和联络开关闭合，400 V和230 V主配电板上的各母联开关断开。DP-2工况下，中压配电板所有母联开关和联络开关断开，400 V和230 V主配电板上的各母联开关断开，电力系统分为4个独立系统运行。在变压器故障或检修时，1号和2号主变压器以及3号和4号主变压器可以短时并联进行不断电切换。

与常规双分段母排或3分段母排相比，4分段母排可以保证4台推进器分别独立于彼此，在发生短路故障的情况下，最大限度减少对动力定位能力的影响。主要推进设备布置情况见图1，电力系统单线图见下页图2。

图1 电力推进设备基本布置

在本船的设计过程中，按照4分段母排的设计，将全船推进系统以及主要机械设备进行所属冗余组的划分。具体冗余组配置情况见第76页表1。

表1 全船冗余组配置

1.3 FMEA报告验证分析

FMEA（故障模式与影响分析）报告，是针对DP-2和DP-3船型每一种故障模式下进行分析最终得出各分系统和整体动力定位系统的总结报告，目的在于分析及论证出现单一故障后动力定位船舶是否能船位保持，及系统是否满足冗余设计要求。FMEA报告依据最新的CCS规范以及IMO MSC通告1580，带有动力定位系统的船舶指南进行编写。这种基于故障模式下的分析对于整个配电系统的设计具有很好的指导作用。

本船在设计过程之初依据过往同类型船的FMEA报告进行反推，先针对推进器的配置与布置情况，反推出6.6 kV配电设计需求；再综合考虑上述因素，得出发电机组的配置情况；再根据全船用电负荷得出目前的设计结果。尤其是在对中压配电板4分段母排的设计过程中，详细考虑了可能出现的故障模式，并对造成的影响结果进行判断。不同故障对于推进器的影响会对船舶定位能力产生明显的影响，其分析结果见表2。

表2 6.6 kV中压配电板故障模式分析

综合表2，可清晰体现4分段母排可在不同故障模式下很好保证动力定位能力，同时也合理增加了冗余性。

相比于以往起重船当主变压器失电时，依靠400 V主配电板某分段与其他分段母联开关自动闭合，使相应的主变压器与另一个主变压器短时并联进行不断电切换，从而满足DP-2要求，但从400 V主配电板失电到依靠其他分段恢复供电需要约数十秒时间。为从源头上解决这个问题，本船将推进器与母排分段一一对应，这样即使失去某一推进器，依然不会对DP能力造成影响。

对于大型起重船而言，DP-2起重作业模式是最关键的工作模式，如果此时中压配电网络出现短路故障，是否能在最短时间内将故障所带来的影响降至最小，并最大程度保证其定位能力和起重能力，也就成为设计过程中的重点考察方向。

1.4 弧光保护

对于中压配电板的保护功能，本船除了常用的综合继保以外，增设了弧光保护。弧光保护装置主要功能是检测弧光故障信号和电流故障信号，在配电板母线室、断路器室或电缆连接处发生短路故障时快速实现保护，且先于其他保护动作，避免产生的电弧光对设备和人员造成伤害，是短路保护的第一道屏障。由于电弧故障极易产生燃烧危险，所以电弧故障动作时间一般在30～50 ms，如果超过这段时间则大大提升火灾风险，参见图3。

图3 弧光保护脱扣时间与可能的燃烧风险

因此对于中压配电板，弧光保护具有很好的应用效果。弧光保护装置由弧光监测器（扩展模块）、光传感器、电流感应单元组成（具体配置见表3）。

表3 中压配电板弧光保护输入输出信号

根据本船总单线图中的母联开关、联络开关的分布把中压汇流排分为4段进行保护。通过电流感应单元采集各发电机进线端、前/后电缆联络段、前/后电站跨接段的电流信号，同时通过弧光传感器采集各屏的母线室、断路器室、电缆室的弧光信号。当某段汇流排上安装的弧光保护装置同时收到光传感器的弧光信号、电流感应单元的过流（大于1.5倍额定电流）信号时，快速输出保护动作（毫秒级），切断进线电源端的联络、母联、发电机断路器，从而实现对配电板的保护。

2 锚泊定位系统

全回转起重船在作业过程中需要保持船位。为了维持起重船的正常作业，必须抵抗外在环境条件的作用，限制船舶的位移，因此需要一套可靠的定位系统来保障起重船在各种工况下的作业和安全。可行的方式有动力定位和锚泊定位两种。一般认为在水深300 m以内，锚泊定位的经济性优于动力定位。因此本船采用了8点锚泊定位与动力定位（DP-2）相结合的作业模式。这也是目前DP-2起重船型普遍采用的定位模式。

2.1 锚泊绞车变频控制系统

本定位锚绞机主控制器采用冗余PLC形式，PLC和2组变频器的通讯模块为冗余通讯PLC和绞车控制柜、机旁操作台、集控操作台、变频器和绝对值编码器之间的通讯采用总线通讯方式。通过冗余的控制网络，可以很大程度上提高锚泊定位的可靠性与安全性。

2.2 多传动变频器

本船定位锚绞车变频调速系统采用了多传动变频器，具体内部接线见图2。多电动机传动是相对于单电动机传动而言的，即在1套系统内有2个或2个以上的电动机同时运行，这些电动机大多要求精确速度控制、多电机同步运转或比例同步（牵伸）运转等，这种类型多台电动机的变频控制系统就是多传动变频系统。

本船采用由独立的整流装置提供直流电源，多台逆变装置共用此直流电源的形式。同时为保证锚泊定位能力的可靠性，本船变频器与定位锚泊绞车的接线方式也进行特殊设计（如图4所示），将1、3、5、7点作为一套变频单元，2、4、6、8点作为另一套变频单元，两者之间再通过联络开关进行连接。当A方向的风、浪、流较大时，1、3点为主要受力点，2、4两点为次要受力点。这4个点分别来自2套变频单元，即2个定位锚变压器同时供电，从而可以很好保证锚泊定位功能的用电平衡，避免过度依赖单一变压器，同时也在一定程度上缓解了变压器的过载风险。

图4 定位锚变频器与绞车接线方式

3 结 语

本文主要基于3 000 t全回转起重船的电气设计进行阐述与分析。在DP-2的基础上对中压电力系统和锚泊定位系统进行介绍与论述。同时也分析弧光保护的使用特点与价值。通过FMEA报告分析验证，可以清晰了解本船相较于同类型起重船的优点和较好的适用性。文章对于在起重船电气设计中所遇到的难点也提出解决方法和思路，既要符合规范标准，同时也要尽可能满足使用要求。望能对此类型船舶的电气设计提供一些参考。