李成育，高 峰

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司海工船舶事業(yè)部，上海 200125

隨著海工船舶的大型化和作業(yè)工況的復(fù)雜化，DP3船舶既要滿足復(fù)雜工況作業(yè)或發(fā)生故障時(shí)的安全性，又要滿足日常及安全作業(yè)下的經(jīng)濟(jì)性。在此背景下，電力系統(tǒng)發(fā)展出了DP狀態(tài)下的閉合母排、閉合環(huán)網(wǎng)、推進(jìn)器交叉供電等技術(shù)。文章基于筆者所在公司制造交付的兩艘DP3海工船舶配電系統(tǒng)，選取閉合母排或雙供電下所制作的配電板進(jìn)行短路測試，介紹DP3船舶閉合母排的實(shí)效短路試驗(yàn)前的組織分析和實(shí)施要點(diǎn)。

1 動(dòng)力定位船舶閉合母排電力技術(shù)概述

自1977年DNV的DP規(guī)則出現(xiàn)以來，到1999年DNV引用IMO 645 DP指南作為指導(dǎo)方針，再到2013年提出閉合母排對(duì)DP3船舶的諸多建議要求并開始實(shí)施，對(duì)于DP3船舶，DNV-GL等船級(jí)社一般不接受采用閉合母排和閉合環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要原因是當(dāng)時(shí)設(shè)備技術(shù)性能保護(hù)不足，實(shí)效短路試驗(yàn)驗(yàn)證電力系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠的困難等。考慮到系統(tǒng)安全性，防止某些單點(diǎn)故障，導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)失電，因此一般采用分段母排運(yùn)行。因?yàn)榉侄文概磐耆嗷オ?dú)立，無論發(fā)生什么故障，都只會(huì)導(dǎo)致一段母排故障，不會(huì)引起全船失電，能維持船舶動(dòng)力定位能力。

然而隨著電子技術(shù)和工藝的發(fā)展，證明閉合母排和閉合環(huán)網(wǎng)可以做到和分段母排相同水平的可靠性和完整性，還能使船舶在運(yùn)行過程具有更高的經(jīng)濟(jì)性和更靈活的操作性，進(jìn)而開始被采納。繼DNV-GL船級(jí)社后，CCS等船級(jí)社也開始接受閉合母排、閉合環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配電方式的船舶。同時(shí)，為了證明其可靠性和完整性能夠等效于分段母排運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試也提出了更高的要求，要求系統(tǒng)有多重的保護(hù)、冗余、安全穿越等，在FMEA試驗(yàn)項(xiàng)目中也要求附加AVR故障、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速器故障、實(shí)效接地、短路故障、失電順序恢復(fù)試驗(yàn)及安全穿越等能力。

采用該配置的船舶在進(jìn)行DP FMEA（故障模式分析）時(shí)組合復(fù)雜，分析難度高，試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)大，且不能做全部的工況測試，如果試驗(yàn)方法保護(hù)不當(dāng)將造成嚴(yán)重的或?yàn)?zāi)難性后果。

2 實(shí)效短路試驗(yàn)的分析準(zhǔn)備

船舶運(yùn)行在DP3閉合母排工況時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生單點(diǎn)故障后，有可能會(huì)將故障蔓延至其他冗余的DP分組。在閉合母排的狀態(tài)下，需要保證單點(diǎn)故障發(fā)生后，故障點(diǎn)所在DP分組能夠被及時(shí)隔離，電網(wǎng)剩余部分能夠恢復(fù)正常，相應(yīng)推進(jìn)器能夠正常運(yùn)行，且DP保持正常運(yùn)作；隔離的故障段、非故障的設(shè)備和系統(tǒng)能夠安全穿越；發(fā)電機(jī)電壓恢復(fù)時(shí)沖高不會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)造成影響，如引起過壓脫扣等。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)審

（1）發(fā)電機(jī)短路電流衰減曲線實(shí)際和理論不一致將帶來保護(hù)失效風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)電機(jī)廠家在工廠測試一般不進(jìn)行額定電壓下三相直接短路測試，因此一般廠家不能提供發(fā)電機(jī)實(shí)效短路電流衰減曲線，只能提供理論計(jì)算的曲線。配電開關(guān)繼電保護(hù)設(shè)定選擇性分析報(bào)告等基于理論計(jì)算的短路電流衰減曲線設(shè)定或分析若不正確將導(dǎo)致繼電保護(hù)的設(shè)定錯(cuò)誤，因此存在實(shí)效短路測試失敗、發(fā)電機(jī)器件損壞等風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)電機(jī)的理論計(jì)算短路電流衰減曲線應(yīng)該基于實(shí)船電站短路電流測試來驗(yàn)證，最終交付的短路電流衰減曲線必須基于實(shí)際的發(fā)電機(jī)和AVR測試結(jié)果。

