浅谈海上动力定位电气系统的故障穿越

冯 超



浅谈海上动力定位电气系统的故障穿越

冯 超

（西门子（中国）有限公司，北京 100102）

带有动力定位系统的海上半潜式钻井平台需要测试推进系统单元是否具有故障穿越的功能，本文提出了一种安全可靠的测试方法，在系统电压突变的故障状况下，测试正在正常运行的推进系统能否穿越故障，保持住定位功能，同时给出了如何合理地配置电气系统中的电气设备参数和控制回路，达到故障穿越的效果。

故障穿越 推进单元 测试

0 引言

海上钻井平台是由一个独立的电气系统组成，柴油机发电机组提供整个平台的动力电源，动力定位半潜式钻井平台的电力系统一般是由6.6 kV或11 kV的中压、690 V、440 V和230 V的交流低压配电盘柜完成供配电的功能。

根据挪威DNV船级社规范，闭环动力定位电气系统在发生单点故障时，电气保护单元必须迅速切断掉故障单元或者回路，同时非故障的动力定位系统的电气回路不受该故障的影响，快速地恢复整个电力系统的正常供电状态。在此过程中，动力定位系统经受住了其它系统电气故障从发生到切除所引起系统震荡的影响，我们把这称作为故障穿越功能。即使是针对可能出现的隐藏性故障，例如断路器保护单元主保护无法准确跳闸，断路器分闸回路无法正常工作，备用保护功能能灵敏反应动作，扩大停电的范围，但动力定位系统仍然需要能够穿越该故障，保持住钻井平台的位置。

1 故障穿越功能

DNV规范指出：在实际的功能测试前，将测试故障点选择放在非推进单元连接的回路中，然后将回路中的开关远程闭合，形成故障回路，以达到产生三相对称短路故障和接地故障的工况。然后在测试的过程中记录下中压母排处的电压变化或者故障处电流的衰减曲线，仔细观察故障过程中保护是否正确动作，已经运行的推进系统单元是否还能保持动力定位，保证钻井平台的安全运行。

为了保证测试安全可靠，不会去真正地在测试中模拟出三相对称短路故障，而是去模拟一种电压发生突变的工况，这种工况是在很短的时间内先分掉中压段的母联开关，然后再合闸该开关，真实地模拟了系统电压短时间变化的过程，也被船级社所允许和接受。

2电气系统故障穿越功能的实现

2.1电气设备的故障穿越能力

在模拟或者测试三相对称短路故障和接地故障前，需要确认发电机、变压器、VFD系统、推进单元等是否具备故障穿越的能力，众所周知，发电机是电源的发起端，故障发生的瞬态过程端电压会发生剧烈的震荡和变化，电压的变化恢复过程需要自动调压装置AVR的强力干预，在故障发生过程中、故障切断后能保证发电机的输出端电压迅速恢复到电压设定值，保持供电的连续性、可靠性；变压器是电磁转化设备，电压的变化直接影响到励磁的瞬态震荡，若变压器进线侧装设了励磁涌流保护，需要调整好该保护的延时时间设置，避开该震荡过程；推进单元的主电机目前较多采用的电力驱动方式，VFD能保证推进电机合理准确地运行，特别是在故障期间，动能缓冲功能能保持住整个推进电机还是处在带电的状态；推进单元的辅机系统包括风机等小电机回路，它们是由690 V配电盘供电的，在发生故障的过程中这些供电回路需要其接触器保持在吸合的状态，电机还是保持在运行的状态中。

这样来看，故障穿越功能的实现与自身设备的动态性能密切相关，同时设备的控制要求必须匹配上述其性能，保证推进系统不受电压的冲击影响，造成推进系统的停机，从而从根本上破坏整个动力系统的定位，这是最核心的要求。

2.2电气系统的配置

整个电气系统中的控制系统和保护系统，需要正确地配置参数，协同配合地完成故障穿越功能：

发电机自动调压装置的强励功能，带动系统电压快速地从故障启动时恢复到设定电压值，强励过程需要设置爬坡的时间和运行的起始电压。电压恢复时间要求控制在越短越好。一般要求在50 ms以内。

推进电机VFD控制系统中的动能缓冲功能需要在软件中勾选激活，当电压降低的时候，推进电机变成了发电机的运行状态，回馈能量到VFD盘柜的直流母线段，延缓其直流电压的衰落，VFD监控直流母线的电压，如果低至某个设定值，将触发推进单元的进线开关的分闸，从而导致整个推进电机的主回路被切断。

推进电机辅机回路是由马达控制中心控制启停和保护的，马达控制中心的电源要求是UPS电源供应，保证其控制电源回路连续不间断运行，同时辅机配电低压盘柜上的电压监视信号连接到马达控制电源的回路中，若一旦发生电压跌落，控制电源回路被延时切断。

