中压双级环形供电系统故障穿越测试方法

刘国泰，翁康强，王浩召

(福建省马尾造船股份有限公司，福建 福州 350501)

0 引言

深海采矿船设备众多，作业工况复杂，一旦供电网出现故障，对设备及整船危害极大。故障测试是环形供电网络联调试验的必不可少一环，是验证电力系统安全性及可靠性的重要手段。由于深海采矿船采用特有的双级环形供电网络，国内尚无先例，而实船故障测试危险性较大，需预先研究形成一套完整的危险源识别及防控技术，用以鉴别测试中的危险源，并判定危险系数，划分危险等级，提出危险防控方案。

本文针对采矿船特有的中压双级冗余环形供电网络和隐性故障，进行故障穿越能力测试技术分析，制定了故障穿越能力测试流程，通过实船故障穿越能力测试，总结了一套中压双级冗余环形供电网络故障穿越能力测试方案，并确保系统在严重故障情况下，不影响采矿作业设备、推进器及柴油发电机组的正常工作，以提高采矿船海上作业的安全性，满足连续作业及定位的要求。

1 深海采矿船双级环形供电网络介绍

深海采矿船主供电网络由6台6.6 kV中压发电机、3个独立配电板以及配电板之间连接的电缆组成。船舶环形网供电时，根据作业工况需求启动最少2台发电机并网，闭合配电板之间的主母联络开关和备用母联络开关，从而将所有配电板连接起来形成一个环形供电网络，给船舶用电负荷供电。深海采矿船双极环形供电网络见图1。图中，柴油发电机组参数为：电压6.6 kV，频率60 Hz，功率5 238 kW,三相三线制(3PH)。

采矿作业系统的供电应为主电网的一部分，在采矿作业时采矿配电板母排联络开关断开，由主环形供电网给采矿配电板供电，然后由采矿配电板给作业设备供电。因此，只有采矿配电板对应的主供电母排出现故障隔离后，才会引起对应的采矿作业设备停止供电，保证了采矿设备供电的稳定性和可靠性。深海采矿船采矿设备配电单线图见图2。

主电环形电站的方向性过电流保护功能可以延伸到下一级的6.6 kV采矿配电板。

2 故障穿越能力测试方法

故障穿越能力测试主要通过实船短路及接地故障测试进行验证，验证电力系统在电压瞬时突降时维持系统稳定的一个特性。

在测试前需准备主要仪表如下：

Digsi和Sigra网路监控工具；Siprotec网络分析工具； Sinamics启动器软件(用于变频器监测及记录)； DEC200 AVR监测及记录软件；柴油机监测及记录软件； PMS轨迹/动态分析软件；DP轨迹/动态分析软件。

需要注意的是：为了提高测试数据的可读性，每个配电板内Siprotec装置在同一时间进行同步是至关重要的。

测量点1：发电机保护继电器7UM62

图1 深海采矿船双级环形供电网络图

图2 深海采矿船采矿设备配电单线图

在故障穿越试验中，记录在网发电机的保护继电器5 s内的相关参数，并通过连接到Siprotec保护继电器的服务电脑获得以下测量数据：

发电机L1、L2、L3相电流的均方根值/瞬时值；发电机L1、L2、L3相电压的均方根值/瞬时值；差动电流iDiff和IRest的均方根值；接地电流的均方根值/瞬时值。

测量点2：故障馈线负载的保护继电器7SJ80(变压器)

在故障穿越试验中，记录故障馈线负载的保护继电器5 s内的相关参数，通过连接到Siprotec保护继电器的服务电脑获得以下测量数据：

L1、L2、L3相电流的均方根值/瞬时值；L1、L2、L3相电压的均方根值/瞬时值；接地电流的均方根值/瞬时值。

测量点3：推进变频器

在故障穿越试验中，记录推进变频器的相关参数，通过连接到Siprotec保护继电器的服务电脑获得以下测量数据：

变频器直流母排实际电压；实际输出有功功率；主母排频率；调速控制器设定点；实际速度/转矩；直流电压控制器输出设定点。

测量点4：动力定位系统(DP系统)