（2）HV側(cè)三相短路電流測試。短路試驗(yàn)選擇11kV高壓側(cè)三相實(shí)效短路測試?；陧?xiàng)目負(fù)載工況、DP能力分析、短路電流分析，當(dāng)4臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)，4臺(tái)中壓變壓器并聯(lián)運(yùn)行，8臺(tái)推進(jìn)器在網(wǎng)時(shí)為最危險(xiǎn)工況。此時(shí)HSB3（11kV第三段）母排發(fā)生短路，實(shí)效短路時(shí)的母排連接如圖1所示，HSB3短路電流計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖1 HSB3短路母排連接

表1 HSB3短路電流計(jì)算結(jié)果

測試時(shí)為了驗(yàn)證電網(wǎng)選擇性保護(hù)功能，將測試的備用“Feeder”脫扣線圈拆掉使之失效，使故障段配電盤、發(fā)電機(jī)及其下游負(fù)載能夠耐受1s的短路電流沖擊。

第一，短路測試時(shí)，短路電流不可控，測試時(shí)為了不直接在中壓母排上直接短路，選擇備用“Feeder”進(jìn)行測試，要求該短路故障一直存在以達(dá)到與母排短路等效的目的。測試時(shí)為了驗(yàn)證電網(wǎng)選擇性保護(hù)功能，使備用“Feeder”的脫扣線圈失效。由于發(fā)電機(jī)主開關(guān)需滿足選擇性保護(hù)要求，在發(fā)生短路后，故障段母排在0.1s或0.8s內(nèi)被隔離，但故障段上的發(fā)電機(jī)主開關(guān)要在過電流延時(shí)1s后脫扣隔離，因此脫扣之前發(fā)電機(jī)、母排及其下游負(fù)載需要耐受約1s的短路電流沖擊，同時(shí)也會(huì)存在發(fā)電機(jī)或母排燒壞的風(fēng)險(xiǎn)。中壓配電板繼電保護(hù)設(shè)置如表2所示。第二，中壓配電板各開關(guān)在發(fā)生短路時(shí)承受大電流沖擊，開關(guān)在沖擊電流的影響下機(jī)械靈敏度備受考驗(yàn)，若多次試驗(yàn)靈敏度下降會(huì)直接影響開關(guān)的分合閘動(dòng)作時(shí)間，進(jìn)而影響最終的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)短路試驗(yàn)也會(huì)影響開關(guān)的使用壽命甚至直接損壞。

表2 中壓配電板繼電保護(hù)設(shè)置

第三，若故障配電盤母聯(lián)開關(guān)未及時(shí)脫扣，故障配電盤未及時(shí)隔離，則將導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)失電，造成船舶DP失效、船舶失位。

第四，測試過程中若推進(jìn)器瞬態(tài)欠壓穿越失效，將導(dǎo)致短路試驗(yàn)失敗，使設(shè)備存在再次試驗(yàn)沖擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

在得到模糊等價(jià)矩陣后,將中最小元素和最大元素分別設(shè)置為初始閾值λmin和最大閾值λmax。則閾值增量Δλ根據(jù)λmin和λmax確定。

第五，短路降壓后恢復(fù)過程中若存在電壓超調(diào)超壓過程，變頻器穿越將存在失敗風(fēng)險(xiǎn)。

第六，該試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，一般在發(fā)電機(jī)的整個(gè)使用周期內(nèi)只能做幾次，因此發(fā)電機(jī)不存在反復(fù)測試驗(yàn)證的可能，如發(fā)電機(jī)發(fā)生重大故障也會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)徹底失敗而影響船舶取證和交付。

2.2 實(shí)效短路試驗(yàn)可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)

