闭合母排电力系统船舶试验分析

张凌云，董 博

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

0 引 言

随着油气勘探从近海走向远海，海洋工程船舶得到快速发展，其中能在深水海域工作的动力定位(Dynamic Positioning, DP)船舶的发展尤为迅速，为满足多功能和高海况需求，其装机功率越来越大。随着航运市场对环保的要求日趋严格，对船舶采取节能减排措施尤为重要。DP船舶通过闭合母排电力系统优化电网供电结构，从而减少燃油消耗，在燃油经济性和供电连续性方面具有一定的优势，越来越受海工船市场的青睐。在上海振华重工(集团)股份有限公司(以下简称“振华重工”)的海工船建造项目中，有多型船都采用闭合母排电力系统设计，如某深水多功能饱和潜水支持船项目，采用的是DYNPOS-AUTRO和DYNPOS-ER双重DP入籍符号，并采用闭合母排和推进器双路供电的技术方案。DNV GL为验证系统保护装置的故障隔离能力，对发电机保护试验、短路试验和失电顺序恢复试验的方案提出了严格要求。

1 闭合母排电力系统

闭合母排电力系统主要是将配电网络设计成母联开关可闭合的形式，形成一个汇流排运行的配电网络。在发生单一故障时，配电系统能预判并快速隔离故障设备或故障区间，同时不影响电网中设备的正常运行。闭合母排电力系统在DP工况下可有效减少在网发电机的数量，减少船舶燃油消耗，通过提高发电机组的负载率来减少有害气体排放。

以往DNV GL从安全性的角度考虑，通常不接受DP3船舶采用闭合/闭环形式的电力系统设计，防止因发生某些单点故障而导致整个电力系统失电。与之相比，分段运行的母排完全相互独立，无论哪段母排发生故障，都不会引起全船失电。近年来，随着技术和工艺的不断发展，已能证明闭合/闭环母排可与分段母排一样，具备相同水平的可靠性和完整性。为使船舶在运行过程中具有更好的经济性和更灵活的操作性,船级社逐渐开始接受这种闭合/闭环形式的电力系统设计，但要求其完整性能等效于分段运行母排。图1为闭合母排电力系统框图。在闭合母排工况下，母联开关和通往推进器的所有开关均为常闭。

图1 闭合母排电力系统框图

2 闭合母排电力系统试验

根据DNV GL的要求，闭合母排DP船舶的电力系统试验除了包括常规电力系统试验以外，还包括增强型发电机监测保护系统试验、实效短路试验和失电顺序恢复试验。

2.1 增强型发电机监测保护系统试验

增强型发电机监测保护系统主要通过检测，提前将故障发电机从系统中隔离出来，使正常运行的发电机不受影响，保证系统安全可靠地运行，并通过试验来验证系统的实际动作方式与设计是一致的。

在开展增强型发电机监测保护系统试验时，应根据试验大纲设定的故障点和动作，通过检测系统不同的状态和故障，保护系统做出相应的动作。试验内容主要包括：系统报警功能；PMS(Power Management System)启动备用机组，停止有问题的发电机组；将系统调整到降速模式，停止PMS；硬线发生故障时，PMS启动备用机组；切断故障母排。

图2为某潜水支持船增强型发电机监测保护系统框图。由图2可知，增强型发电机监测保护系统通过采集发电机组调压信号、柴油机组调速信号、PMS中的关键参数和其他发电机组的运行参数等，进行数据处理分析，根据设备的运行状态对系统进行辅助决策，发出相应的指令，从而在故障扩散之前切断故障发电机，最小化故障对电力系统的冲击，抑制停电风险和可能出现的位置丢失问题。

图2 某潜水支持船增强型发电机监测保护系统框图

通过调试和试验，修复与设计结果不一致的地方，并进行参数调整和系统修改，完善增强型发电机监测保护系统的保护功能，确定保护功能与需求设计的一致性，使其完全匹配项目要求，提高系统的适应性。

2.2 实效短路试验

单段母排的短路故障会导致整个电网的电压快速下降，故障阶段的电网电压几乎为零，该过程中可能会导致发电机脱扣、推进器退出DP系统和辅助系统停止运行等一系列问题。因此，通过实效短路试验来验证整个电力系统的完整性非常重要，其主要目的包括：

