DP3閉環(huán)實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)淺析

李朝暉 王 歡

(1.招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇南通 226100; 2.江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通 226010)

閉環(huán)設(shè)計具有省油、低環(huán)境污染，不受機(jī)艙區(qū)域限制，可以同時停用一個機(jī)艙2臺發(fā)電機(jī)，便于發(fā)電機(jī)維護(hù)和修理，能降低故障對電網(wǎng)的影響，降低運(yùn)營成本的優(yōu)勢。自2013年，DP3的閉環(huán)逐漸走入海工平臺，越來越多的項(xiàng)目開始使用，隨著故障模式及影響分析(FMEA)不斷深入，而且在實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)(Live short circuit test)時發(fā)現(xiàn)依靠分析和模擬試驗(yàn)不能完全發(fā)現(xiàn)隱藏故障，以前的實(shí)船模擬短路試驗(yàn)慢慢不被最終用戶接受，實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)越來越被最終用戶所要求，而且作為DP3閉環(huán)海工平臺運(yùn)營的必須條件寫入規(guī)格書，國際上不少船級社也將實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)寫入規(guī)范，并被要求強(qiáng)制執(zhí)行。

本文以國內(nèi)某海工平臺為背景，簡要介紹短路試驗(yàn)分析和實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)相關(guān)要求，試驗(yàn)時，選用了母排三相短路和母排單相短路接地來實(shí)際試驗(yàn)。實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)確保母排閉合的電力系統(tǒng)的完整性、可靠性、安全性，這些性能體現(xiàn)在包括隱性故障在內(nèi)的故障發(fā)生之前及發(fā)生之后。 對于DP3閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)主母排采用方向性保護(hù)時，如果推進(jìn)器、服務(wù)用電等饋電電路發(fā)生故障，該故障應(yīng)具有反向閉鎖主母排方向性保護(hù)功能。本項(xiàng)目一次電路采用60Hz，6.6kV的交流高壓系統(tǒng)，配置8臺6.6kV發(fā)電機(jī)，4個獨(dú)立高壓間及6臺電驅(qū)動推進(jìn)器，在設(shè)計初期從發(fā)電機(jī)到配電板都設(shè)計有保護(hù)裝置，以對發(fā)電機(jī)至主配電板之間的連接電纜出線相間故障和發(fā)電機(jī)內(nèi)部繞組出現(xiàn)故障進(jìn)行保護(hù)或者對發(fā)電機(jī)組停機(jī)。該保護(hù)電器能使發(fā)電機(jī)斷路器脫扣，并自動對發(fā)電機(jī)進(jìn)行滅磁，在電壓互感器的次級側(cè)設(shè)有過載和短路保護(hù)。

1 DP3閉環(huán)設(shè)計

該項(xiàng)目使用現(xiàn)代的AVR和調(diào)速器，Kongsberg的AGS及PMS和配電設(shè)備，DP3閉環(huán)電力單線圖(如圖1)，在設(shè)計初期明確要求進(jìn)行實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)，要求設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)行精確的短路電流分析計算，并對短路點(diǎn)考慮包括發(fā)電機(jī)出線端、母排、負(fù)載變壓器低壓側(cè)、作業(yè)設(shè)備系統(tǒng)、低壓配電板進(jìn)線端等，及要求對三相對稱短路和相相不對稱短路進(jìn)行分析。對發(fā)電機(jī)組和配電板要求設(shè)計有過載、短路、欠壓/過壓、差動、逆功率、相不平衡等保護(hù)，而且配電板斷路器的隱性故障進(jìn)行分析，并且在FMEA時進(jìn)行嚴(yán)格分析和論證。對控制電路，如電力管理系統(tǒng)、AVR、調(diào)速器等配置UPS電源。對于發(fā)電機(jī)要求，在發(fā)電機(jī)組停機(jī)時，應(yīng)能自動滅磁等要求。對于電站管理系統(tǒng)，要求故障發(fā)電機(jī)的隔離和備用發(fā)電機(jī)的啟動功能，實(shí)現(xiàn)電站符合分配模式的安全切換等功能。尤其是對故障穿越的時間設(shè)置進(jìn)行分析和現(xiàn)場實(shí)際試驗(yàn)。

圖1 DP3閉環(huán)電力單線圖

2 實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)前，配電板廠家根據(jù)前期設(shè)計要求編制了短路試驗(yàn)的試驗(yàn)程序(圖2)，并針對不同的短路場景，模擬因果圖，分別對發(fā)電機(jī)保護(hù)、配電板的保護(hù)、作業(yè)設(shè)備系統(tǒng)的短路延時和反饋進(jìn)行了分析。

