直流母排穿舱问题的处理方案

张建平，陈晓宇，唐杰，陆华中

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

某深水铺管船项目，铺管设备采用多传动变频系统，布置在左、右舷电气设备间，系统的公共直流母排穿过A60 & 水密舱壁相连，母排设置直流隔离开关。正常运行时，两侧的母排独立运行，驱动各自母排上的设备；应急情况时，可将舱壁两侧的直流隔离开关合闸，利用单侧的驱动变压器和ISU(IGBT supply unit，IGBT整流单元)实现所有设备的降容运行。驱动电力系统见图1。

图1 驱动电力系统

驱动系统、直流母排和母线槽由铺管设备商供货，母排为普通镀锡裸母排，母线槽为玻璃钢材质、扣板形式。设计团队负责母排穿舱方案的具体设计、穿舱件选型等工作。母排穿舱成为实现驱动系统设计意图的关键。

电缆、管件在海工船舶上的穿舱属于常规做法，有众多知名厂家和成熟产品，可以选择模块式电缆贯舱件(multi-cable transit，MCT)、防火套管、堵料浇注等穿舱方案。但电力母排穿舱属于特殊应用。为此，考虑根据实际情况，分析母排穿舱及母线槽的规范和认证要求，调研市场产品和以往项目的应用情况，从产品认证、设备改造、稳性计算、作业工况、失效模式分析等多方面，分析比较方案的可行性，确定最佳处理方案。

1 规范和标准

IMO的《国际海上人命安全公约》(international convention for safety of life at sea，SOLAS)综合文本2009版对于穿舱问题有明确的要求[1]：如管子、排水管和电缆等通过水密舱壁时，应设有保证该舱壁水密完整性的设施；如贯穿“A”级分隔，该贯穿件应在符合本条4.1.1.5规定的前提下，根据《耐火试验程序规则》(fire protection procedure，FTP)进行试验。

《欧盟的船用设计指令》(marine equipment directive，MED)Directive 2014/90/EU要求：电缆穿舱件必须符合SOLAS要求，并具备MED module B+D 或 B+E 或 B+F证书。

英国劳氏船级社的《船舶入级规范》(2017年7月版)，第6部分/第2章/第11节/11.17[2]对于母线槽系统有专门的描述。相关内容如下。

1)母线及其连接应有防腐蚀/氧化措施，避免接触不良而导致过热。母线及其支座的设计应能承受短路时可能产生的机械应力。需要时应提交测试报告或计算结果以验证母线系统的短路耐受强度。

2)如果裸导体采取了措施防止表面氧化，则额定正常电流下的温升极限不得超过60 ℃，否则允许温升极限不超过45 ℃。如果母线温升高于45 ℃，应确保对与母线相邻和/或连接的设备没有不利影响，并且不超过与母线接触的任何材料的温升极限。需要时，应提交测试报告或计算结果以验证分配给母线系统的额定电流。

3)母线槽系统应具有最低进入防护(ingress protection，IP)等级IP54(根据IEC60529)。

4)母线槽或其系统的内外布置应确保不损害其通过的任何结构的防火和/或水密完整性。

经与现场验船师和船级社审图中心沟通后明确，母排穿舱后的舱壁防火和水密性必须完全符合本项目的《防火区域图》和SOLAS要求；穿舱件的耐火和水密试验证书必须满足FTP、SOLAS、MED要求和船旗国规定。

2 方案分析

针对公约、标准和规范的要求，结合项目实际，设计团队提出了4种处理方案。

2.1 电缆替代母排

首先考虑采用电缆替换母排，从而规避母排穿舱。原项目执行时，船东和驱动系统供应商曾讨论过采用电缆代替母排以便连接左、右舷电气设备间的两部分驱动柜，设备商也确认技术上可行，但需要加装额外的电控柜以容纳直流保险丝、电缆连接件，以及其他辅件，整体成本约增加45万元。增加直流保险丝是由于母排上的直流开关均为隔离开关，开关操作是在电源断开、电容储能释放后进行，无线路保护功能；如果母排改为电缆，必须设置直流保险丝以保护电缆。

将该方案细化为3种具体方式，显然各有局限性。

1)将母排整体改为电缆。前述的整体增加成本基于多传动驱动器尚在设计阶段、未生产的情况下，实际上设备到货后，现场改造费用会更高；考虑改造风险和责任，国内是否有设备商可以承接改造工作也不可知；而且电气设备间空间有限，多传动驱动柜已经无法增加柜体。

2)将穿舱的一段母排改为电缆，左、右电气设备间设置对接箱，用于连接该电缆和驱动柜一侧的母排。这样多传动驱动柜无需作电缆连接件的改造，但按照电缆保护的要求，直流保险丝仍需增加，随之而来的问题是多传动驱动柜需要升级改造。