1)验证电力系统的选择性与设计一致，故障点能快速隔离，而其他部分能保持正常运行；

2)验证发电机、配电系统、推进器和相关辅助系统的故障穿越能力；

3)验证短路故障对相关设备和系统的影响。

以振华重工建造的某深水多功能饱和潜水支持船为例，为验证其电力系统的可靠性和短路故障穿越能力，DNV GL要求对DYNPOS-AUTRO闭合母排或推进器双路供电的设计方案进行实效短路试验。实效短路试验是DP3闭合母排电力系统试验的重点和难点，由于具有一定的危险性，需在试验之前对系统、设备和安全保障等进行全面分析，精心策划，明确分工。另外，需考虑意外事件应急方案，最大程度地保证安全。

试验之前需完成系统仿真分析和试验程序送审工作，并与船级社和船舶所有人确认试验的相关事项，包括：

1)试验时需记录的试验数据，比如短路电流值、电压值、开关脱扣时间、短路时间和设备运行状况等;

2)短路点的选择，不同项目会有所差别，一般需有专门用来开展实效短路试验的试验屏；

3)试验时的状态，比如推进器的功率，船级社一般要求其值尽量小，以使推进变频器能在最差的工作状况下实现故障穿越；

4)辅助系统的运行状态，不必要的设备应尽量隔离开，以免受影响。

试验时，选取中压配电板试验屏的母排进行短路铜排(汇流排)连接，并在驾驶室或集控室内远程合闸遥控。同时，检查发电机组、中压配电板、变频器和推进器的运行状态，核定各系统保护装置的参数设定是否正确。试验过程中采用工控机对整个电网的电压、电流、频率和动作时间等主要参数进行记录，用于分析和判断，并形成最终的短路故障穿越试验报告。图3为某饱和潜水支持船实效短路试验数据采集框图。

通过开展实效短路试验，确定电力系统的选择性保护功能、关键设备的故障穿越能力和故障对设备的影响。

2.3 失电顺序恢复试验

虽然在设计闭合母排电力系统时已考虑发生故障时采取的各种隔离保护措施，但在船舶实际运行过程中，仍会遇到一些未知的故障。按照船级社规范的要求，只有完成全船失电恢复试验，才能验证采用闭合母排电力系统的DP船舶在全船突然失电的情况下，能迅速恢复供电，维持定位能力。

图3 某饱和潜水支持船实效短路试验数据采集框图

振华重工建造的某深水多功能饱和潜水支持船需满足DYNPOS-ER入籍符号的要求，在顺序启动试验中，从电网失电到DP控制系统接收到推进器的准备信号的过程需在45 s内完成。此项试验需要应急发电机在不启动的条件下恢复全船供电，因此主发电机组启动所需的油泵和水泵需采用机带泵，即主发电机组在接收到失电启动信号之后能自动启动。在项目设计阶段，需分析电力系统和DP相关设备启动所需时间、启动顺序和启动条件，并在试验之前对各阶段时间进行准确的计算复核。

在失电顺序恢复试验中，可利用全船监测系统制作状态图，协助试验人员直观地了解各设备的运行和恢复状态，按船舶恢复供电的顺序确定相应的恢复流程。例如，当电力系统检测到失电信号时，启动备用主发电机组，恢复中压配电板、低压配电板和变频器，启动推进器电机并最终送出READY信号，这些设备的状态均可在状态图中予以显示。图4为饱和潜水支持船失电启动状态图，取2套主配电板、2套440 V配电板、6台推进器的运行信号(用1表示)和停止信号(用0表示)为纵轴，时间为横轴，根据信号的变化量得到各系统恢复运行的时间。此外，试验之前需重点关注电力系统和DP系统中的一些连锁信号，如柴油机滑油压力低时无法启动发电机，推进变频器冷却水系统无压力时无法启动变频器等。在这种情况下，需进行连锁信号抑制，否则会导致试验失败。

图4 饱和潜水支持船失电启动状态图(恢复时间为40 s)

通过开展失电顺序恢复试验，不断对系统进行优化和测试，使其能以最快的速度和最安全的方式恢复到失电之前的状态。该项目最终在42 s内完成了从发电机启动到推进器给出准备信号的过程。

3 结 语

DP3闭合母排电力系统试验中的增强型发电机监测保护系统试验、实效短路试验和失电顺序恢复试验是检验船舶电力系统有效性的重要方式，该系统的设计、建造和试验是船舶行业的难点。本文结合振华重工建造的某饱和潜水支持船，分析了其DP加强型(DYNPOS-ER)闭合母排电站增强型发电机监测保护系统试验、实效短路试验和失电顺序恢复试验的要求，积累了丰富的经验，能为国内建造闭合母排提供一定的借鉴。