馮 超

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淺談海上動(dòng)力定位電氣系統(tǒng)的故障穿越

馮 超

（西門子（中國）有限公司，北京 100102）

帶有動(dòng)力定位系統(tǒng)的海上半潛式鉆井平臺(tái)需要測(cè)試推進(jìn)系統(tǒng)單元是否具有故障穿越的功能，本文提出了一種安全可靠的測(cè)試方法，在系統(tǒng)電壓突變的故障狀況下，測(cè)試正在正常運(yùn)行的推進(jìn)系統(tǒng)能否穿越故障，保持住定位功能，同時(shí)給出了如何合理地配置電氣系統(tǒng)中的電氣設(shè)備參數(shù)和控制回路，達(dá)到故障穿越的效果。

故障穿越 推進(jìn)單元 測(cè)試

0 引言

海上鉆井平臺(tái)是由一個(gè)獨(dú)立的電氣系統(tǒng)組成，柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組提供整個(gè)平臺(tái)的動(dòng)力電源，動(dòng)力定位半潛式鉆井平臺(tái)的電力系統(tǒng)一般是由6.6 kV或11 kV的中壓、690 V、440 V和230 V的交流低壓配電盤柜完成供配電的功能。

根據(jù)挪威DNV船級(jí)社規(guī)范，閉環(huán)動(dòng)力定位電氣系統(tǒng)在發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，電氣保護(hù)單元必須迅速切斷掉故障單元或者回路，同時(shí)非故障的動(dòng)力定位系統(tǒng)的電氣回路不受該故障的影響，快速地恢復(fù)整個(gè)電力系統(tǒng)的正常供電狀態(tài)。在此過程中，動(dòng)力定位系統(tǒng)經(jīng)受住了其它系統(tǒng)電氣故障從發(fā)生到切除所引起系統(tǒng)震蕩的影響，我們把這稱作為故障穿越功能。即使是針對(duì)可能出現(xiàn)的隱藏性故障，例如斷路器保護(hù)單元主保護(hù)無法準(zhǔn)確跳閘，斷路器分閘回路無法正常工作，備用保護(hù)功能能靈敏反應(yīng)動(dòng)作，擴(kuò)大停電的范圍，但動(dòng)力定位系統(tǒng)仍然需要能夠穿越該故障，保持住鉆井平臺(tái)的位置。

1 故障穿越功能

DNV規(guī)范指出：在實(shí)際的功能測(cè)試前，將測(cè)試故障點(diǎn)選擇放在非推進(jìn)單元連接的回路中，然后將回路中的開關(guān)遠(yuǎn)程閉合，形成故障回路，以達(dá)到產(chǎn)生三相對(duì)稱短路故障和接地故障的工況。然后在測(cè)試的過程中記錄下中壓母排處的電壓變化或者故障處電流的衰減曲線，仔細(xì)觀察故障過程中保護(hù)是否正確動(dòng)作，已經(jīng)運(yùn)行的推進(jìn)系統(tǒng)單元是否還能保持動(dòng)力定位，保證鉆井平臺(tái)的安全運(yùn)行。

為了保證測(cè)試安全可靠，不會(huì)去真正地在測(cè)試中模擬出三相對(duì)稱短路故障，而是去模擬一種電壓發(fā)生突變的工況，這種工況是在很短的時(shí)間內(nèi)先分掉中壓段的母聯(lián)開關(guān)，然后再合閘該開關(guān)，真實(shí)地模擬了系統(tǒng)電壓短時(shí)間變化的過程，也被船級(jí)社所允許和接受。

2電氣系統(tǒng)故障穿越功能的實(shí)現(xiàn)

2.1電氣設(shè)備的故障穿越能力

在模擬或者測(cè)試三相對(duì)稱短路故障和接地故障前，需要確認(rèn)發(fā)電機(jī)、變壓器、VFD系統(tǒng)、推進(jìn)單元等是否具備故障穿越的能力，眾所周知，發(fā)電機(jī)是電源的發(fā)起端，故障發(fā)生的瞬態(tài)過程端電壓會(huì)發(fā)生劇烈的震蕩和變化，電壓的變化恢復(fù)過程需要自動(dòng)調(diào)壓裝置AVR的強(qiáng)力干預(yù)，在故障發(fā)生過程中、故障切斷后能保證發(fā)電機(jī)的輸出端電壓迅速恢復(fù)到電壓設(shè)定值，保持供電的連續(xù)性、可靠性；變壓器是電磁轉(zhuǎn)化設(shè)備，電壓的變化直接影響到勵(lì)磁的瞬態(tài)震蕩，若變壓器進(jìn)線側(cè)裝設(shè)了勵(lì)磁涌流保護(hù)，需要調(diào)整好該保護(hù)的延時(shí)時(shí)間設(shè)置，避開該震蕩過程；推進(jìn)單元的主電機(jī)目前較多采用的電力驅(qū)動(dòng)方式，VFD能保證推進(jìn)電機(jī)合理準(zhǔn)確地運(yùn)行，特別是在故障期間，動(dòng)能緩沖功能能保持住整個(gè)推進(jìn)電機(jī)還是處在帶電的狀態(tài)；推進(jìn)單元的輔機(jī)系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)等小電機(jī)回路，它們是由690 V配電盤供電的，在發(fā)生故障的過程中這些供電回路需要其接觸器保持在吸合的狀態(tài)，電機(jī)還是保持在運(yùn)行的狀態(tài)中。

