劉國泰，翁康強，王浩召

(福建省馬尾造船股份有限公司，福建 福州 350501)

0 引言

深海采礦船設備眾多，作業(yè)工況復雜，一旦供電網出現故障，對設備及整船危害極大。故障測試是環(huán)形供電網絡聯調試驗的必不可少一環(huán)，是驗證電力系統(tǒng)安全性及可靠性的重要手段。由于深海采礦船采用特有的雙級環(huán)形供電網絡，國內尚無先例，而實船故障測試危險性較大，需預先研究形成一套完整的危險源識別及防控技術，用以鑒別測試中的危險源，并判定危險系數，劃分危險等級，提出危險防控方案。

本文針對采礦船特有的中壓雙級冗余環(huán)形供電網絡和隱性故障，進行故障穿越能力測試技術分析，制定了故障穿越能力測試流程，通過實船故障穿越能力測試，總結了一套中壓雙級冗余環(huán)形供電網絡故障穿越能力測試方案，并確保系統(tǒng)在嚴重故障情況下，不影響采礦作業(yè)設備、推進器及柴油發(fā)電機組的正常工作，以提高采礦船海上作業(yè)的安全性，滿足連續(xù)作業(yè)及定位的要求。

1 深海采礦船雙級環(huán)形供電網絡介紹

深海采礦船主供電網絡由6臺6.6 kV中壓發(fā)電機、3個獨立配電板以及配電板之間連接的電纜組成。船舶環(huán)形網供電時，根據作業(yè)工況需求啟動最少2臺發(fā)電機并網，閉合配電板之間的主母聯絡開關和備用母聯絡開關，從而將所有配電板連接起來形成一個環(huán)形供電網絡，給船舶用電負荷供電。深海采礦船雙極環(huán)形供電網絡見圖1。圖中，柴油發(fā)電機組參數為：電壓6.6 kV，頻率60 Hz，功率5 238 kW,三相三線制(3PH)。

采礦作業(yè)系統(tǒng)的供電應為主電網的一部分，在采礦作業(yè)時采礦配電板母排聯絡開關斷開，由主環(huán)形供電網給采礦配電板供電，然后由采礦配電板給作業(yè)設備供電。因此，只有采礦配電板對應的主供電母排出現故障隔離后，才會引起對應的采礦作業(yè)設備停止供電，保證了采礦設備供電的穩(wěn)定性和可靠性。深海采礦船采礦設備配電單線圖見圖2。

主電環(huán)形電站的方向性過電流保護功能可以延伸到下一級的6.6 kV采礦配電板。

2 故障穿越能力測試方法

故障穿越能力測試主要通過實船短路及接地故障測試進行驗證，驗證電力系統(tǒng)在電壓瞬時突降時維持系統(tǒng)穩(wěn)定的一個特性。

在測試前需準備主要儀表如下：

Digsi和Sigra網路監(jiān)控工具；Siprotec網絡分析工具； Sinamics啟動器軟件(用于變頻器監(jiān)測及記錄)； DEC200 AVR監(jiān)測及記錄軟件；柴油機監(jiān)測及記錄軟件； PMS軌跡/動態(tài)分析軟件；DP軌跡/動態(tài)分析軟件。

需要注意的是：為了提高測試數據的可讀性，每個配電板內Siprotec裝置在同一時間進行同步是至關重要的。

測量點1：發(fā)電機保護繼電器7UM62

圖1 深海采礦船雙級環(huán)形供電網絡圖

圖2 深海采礦船采礦設備配電單線圖

在故障穿越試驗中，記錄在網發(fā)電機的保護繼電器5 s內的相關參數，并通過連接到Siprotec保護繼電器的服務電腦獲得以下測量數據：

發(fā)電機L1、L2、L3相電流的均方根值/瞬時值；發(fā)電機L1、L2、L3相電壓的均方根值/瞬時值；差動電流iDiff和IRest的均方根值；接地電流的均方根值/瞬時值。

測量點2：故障饋線負載的保護繼電器7SJ80(變壓器)

在故障穿越試驗中，記錄故障饋線負載的保護繼電器5 s內的相關參數，通過連接到Siprotec保護繼電器的服務電腦獲得以下測量數據：

L1、L2、L3相電流的均方根值/瞬時值；L1、L2、L3相電壓的均方根值/瞬時值；接地電流的均方根值/瞬時值。

測量點3：推進變頻器

在故障穿越試驗中，記錄推進變頻器的相關參數，通過連接到Siprotec保護繼電器的服務電腦獲得以下測量數據：

變頻器直流母排實際電壓；實際輸出有功功率；主母排頻率；調速控制器設定點；實際速度/轉矩；直流電壓控制器輸出設定點。

測量點4：動力定位系統(tǒng)(DP系統(tǒng))