马达控制中心的主电源是由中压系统通过降压变压器变到690V推进电机的辅机配电盘上的，该盘柜的进线开关是延时欠压脱扣的。延时时间设置必须大于故障的切除时间。

3项目应用实例

该项目是由六台5535 kW的柴油发电机组提供整个平台的供电电源，三段11kV中压盘分别安放在三个互相独立的舱室内，它们之间是通过四个母联开关电气连接在一起的，六台推进单元分别布置在船体的左右舷。每段中压盘给两台电动推进电机供电，推进系统的辅机单元是由专用690 V电压等级的DP盘柜供电，辅机的马达控制中心装在该690 V盘柜上。在动态定位的运行工况下，三段中压系统独立运行，它们的母联开关处于分闸的状态，但是在航行的运行工况下，为合理地控制在线发电机的数量，提高发电机的运行效率，节省柴油燃料，母联开关是闭合的。电气系统的总单线如图一所示。

此项目的DP运行工况是在开环的前提下运行的，因此每一段系统可以独立地操作运行，互不影响和干涉，但有一些低压用电设备由于没有备用冗余的工况，只能由其中的某两段电气系统实行双路供电机制，若这些设备终端一旦发生短路故障，将要切断正在运行的回路，并且自动切换装置将会把该回路切换到另一段供电系统中继续运行，若故障还没有被排除，同样地，另一段供电回路的保护装置将发挥作用，彻底地切断了对这些回路的供电。在切断—切换—再切断的过程中，与双路供电相关联的两段就会经历电压的瞬态变化过程，按照船级社规范，此开环电气系统是不需要做理论仿真以及短路测试实验的。但鉴于可能存在的风险，船级社仍然要求从理论和实践两个维度去校验推进单元是否可以躲避掉该风险。

在实施测试前，电气系统对短路故障的保护跳闸时间需要估算，从使用的脱扣器的性能出发，我们很容易得出隔离和切断这些回路短路故障的时间在20 ms内，因此，我们把故障的恢复过程时间控制在大于20 ms的范围内，计算机仿真电压恢复曲线如图二所示，结果表明：发电机的电压在回路出现故障后恢复到初始电压的时间在50ms；变压器一次侧开关的继电保护装置能监控变压器的励磁涌流的变化，调整保护的延时时间到5s，以使其不会在测试过程中跳闸断电；推进电机驱动的VFD盘柜将动能缓冲的功能激活，只需将该功能在软件系统中勾选就可以实现；690V DP辅机配电盘的进线开关是空气短路器，装有0.2～3.2s延时时间可调的欠压脱扣器，将其延时时间设置到1s；辅机设备是由智能马达控制器控制启停和电机保护的，其控制器的控制电源是从外部的230V交流UPS供电，为了保证其在电压突变降低到接触器的失压区间后，仍然能将接触器吸合住，在智能控制单元中将监控电流反馈的延时时间设置为2 s。

测试开始前，先校验690 V盘柜在短时间500ms内失电得电过程中辅机单元的接触器是否可以保持在吸合状态，手动操作进线开关的分合闸，发现辅机回路的接触器能始终处于运行状态，满足了故障穿越的要求；详细的测试流程如图三所示：

在电气系统总单线图中，从左到右三段中压盘分别命名为1段、2段和3段中压柜，在1段上的母联开关被定义为主母联开关，正常运行时需在同步发电机之后才能合闸，使1段和2段排同步运行，在2段上的母联开关被定义为从母联开关，它是和主母联开关连锁运行的，若从母联开关分闸，则主母联开关也必须分闸。1# DP变压器是在1段中压盘上运行的，#3和#6推进单元也是由1段中压盘通过推进变压器和VFD盘柜供电的。测试过程中，中压段母排的电压变化过程如图四所示：

整个系统电压恢复过程小于500 ms，完全能达到了故障穿越的要求。测试过程和结果满足了船级社的要求。

4 结论

本文提出的测试方法能很好地避免了故障穿越测试需要模拟短路故障的风险，实际操作性很强，结合电气参数的配置，测试结果说明了电气设备是可以完成故障穿越的功能，在设计工作的初期就可以将该功能的相关参数和所需的硬件配置完成，在具体的测试中去检验是否满足穿越故障功能的要求。

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Fault Ride Through for Offshore DP Electrical System

Feng Chao

(Siemens Ltd.China, Beijing 100102, China)

ion: Offshore submersible drilling platform with dynamic position is designed with fault ride through functionality. The paper presents a kind of method to test if the propulsion unit can operate normally and maintain the position under voltage dip, and introduces how to configure the electrical parameters and control circuits.

fault ride through; thruster unit; test

TM933

A

1003-4862（2017）01-0028-04

2016-06-15

冯超（1980-），男，硕士。研究方向：从事海上电气系统设计。Email:fengchao1008@163.com