這樣來看，故障穿越功能的實(shí)現(xiàn)與自身設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)，同時(shí)設(shè)備的控制要求必須匹配上述其性能，保證推進(jìn)系統(tǒng)不受電壓的沖擊影響，造成推進(jìn)系統(tǒng)的停機(jī)，從而從根本上破壞整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的定位，這是最核心的要求。

2.2電氣系統(tǒng)的配置

整個(gè)電氣系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)，需要正確地配置參數(shù)，協(xié)同配合地完成故障穿越功能：

發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)壓裝置的強(qiáng)勵(lì)功能，帶動(dòng)系統(tǒng)電壓快速地從故障啟動(dòng)時(shí)恢復(fù)到設(shè)定電壓值，強(qiáng)勵(lì)過程需要設(shè)置爬坡的時(shí)間和運(yùn)行的起始電壓。電壓恢復(fù)時(shí)間要求控制在越短越好。一般要求在50 ms以內(nèi)。

推進(jìn)電機(jī)VFD控制系統(tǒng)中的動(dòng)能緩沖功能需要在軟件中勾選激活，當(dāng)電壓降低的時(shí)候，推進(jìn)電機(jī)變成了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，回饋能量到VFD盤柜的直流母線段，延緩其直流電壓的衰落，VFD監(jiān)控直流母線的電壓，如果低至某個(gè)設(shè)定值，將觸發(fā)推進(jìn)單元的進(jìn)線開關(guān)的分閘，從而導(dǎo)致整個(gè)推進(jìn)電機(jī)的主回路被切斷。

推進(jìn)電機(jī)輔機(jī)回路是由馬達(dá)控制中心控制啟停和保護(hù)的，馬達(dá)控制中心的電源要求是UPS電源供應(yīng)，保證其控制電源回路連續(xù)不間斷運(yùn)行，同時(shí)輔機(jī)配電低壓盤柜上的電壓監(jiān)視信號(hào)連接到馬達(dá)控制電源的回路中，若一旦發(fā)生電壓跌落，控制電源回路被延時(shí)切斷。

馬達(dá)控制中心的主電源是由中壓系統(tǒng)通過降壓變壓器變到690V推進(jìn)電機(jī)的輔機(jī)配電盤上的，該盤柜的進(jìn)線開關(guān)是延時(shí)欠壓脫扣的。延時(shí)時(shí)間設(shè)置必須大于故障的切除時(shí)間。

3項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例

該項(xiàng)目是由六臺(tái)5535 kW的柴油發(fā)電機(jī)組提供整個(gè)平臺(tái)的供電電源，三段11kV中壓盤分別安放在三個(gè)互相獨(dú)立的艙室內(nèi)，它們之間是通過四個(gè)母聯(lián)開關(guān)電氣連接在一起的，六臺(tái)推進(jìn)單元分別布置在船體的左右舷。每段中壓盤給兩臺(tái)電動(dòng)推進(jìn)電機(jī)供電，推進(jìn)系統(tǒng)的輔機(jī)單元是由專用690 V電壓等級(jí)的DP盤柜供電，輔機(jī)的馬達(dá)控制中心裝在該690 V盤柜上。在動(dòng)態(tài)定位的運(yùn)行工況下，三段中壓系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，它們的母聯(lián)開關(guān)處于分閘的狀態(tài)，但是在航行的運(yùn)行工況下，為合理地控制在線發(fā)電機(jī)的數(shù)量，提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率，節(jié)省柴油燃料，母聯(lián)開關(guān)是閉合的。電氣系統(tǒng)的總單線如圖一所示。