（1）安全風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)效短路試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，風(fēng)險(xiǎn)較大。短路瞬間母排會(huì)產(chǎn)生巨大的短路沖擊電流，大到幾十千安，可能產(chǎn)生的事故如下：①強(qiáng)電流可能導(dǎo)致電纜或設(shè)備發(fā)熱，引發(fā)火災(zāi)事故；②短路瞬間溫度快速上升，可能使配電板內(nèi)氣體快速膨脹，從而導(dǎo)致爆炸事故；③短路瞬間因電流過大，各相母排或電纜之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的排斥力，當(dāng)超過導(dǎo)體的動(dòng)穩(wěn)定度時(shí)，母排或電纜可能會(huì)被甩出，造成設(shè)備損壞或人身安全事故。

（2）設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)效短路試驗(yàn)因巨大的短路沖擊電流，可能導(dǎo)致配電板、發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)等設(shè)備的器件受沖擊電流影響導(dǎo)致?lián)p壞，柴油機(jī)因瞬間巨大的負(fù)載導(dǎo)致悶機(jī)甚至斷軸等風(fēng)險(xiǎn)，需設(shè)備廠家做好更換器件準(zhǔn)備。

（3）試驗(yàn)通過風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樵囼?yàn)過程時(shí)間很短，幾乎瞬間完成，所有情況需要通過數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)檢測，再根據(jù)數(shù)據(jù)分析試驗(yàn)成功與否，最終由船級(jí)社、FMEA第三方等評(píng)估確定試驗(yàn)是否成功；如果失敗，還需要修改系統(tǒng)或調(diào)整參數(shù)后重新試驗(yàn)，存在試驗(yàn)失敗或多次試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)效接地、短路試驗(yàn)也存在最終試驗(yàn)失敗并影響取證交船的風(fēng)險(xiǎn)，該風(fēng)險(xiǎn)需與船東提前溝通。

（4）周期風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)分析、送退審、預(yù)調(diào)試、實(shí)效試驗(yàn)是否順利也將影響交船周期長短以及船東是否接受并允許延期。

3 實(shí)效短路試驗(yàn)的實(shí)施準(zhǔn)備

（1）按照FMEA試驗(yàn)程序完成DP試航時(shí)相關(guān)系統(tǒng)的FMEA測試，保證單一故障發(fā)生時(shí)，每一個(gè)DP相關(guān)設(shè)備的保護(hù)、切換、維持運(yùn)行可靠，不影響DP狀態(tài)運(yùn)行。

（2）失電順序恢復(fù)試驗(yàn)雖然在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)考慮了發(fā)生各種故障時(shí)的保護(hù)和隔離能力，以保證電網(wǎng)的供電連續(xù)性，但在船舶實(shí)際運(yùn)行過程中，仍會(huì)有一些故障無法預(yù)料，因此也要求進(jìn)行全船失電恢復(fù)試驗(yàn)，以保證在全船突然失電的情況下，能迅速恢復(fù)供電系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)，以驗(yàn)證船舶從失電到恢復(fù)供電的能力。

（3）根據(jù)規(guī)范要求和試驗(yàn)?zāi)康?，有故障的配電母排段或某機(jī)組、負(fù)載設(shè)備能及時(shí)被切斷隔離，而其他DP相關(guān)配電等系統(tǒng)設(shè)備，在短路等故障期間至恢復(fù)供電后需要恢復(fù)并保持原來的運(yùn)行狀態(tài)，保證恢復(fù)供電后運(yùn)行的連續(xù)性。例如推進(jìn)變頻器不脫扣、使DP系統(tǒng)維持對(duì)推進(jìn)器的控制、輔助設(shè)備電機(jī)不脫扣或停機(jī)、使低壓保護(hù)脫扣器不發(fā)生誤動(dòng)作并有自啟動(dòng)記憶功能等。對(duì)于重要的輔助設(shè)備電機(jī)，例如冷卻泵、燃油供應(yīng)泵、轉(zhuǎn)舵泵等為DP系統(tǒng)服務(wù)的馬達(dá)啟動(dòng)器，要求在短路降壓或失電瞬間其接觸器不會(huì)斷開，其主控回路的電源可由UPS供電，且UPS按系統(tǒng)冗余分組設(shè)計(jì)配置并已按照FMEA試驗(yàn)程序完成試驗(yàn)。

（4）為了保證實(shí)效試驗(yàn)的成功，提前進(jìn)行中壓配電板開關(guān)繼電保護(hù)的現(xiàn)場模擬測試，測試方向性電流的保護(hù)功能。