在故障穿越试验中，记录DP系统的相关参数，从DP系统获得以下测量数据：

试验前DP系统人机界面上所有发电机和推进器的状态；所有推进器的推力；所有推进器的反馈功率；报警及事件记录。

测量点5：功率管理系统(PMS)及发电机保护单元

在故障穿越试验中，记录PMS及发电机保护单元的以下数据：

试验前PMS系统人机界面上所有发电机和推进器的状态及试验后的发电机功率轨迹趋势图，包括启动备用发电机时的趋势；试验后PMS系统人机界面上所有发电机和推进器的状态试验中出现的报警及时间记录，如开关脱扣、频率及电压报警等功率限制的输入输出趋势图。注意：试验过程中要特别注意发电机保护单元功能的正确性；在试验过程中，发电机保护单元要给出相应的报警，但是不能脱开任何发电机。

3 短路故障穿越能力测试方法

中压环形供电系统最严重的故障就是发生短路故障的同时主配电板上的母联开关出现隐性故障。环形供电系统DP操作时，不能出现任何故障造成失位情况，因此，需要配电系统在短路时同时出现隐性故障的情况下具备故障穿越能力。隐性故障(通常为断路器内部的机械故障)可以通过断开断路器的脱扣线圈来实现，脱扣回路监测应该能输出相关的报警。

3.1 测试系统配置

在进行故障穿越能力测试时，配电系统需要运行在环网模式下(配电板上所有母联开关需要合闸)，所有的推进器需要运行并进入DP模式。其他要求如下：

推进器需要运行在DP模式下，保持最低转速或者轻负荷状态；在短路模式下进行断路器隐性故障测试时，至少2台发电机需要在网；所有的变压器均需通电，除了用于进行短路测试的变压器回路。

3.2 测试方法

在高压变压器高压侧建立一个三相接地回路，接地装置的短路电流耐流等级应与主配电板一致(31.5 kA,1 s)，测试变压器所在配电板母排分段应有1台发电机在网。

在进行短路故障穿越能力测试时，在PMS操作站上远程将测试变压器的开关合闸，使之短路(主配电板间以及变压器所在的房间不允许有人员在场，以保证人身安全)。

在测试前、测试中、测试后所有的系统参数都要记录，包括发电机、配电系统、推进器的报警、状态、运行参数轨迹曲线，故障电流、电压、变频器的轨迹曲线，以及保护继电器的报警、动作状态等。

3.3 试验过程状态

在试验中需将PMS系统人机界面主电网MIMIC图状态及电压状态趋势图打印出来。

(1)初始状态

短路之前主配电板运行在环网状态，2台发电机并网。详见图3初始状态电力图和电压曲线图。

注：电压记录时间t<0 ms。

图3 初始状态电力图和电压曲线图

(2)短路状态

测试变压器三相短路，预期结果见图4。

注：电压记录时间0 ms

(3)母联开关脱扣状态

母联开关脱扣状态预期结果见图5。

故障清除时间段：电压记录时间200 ms

(4)结果

断路器故障保护单元将快速断开备用断路器并隔离故障母排分段。试验成功时，故障的母排分段应该能被快速切除，同时剩余的发电机以及推进器仍然可以正常工作，报警在操作站显示。

断路器故障保护单元会在延时150 ms之后启动断路器内的过电流保护脱扣功能。

(5)验证衰减曲线

在短路测试中验证。

4 故障穿越能力测试危险源分析方法

海上试航期间进行故障穿越能力测试时，需要提前分析潜在的风险/危险源、风险影响，并制定采取的风险防范措施。

(1)分析前准备工作

分析小组主要包括设备供应商、船厂设计人员、船厂项目管理团队等。

资料主要包括整个系统设备供应商设备资料、分析报告、船厂设计图纸、试验流程文件等。

图5 母联开关脱扣电力图和电压曲线图

(2)分析过程

在分析准备阶段、开始正式分析前，分析小组应根据本项目试验的具体试验流程，确定本项目重要的引导词或风险/危险源。具体分析流程见图6。

图6 危险源分析流程

(3)编制报告

分析过程中讨论的引导词、识别的危险源及其可能导致的影响和后果都将录入HAZID分析清单里，编制分析报告，以便进行HSE风险管理和监控。

(4)制作清单

按潜在风险、潜在风险影响、潜在风险等级、风险防范及剩余风险水平降低措施及制作故障穿越测试危险源识别分析清单。

5 结语

中压双级环形供电系统故障穿越技术作为中压智能环形供电网络技术的难点和关键技术越来越受重视。本文总结了深海采矿船故障穿越能力测试流程、实施方案及故障穿越能力测试危险源识别方法和相应的解决方案，并对相应的方案做了简要的分析和阐述，从而降低试验危险系数，形成一套故障测试危险源识别方法及危险防控方案。该方案可以作为采用中压智能环形供电网络的深海采矿船实船海试故障穿越能力测试时参考。