此項(xiàng)目的DP運(yùn)行工況是在開環(huán)的前提下運(yùn)行的，因此每一段系統(tǒng)可以獨(dú)立地操作運(yùn)行，互不影響和干涉，但有一些低壓用電設(shè)備由于沒有備用冗余的工況，只能由其中的某兩段電氣系統(tǒng)實(shí)行雙路供電機(jī)制，若這些設(shè)備終端一旦發(fā)生短路故障，將要切斷正在運(yùn)行的回路，并且自動(dòng)切換裝置將會(huì)把該回路切換到另一段供電系統(tǒng)中繼續(xù)運(yùn)行，若故障還沒有被排除，同樣地，另一段供電回路的保護(hù)裝置將發(fā)揮作用，徹底地切斷了對(duì)這些回路的供電。在切斷—切換—再切斷的過程中，與雙路供電相關(guān)聯(lián)的兩段就會(huì)經(jīng)歷電壓的瞬態(tài)變化過程，按照船級(jí)社規(guī)范，此開環(huán)電氣系統(tǒng)是不需要做理論仿真以及短路測(cè)試實(shí)驗(yàn)的。但鑒于可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，船級(jí)社仍然要求從理論和實(shí)踐兩個(gè)維度去校驗(yàn)推進(jìn)單元是否可以躲避掉該風(fēng)險(xiǎn)。

在實(shí)施測(cè)試前，電氣系統(tǒng)對(duì)短路故障的保護(hù)跳閘時(shí)間需要估算，從使用的脫扣器的性能出發(fā)，我們很容易得出隔離和切斷這些回路短路故障的時(shí)間在20 ms內(nèi)，因此，我們把故障的恢復(fù)過程時(shí)間控制在大于20 ms的范圍內(nèi)，計(jì)算機(jī)仿真電壓恢復(fù)曲線如圖二所示，結(jié)果表明：發(fā)電機(jī)的電壓在回路出現(xiàn)故障后恢復(fù)到初始電壓的時(shí)間在50ms；變壓器一次側(cè)開關(guān)的繼電保護(hù)裝置能監(jiān)控變壓器的勵(lì)磁涌流的變化，調(diào)整保護(hù)的延時(shí)時(shí)間到5s，以使其不會(huì)在測(cè)試過程中跳閘斷電；推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的VFD盤柜將動(dòng)能緩沖的功能激活，只需將該功能在軟件系統(tǒng)中勾選就可以實(shí)現(xiàn)；690V DP輔機(jī)配電盤的進(jìn)線開關(guān)是空氣短路器，裝有0.2～3.2s延時(shí)時(shí)間可調(diào)的欠壓脫扣器，將其延時(shí)時(shí)間設(shè)置到1s；輔機(jī)設(shè)備是由智能馬達(dá)控制器控制啟停和電機(jī)保護(hù)的，其控制器的控制電源是從外部的230V交流UPS供電，為了保證其在電壓突變降低到接觸器的失壓區(qū)間后，仍然能將接觸器吸合住，在智能控制單元中將監(jiān)控電流反饋的延時(shí)時(shí)間設(shè)置為2 s。

測(cè)試開始前，先校驗(yàn)690 V盤柜在短時(shí)間500ms內(nèi)失電得電過程中輔機(jī)單元的接觸器是否可以保持在吸合狀態(tài)，手動(dòng)操作進(jìn)線開關(guān)的分合閘，發(fā)現(xiàn)輔機(jī)回路的接觸器能始終處于運(yùn)行狀態(tài)，滿足了故障穿越的要求；詳細(xì)的測(cè)試流程如圖三所示：

在電氣系統(tǒng)總單線圖中，從左到右三段中壓盤分別命名為1段、2段和3段中壓柜，在1段上的母聯(lián)開關(guān)被定義為主母聯(lián)開關(guān)，正常運(yùn)行時(shí)需在同步發(fā)電機(jī)之后才能合閘，使1段和2段排同步運(yùn)行，在2段上的母聯(lián)開關(guān)被定義為從母聯(lián)開關(guān)，它是和主母聯(lián)開關(guān)連鎖運(yùn)行的，若從母聯(lián)開關(guān)分閘，則主母聯(lián)開關(guān)也必須分閘。1# DP變壓器是在1段中壓盤上運(yùn)行的，#3和#6推進(jìn)單元也是由1段中壓盤通過推進(jìn)變壓器和VFD盤柜供電的。測(cè)試過程中，中壓段母排的電壓變化過程如圖四所示：

整個(gè)系統(tǒng)電壓恢復(fù)過程小于500 ms，完全能達(dá)到了故障穿越的要求。測(cè)試過程和結(jié)果滿足了船級(jí)社的要求。

4 結(jié)論

本文提出的測(cè)試方法能很好地避免了故障穿越測(cè)試需要模擬短路故障的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際操作性很強(qiáng)，結(jié)合電氣參數(shù)的配置，測(cè)試結(jié)果說明了電氣設(shè)備是可以完成故障穿越的功能，在設(shè)計(jì)工作的初期就可以將該功能的相關(guān)參數(shù)和所需的硬件配置完成，在具體的測(cè)試中去檢驗(yàn)是否滿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

馮超（1980-），男，碩士。研究方向：從事海上電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Email:fengchao1008@163.com