4 實(shí)效短路試驗(yàn)實(shí)施及保證前提

在所有準(zhǔn)備工作完成后，還需成立專門的FMEA試驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)效短路試驗(yàn)小組，負(fù)責(zé)全面試驗(yàn)的具體實(shí)施和數(shù)據(jù)收集工作。

（1）根據(jù)前期的準(zhǔn)備及流程，編排FMEA試驗(yàn)和實(shí)效短路試驗(yàn)計(jì)劃，準(zhǔn)備相應(yīng)的航行試驗(yàn)大綱、程序，并提交船東、船檢認(rèn)可。

（2）FMEA試驗(yàn)和實(shí)效短路試驗(yàn)時(shí)由專業(yè)調(diào)試主管根據(jù)調(diào)試計(jì)劃和實(shí)際情況確定系統(tǒng)調(diào)試先后順序，或調(diào)整、處理調(diào)試中各種交叉問題，并向船東、船檢提交報(bào)檢計(jì)劃并組織報(bào)檢，達(dá)到船東、CCS船檢和FMEA第三方的要求。

（3）每項(xiàng)調(diào)試結(jié)束后，整理調(diào)試報(bào)告，提交船東、船檢、第三方簽字確認(rèn)，并澄清確認(rèn)意見或有條件時(shí)安排逐一消除，盡量保證不留意見。

（4）調(diào)試過程中根據(jù)不同的設(shè)備，做好相關(guān)的保護(hù)、操作維護(hù)、數(shù)據(jù)記錄等相關(guān)工作，保證在調(diào)試過程和調(diào)試結(jié)束后，設(shè)備始終處于良好的狀態(tài)。

（5）FMEA試驗(yàn)項(xiàng)目必須完成，包含F(xiàn)MEA基本測試、失電順序恢復(fù)試驗(yàn)、安全穿越測試、中壓開關(guān)繼電保護(hù)功能測試。

（6）實(shí)效短路試驗(yàn)結(jié)論認(rèn)定。實(shí)效短路試驗(yàn)后，船級(jí)社和FMEA第三方需要就試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論分析，然后給出結(jié)論，評(píng)判試驗(yàn)是否成功一般有以下標(biāo)準(zhǔn)：①發(fā)生短路或接地故障的母排是否被隔離；②發(fā)生短路或接地故障母排上的發(fā)電機(jī)和負(fù)載是否被隔離；③正常段配電板是否被隔離；④正常段發(fā)電機(jī)是否正常運(yùn)行且正常供電；⑤正常段推進(jìn)器是否正常運(yùn)行且未被踢出DP控制；⑥需要安全穿越設(shè)備是否正常運(yùn)行且未影響發(fā)電機(jī)和推進(jìn)器的運(yùn)行；⑦實(shí)效短路和實(shí)效接地試驗(yàn)后各開關(guān)和設(shè)備的動(dòng)作是否與試驗(yàn)程序預(yù)設(shè)一致；⑧采集的數(shù)據(jù)和曲線是否與模擬仿真分析報(bào)告的情況基本一致。

5 結(jié)束語

隨著海洋油氣開發(fā)成本的逐漸提高和對(duì)環(huán)保排放要求的日趨嚴(yán)格，從降低燃油消耗支出，減少因機(jī)組維護(hù)而停工的時(shí)間，提高供電連續(xù)性等方面考慮，越來越多的船東希望電力系統(tǒng)可以在DP3的閉合母排操作模式下開環(huán)或閉環(huán)運(yùn)行，船級(jí)社對(duì)實(shí)效短路試驗(yàn)的要求也越來越明確。雖然短路試驗(yàn)只有短短1s左右的時(shí)間，但是需要船東、船廠和供應(yīng)商前期足夠重視，進(jìn)行密切溝通并保持設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致，實(shí)驗(yàn)過程中做好預(yù)防措施，特別是安全方面的保障措施，考慮試驗(yàn)過程中各種潛在故障風(fēng)險(xiǎn)帶來的影響，確保將相應(yīng)的保護(hù)措施工作落實(shí)到位。對(duì)于此類多工況高復(fù)雜性、高風(fēng)險(xiǎn)的試驗(yàn)（如實(shí)效短路及接地試驗(yàn)），可以采用模擬仿真的方法和實(shí)際驗(yàn)證對(duì)比的方法，減少試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，事前做好技術(shù)研討分析及組織研討，以識(shí)別過程風(fēng)險(xiǎn)并制訂應(yīng)急預(yù)案，取得各利益方的認(rèn)可。