在故障穿越試驗中，記錄DP系統(tǒng)的相關參數，從DP系統(tǒng)獲得以下測量數據：

試驗前DP系統(tǒng)人機界面上所有發(fā)電機和推進器的狀態(tài)；所有推進器的推力；所有推進器的反饋功率；報警及事件記錄。

測量點5：功率管理系統(tǒng)(PMS)及發(fā)電機保護單元

在故障穿越試驗中，記錄PMS及發(fā)電機保護單元的以下數據：

試驗前PMS系統(tǒng)人機界面上所有發(fā)電機和推進器的狀態(tài)及試驗后的發(fā)電機功率軌跡趨勢圖，包括啟動備用發(fā)電機時的趨勢；試驗后PMS系統(tǒng)人機界面上所有發(fā)電機和推進器的狀態(tài)試驗中出現的報警及時間記錄，如開關脫扣、頻率及電壓報警等功率限制的輸入輸出趨勢圖。注意：試驗過程中要特別注意發(fā)電機保護單元功能的正確性；在試驗過程中，發(fā)電機保護單元要給出相應的報警，但是不能脫開任何發(fā)電機。

3 短路故障穿越能力測試方法

中壓環(huán)形供電系統(tǒng)最嚴重的故障就是發(fā)生短路故障的同時主配電板上的母聯開關出現隱性故障。環(huán)形供電系統(tǒng)DP操作時，不能出現任何故障造成失位情況，因此，需要配電系統(tǒng)在短路時同時出現隱性故障的情況下具備故障穿越能力。隱性故障(通常為斷路器內部的機械故障)可以通過斷開斷路器的脫扣線圈來實現，脫扣回路監(jiān)測應該能輸出相關的報警。

3.1 測試系統(tǒng)配置

在進行故障穿越能力測試時，配電系統(tǒng)需要運行在環(huán)網模式下(配電板上所有母聯開關需要合閘)，所有的推進器需要運行并進入DP模式。其他要求如下：

推進器需要運行在DP模式下，保持最低轉速或者輕負荷狀態(tài)；在短路模式下進行斷路器隱性故障測試時，至少2臺發(fā)電機需要在網；所有的變壓器均需通電，除了用于進行短路測試的變壓器回路。

3.2 測試方法

在高壓變壓器高壓側建立一個三相接地回路，接地裝置的短路電流耐流等級應與主配電板一致(31.5 kA,1 s)，測試變壓器所在配電板母排分段應有1臺發(fā)電機在網。

在進行短路故障穿越能力測試時，在PMS操作站上遠程將測試變壓器的開關合閘，使之短路(主配電板間以及變壓器所在的房間不允許有人員在場，以保證人身安全)。

在測試前、測試中、測試后所有的系統(tǒng)參數都要記錄，包括發(fā)電機、配電系統(tǒng)、推進器的報警、狀態(tài)、運行參數軌跡曲線，故障電流、電壓、變頻器的軌跡曲線，以及保護繼電器的報警、動作狀態(tài)等。

3.3 試驗過程狀態(tài)

在試驗中需將PMS系統(tǒng)人機界面主電網MIMIC圖狀態(tài)及電壓狀態(tài)趨勢圖打印出來。

(1)初始狀態(tài)

短路之前主配電板運行在環(huán)網狀態(tài)，2臺發(fā)電機并網。詳見圖3初始狀態(tài)電力圖和電壓曲線圖。

注：電壓記錄時間t<0 ms。

圖3 初始狀態(tài)電力圖和電壓曲線圖

(2)短路狀態(tài)

測試變壓器三相短路，預期結果見圖4。

注：電壓記錄時間0 ms

(3)母聯開關脫扣狀態(tài)

母聯開關脫扣狀態(tài)預期結果見圖5。

故障清除時間段：電壓記錄時間200 ms

(4)結果

斷路器故障保護單元將快速斷開備用斷路器并隔離故障母排分段。試驗成功時，故障的母排分段應該能被快速切除，同時剩余的發(fā)電機以及推進器仍然可以正常工作，報警在操作站顯示。

斷路器故障保護單元會在延時150 ms之后啟動斷路器內的過電流保護脫扣功能。

(5)驗證衰減曲線

在短路測試中驗證。

4 故障穿越能力測試危險源分析方法

海上試航期間進行故障穿越能力測試時，需要提前分析潛在的風險/危險源、風險影響，并制定采取的風險防范措施。

(1)分析前準備工作

分析小組主要包括設備供應商、船廠設計人員、船廠項目管理團隊等。

資料主要包括整個系統(tǒng)設備供應商設備資料、分析報告、船廠設計圖紙、試驗流程文件等。

圖5 母聯開關脫扣電力圖和電壓曲線圖

(2)分析過程

在分析準備階段、開始正式分析前，分析小組應根據本項目試驗的具體試驗流程，確定本項目重要的引導詞或風險/危險源。具體分析流程見圖6。

圖6 危險源分析流程

(3)編制報告

分析過程中討論的引導詞、識別的危險源及其可能導致的影響和后果都將錄入HAZID分析清單里，編制分析報告，以便進行HSE風險管理和監(jiān)控。

(4)制作清單

按潛在風險、潛在風險影響、潛在風險等級、風險防范及剩余風險水平降低措施及制作故障穿越測試危險源識別分析清單。

5 結語

中壓雙級環(huán)形供電系統(tǒng)故障穿越技術作為中壓智能環(huán)形供電網絡技術的難點和關鍵技術越來越受重視。本文總結了深海采礦船故障穿越能力測試流程、實施方案及故障穿越能力測試危險源識別方法和相應的解決方案，并對相應的方案做了簡要的分析和闡述，從而降低試驗危險系數，形成一套故障測試危險源識別方法及危險防控方案。該方案可以作為采用中壓智能環(huán)形供電網絡的深海采礦船實船海試故障穿越能力測試時參考。