90m电力推进海洋工程辅助船电气设计的几个关键问题

王 平,秦 辉 ,王金苓,林从焕,曹砚培

(广新海事重工股份有限公司，中山528437)

1 引言

90 m DP2 RDSV项目是我司承接的一艘采用电力推进、具有较高技术水平的平台辅助船，该项目入级ABS。

本船规格书要求电力系统具有 闭合汇流排（Closed-bustie）时的二级动力定位功能，这是一种非常规的动力定位电力系统，当工作于Closed-bustie时电力系统是没有冗余的，其设计理念是与规范和现行FMEA要求的冗余设计相冲突的。这种要求是船东希望在非恶劣海况时减少发电机的运行台数以节省资源，因此在2013之前的DP 指引中并没有相关的说明。ABS 2013版指引对closed-bustie有简单的总括性要求，即要以极快的速度在故障由一部分传递到另一部分之前切除掉出现故障的部分，以满足单点故障不致失去定位能力的要求。因此，本项目在进行电力系统设计及设备订货时，首先要考虑的就是如何在closed-bustie DP2时，从设备和系统保护方面满足FMEA单点故障不致引起定位失效的要求。

该项目要求特殊，在国内尚无完成先例，故下面简述该项目订货及技术谈判中的一些需要注意的关键点，供大家参考。

2 电力系统单线图

本项目电力系统单线图如图1所示。 AC690V主汇流排分为A、B、C三段，A段和C段汇流排分别向一首侧推和一尾主推供电，B段汇流排专用于向艏部第三台侧推供电，AC440V和AC230V配电板汇流排相应也分为三部分。这种汇流排分段设计的优点在于：当主配电板在Open-bustie或Closed-bustie时出现最大单点故障，即A段或C段汇流排短路时，至少仍有两台侧推和一台尾推正常运行，Open-bustie时不需要进行任何切换，Closed-bustie时仅需要断开离故障点最近的汇流排断路器。

当工作于Open-bustie状态时，所有配电板汇流排断路器均打开；当工作于Closed-bustie时，AC690V配电板汇流排断路器闭合，其它配电板汇流排断路器打开。

AC440V 600A ROV与Diving接口交叉布置在A段和C段汇流排下级，同时A段和C段汇流排与440V Diving配电板通过两台1 000 kVA变压器连接，以保证在出现最大单点故障时ROV和Diving设备不失电。如果出现机舱电源全部失去，仍可通过专用Diving发电机保证ROV和Diving设备及人员的安全。

一台4×350 kW功率海工吊的四个电机分别布置在A、C两段汇流排下级，可以保证出现最大单点故障时海工吊仍有一定的起吊能力。

推进设备、ROV和Diving设备的辅助电源分别与其主电源汇流排相对应。

图1 电力系统单线图

3 Closed-bustie DP的关键问题

3.1 主汇流排断路器的数量

参见ABS 2013 DP指引的要求，最少需要提供两个断路器用于闭合汇流排的系统中，因该断路器容量达到6 300 A，价格昂贵，我们一度按照两个进行配置。在与某电力系统集成商进行详细技术谈判的时候，提到了一个隐性故障的问题，即当出现最大单点故障时，如果由于断路器本身的原因而无法打开，那么按此配置就会至少失去A和B，或者B和C两段汇流排，导致定位能力下降较大，解决的办法就是对汇流排主断路器进行冗余，即按四个进行配置。

事后再次详细理解DP指引要求，指引中针对的是两段式汇流排，本项目AC690V主汇流排分为三段，每段上均挂有推进器，因此配置四个断路器是合理的。

3.2 主汇流排断路器短延时的选择性保护

Closed-bustie有非动力定位正常航行和动力定位两种情况。这两种情况的选择性保护都要求满足，两者的区别在于动力定位选择性保护需要多考虑系统的冗余问题，即当汇流排发生故障时要求快速断开汇流排断路器，防止故障蔓延。

当采用两段式汇流排时，汇流排故障只需要断开两段汇流排之间的断路器即可。本项目采用三段式汇流排，有两个断点，每段汇流排均挂有推进器，为了不影响其它汇流排的工作，就需要进行一定的判断，本项目采用电流方向探测来确定故障点的办法。