圖2 短路試驗(yàn)的試驗(yàn)程序

實(shí)船試驗(yàn)在海試期間，在完成DP FMEA之后。在此前，配電板廠家在碼頭完成故障穿越時間設(shè)置的試驗(yàn)。船廠多次組織發(fā)電機(jī)，AVR，調(diào)速器，AGS，配電板等廠家，已經(jīng)船東方、船檢等進(jìn)行研討，對設(shè)備需要滿足的要求和預(yù)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行澄清和確認(rèn)，完善和認(rèn)可試驗(yàn)程序。試驗(yàn)前所有高、低壓配電板及高壓電纜完成耐壓試驗(yàn)，所有開關(guān)已經(jīng)完成保護(hù)試驗(yàn)。所有操作在配電間外進(jìn)行遙控操作(如圖3)，安裝攝像機(jī)對試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行攝像。并通過平臺自動控制系統(tǒng)監(jiān)測相關(guān)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)記錄。

圖3 配電間外遙控操作

3 實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)

該項(xiàng)目順利在2020年11月完成實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)，沒有設(shè)備損壞及人員傷害。試驗(yàn)結(jié)果也達(dá)到設(shè)計和分析的要求。

(1)試驗(yàn)1：母排三相短路

系統(tǒng)狀態(tài)：DP閉環(huán)，發(fā)電機(jī)1/3/5/7在線，推進(jìn)器6臺都運(yùn)行。如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)前電力管理系統(tǒng)狀態(tài)

試驗(yàn)銅排安裝：在確認(rèn)試驗(yàn)?zāi)概艛嚯姴]有余留電壓后，拆除電纜，安裝試驗(yàn)銅排，并固定，按照要求打好扭力如圖5。

圖5 試驗(yàn)銅排安裝示意圖

試驗(yàn)前確認(rèn)：所有斷路器已經(jīng)合上，4臺指定發(fā)電機(jī)在線，其它4臺處于備用狀態(tài)，6臺推進(jìn)器都處于運(yùn)行狀態(tài)，除了測試變壓器外，其它變壓器均已上電，低壓配電板均已上電。測試斷路器已經(jīng)合上，處于遙控狀態(tài)。安全確認(rèn)：試驗(yàn)區(qū)域沒有人員，消防設(shè)備處于可用狀態(tài)，船舶處于可控狀態(tài)，能短時失電。

試驗(yàn)結(jié)果：系統(tǒng)能在145ms內(nèi)隔離短路的高壓盤段，斷路器A7和A14斷開，距離此盤段最近的1#發(fā)電機(jī)在218ms時停機(jī)，所有故障在218ms內(nèi)清除。未發(fā)現(xiàn)設(shè)備及附件損壞和異常，未出現(xiàn)失電和推進(jìn)器丟失及DP失效。(如圖6、7、8、9)

圖6 短路后電流流向圖

(2)試驗(yàn)2：母排單相短路接地

系統(tǒng)狀態(tài)：DP閉環(huán)，發(fā)電機(jī)1/3/5/7在線，推進(jìn)器6臺都運(yùn)行。

圖7 短路電流穿過TR1(A11)段波形圖

圖8 母排電壓變化波形圖

圖9 2#推進(jìn)器電流波形圖

試驗(yàn)銅排安裝：在確認(rèn)試驗(yàn)?zāi)概艛嚯姴]有余留電壓后，拆除電纜，安裝試驗(yàn)接地線，并固定，按照要求打好扭力。(如圖10)

圖10 短路銅排安裝位置

試驗(yàn)前確認(rèn)：所有斷路器已經(jīng)合上，4臺指定發(fā)電機(jī)在線，其它4臺處于備用狀態(tài)，6臺推進(jìn)器都處于運(yùn)行狀態(tài)，除了測試變壓器外，其它變壓器均已上電，低壓配電板均已上電。測試斷路器已經(jīng)合上，處于遙控狀態(tài)。

安全確認(rèn)：試驗(yàn)區(qū)域沒有人員，消防設(shè)備處于可用狀態(tài)，船舶處于可控狀態(tài)，能短時失電。

試驗(yàn)結(jié)果：系統(tǒng)能在1.044s內(nèi)隔離短路的高壓盤段，斷路器A7和A14斷開，距離此盤段最近的1#發(fā)電機(jī)在3.657s時停機(jī)，所有故障在6.357s內(nèi)清除。在電壓為0的瞬間，故障點(diǎn)電流達(dá)到20617A。未發(fā)現(xiàn)設(shè)備及附件損壞和異常，未出現(xiàn)失電和推進(jìn)器丟失及DP失效(如圖11)。

圖11 TR1(A11)段電流波形圖

4 結(jié) 語

DP3的閉環(huán)逐漸走入海工平臺，越來越多的項(xiàng)目開始使用，隨著故障模式及影響分析(FMEA)不斷深入，而且在實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)(Live short circuit test)時發(fā)現(xiàn)依靠分析和模擬試驗(yàn)不能完全發(fā)現(xiàn)隱性故障，以前的實(shí)船模擬短路試驗(yàn)慢慢被最終用戶接受，實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)越來越被最終用戶所要求，而且作為DP3閉環(huán)海工平臺運(yùn)營的必須條件寫入規(guī)格書，國際上不少船級社也將實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)寫入規(guī)范，并被要求強(qiáng)制執(zhí)行。本文以國內(nèi)某海工平臺為背景介紹短路試驗(yàn)分析和實(shí)船實(shí)效短路試驗(yàn)相關(guān)要求,為以后的試驗(yàn)提供依據(jù)。