图2 AC690V汇流排断路器方向性保护配置

如图2所示，P10和P6、P7和P11分别设定有相同的故障电流检测方向，P7和P10作为两个方向主断路器，分断时间为0.53 s;P6和P11作为冗余从断路器，分断时间为0.65 s。任一排发生故障时，具有相同电流参考方向的主断路器先动作，主断路器失效，则与之相邻的相反方向的断路器动作。

3.3 有功（频率）和无功（电压）的监测

同一汇流排并联运行的发电机中，某一台出现有功或者无功故障（如调速器故障、油门齿条卡死、传感器失效、AVR故障、信号线路断线、PMS故障等问题），严重时可导致非故障发电机断路器因过载或逆功而动作，最终全船失电而失去定位能力。这在常规动力定位船中不会出现，因为电力系统分为两部分工作，而Closed-bustie则可能出现，这是不允许的。因此需要对频率和电压的变化进行监测，当变化超过一定值时，进行报警或打开主汇流排断路器，将系统恢复到冗余状态，再对故障点进行处理。

本项目对每台发电机，均增加了专门进行频率和电压监测并集成到PMS中的发电机监测系统（AGS），图3是该系统的基本组成。

图3 发电机电压和频率监测模型

该系统的工作过程是由AGS系统不断监测发电机组的电压、电流、励磁电流、油门尺条位置并与系统内预置的数据比较，产生偏差时先交由PMS调节，如调节失败偏差进一步扩大且达到一定值时，AGS通知PMS启动备用机组并切除故障发电机，如故障仍然存在则分断汇流排断路器。

3.4 汇流排短路电压瞬变的跨越

当电网有大功率电机启动或汇流排短路等情况时，较大的电压降会引起断路器的欠压保护动作，驱动变频器也会停机。特殊是当汇流排发生短路时，电压会在极短的时间内降到0，必然会触发欠压保护动作，因此要采取一些措施。

汇流排断路器应设置成瞬时分断，将发生短路的汇流排切除。同时要对与动力定位系统相关辅助设备负荷开关设置UVR欠压释放保护，并设定合适的重启动组和时间，既要避免重启动时对电网造成再次冲击，又要保证从电源到驱动的顺序。这些设备包括机舱风机、发电机的供油泵、冷却水泵、驱动变频器冷却泵、驱动电机冷却泵等。

为避免汇流排短路时变频器欠压停机，变频器应在短路期间使直流部分维持一定的电压。当检测到直流部分电压降低到一定程度时，即转为发电机模式（仍然在旋转的螺旋桨和电动机向变频器供电，维持变频器不关机，直到短路故障被分离），本项目变频器可以维持1.5s的时间，满足切除故障的时间要求。

3.5 电站管理系统

电站管理系统是整个电站的核心，在Closed-bustie时PMS分为主用和备用两部分：主用PMS监控整个网络的状态，任一点的故障都可能引起PMS发出错误命令，引起所有推进器强行减负荷或网络保护动作。首先，PMS的冗余应得到充分保证，在主用PMS发生故障时，备用PMS应能无间断切换。要求主备用PMS要进行热备份实时通信并有通信故障的报警，并且通信需要有冗余。其次，PMS要具有判断故障点的能力，即在电网异常时先切除造成电网异常的部分，而不是直接对定位系统发送故障信息。

4 结语

Closed-bustie的动力定位系统是一种较新的系统，在与船级社、FMEA分析公司和电气集成商的沟通中，明显感觉他们对这种要求也是不太了解。本文简述了FMEA分析最为关注的几个主要问题，在类似项目的设计中需要与FMEA紧密配合，以避免日后设备成型造成大修改。Closed-bustie对船东来说是一种更经济的系统配置，可以减少动力定位时发电机开机的数量，同时作为一种技术的进步也具有较大的意义。

[1]Guide for Dynamic Positioning Systems,ABS 2013.

[2]A Guide to Dp Electrical Power and Control Systems,IMCA M206.

[3]Methods of Establishing the Safety and Reliability of Dynamic Positioning System.IMCA M04/04.

[4]Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) of Redundant Systems.DNVRP-D102.

[5]王文义.船舶电站[M]..哈尔滨工程大学出版社.