3)采用防短路电缆。防短路电缆即硅橡胶绝缘电缆，这类电缆由于绝缘材质的特性，长期工作所允许的最高温度、短路时允许的最高温度都高于普通电缆。小电流或者交流系统采用硅绝缘电缆有现实意义，当前系统的额定电流4 000 A以上，短路电流计算值更高，且直流系统的电缆绝缘要求本来就高。适用性需要进行电缆热效应和动效应校验，还要解决电缆的规格选型和船级社证书问题；而且，不设保险丝或开关以保护电缆，本身就和船级社规范的要求相悖。

2.2 更改母排品牌和型号

对各大船厂以往项目的类似应用和相关的母线槽产品展开调研。

招商局重工(江苏)有限公司曾在CMHI182项目上采用配电母排穿过A0舱壁，连接2个舱室的2组配电板，避免了27根3×120 mm2电缆的敷设和MCT穿舱，降低了成本、工艺难度以及工作量。穿舱系统持有DNV GL防火证书(证书号TAF00001BB)。项目采用施耐德母线Type I-LINE/Canalis Series B Busway 800 A to 5 000 A，及火克HK-MG母线槽穿舱系统，申请了实用新型专利(专利授权公告号：CN 210898425 U)。

核查该项目应用情况及防火证书，证书载明须配套使用施耐德特定型号母排槽，可用于A60舱壁穿舱。但有以下局限性。

1)DNV GL防火证书上明确载明“不适用于水密舱壁穿舱”，无法用于铺管船项目。

2)该母线槽型号的电压等级从产品资料看为690 V AC，而直流母排额定电压为973 V DC。

3)存在施耐德母线槽与多传动驱动柜内母排的连接问题。

4)施耐德母线槽的防护等级最多能达到IP66。如果考虑母线槽内封堵以达到水密，则演化为母排的直接封堵和穿舱，就没有必要采用施耐德产品。

鉴于多传动驱动柜原理图和尺寸图中标注母排为“ABB MDY BUSDUCT”。设计团队查阅ABB官网，发现“MDY BUSDUCT”除了母排，还包括母排支撑件、母排护套等。资料截图见图2。

图2 ABB MDY BUSDUCT[3]

资料中对于母排绝缘层和IP等级有专门的说明，产品由无卤绝缘材料挤塑包覆在母排表面，母排可弯曲以方便现场施工，载流能力出色，完全密封时防护等级为IP54，也可提供IP65。对比铺管设备商供货的普通裸母排，ABB MDY BUSDUCT的IP等级满足规范要求，配有完整的支撑件，母排绝缘采用普通电缆相同的挤塑绝缘工艺，更加符合项目所需的母排穿舱应用，但仍然无法避开防火、防水认证和试验。

查阅ABB母线槽手册时，注意到ABB有树脂浇注式的母排产品，MV Busduct系列Type MV-MB，以及LV Busduct系列Type SC-R，可以达到防火、防爆、IP68防护等级，额定电压从1 kV一直到17.5 kV，额定电流最高可到6 000 A，可见还是有类似应用。

2.3 母排穿舱型式认证

母排穿舱的前提是保持舱壁的防火、防水性能，穿舱型式的防火、防水试验和认证必须解决。

本着最大程度利用现有设备和材料，减少已到货的进口多传动驱动柜改造工作量，基于“套管式电缆/管道贯穿密封装置”提出安装型式，见图3。

图3 母排穿舱型式示意

该装置是成熟产品，各家穿舱件厂家均有A60证书和水密测试报告，但均针对电缆或者管道。设计团队按照验船师要求提交了穿舱件的防火证书、水密证书，并计划就此母排穿舱型式进行后续取证工作。

现场验船师对此方案提出3点要求。

1)母排以及穿舱密封装置中所使用的绝缘材料均要有型式证书和特性试验数据，不小于同一电压等级电缆的绝缘性能。

2)母线槽要符合LR规范中相关规定(如IP等级、支撑强度、载流量计算书等)。

3)需要提供穿舱形式认可证书。

这一方案的关键是A60防火试验以及母排绝缘护套、穿舱密封装置中的防火套管等电绝缘性能的验证认证。取证周期较长，相关费用约20万元。

2.4 更改舱壁属性

普通舱壁的母排穿舱不需封堵，左、右舷电气设备间的相邻舱壁是否可以定义为非水密、非防火，这是处理过程中各方都提出的方案和问题。

多传动驱动柜所在的左、右舷电气设备间在当前设计中归类为动力定位(dynamic positioning，DP)分区，同时也是安全返港(safe return to port，SRtP)分区，DP系统、SRtP都以这道中间舱壁为A60及水密分割壁开展设计，进行电缆管路的路径规划及设备布置，见图4。

图4 左右舷电气设备间布置示意

一旦舱壁属性变化，这两个房间在DP和SRtP分析时必须按照一个房间对待，分属不同DP系统的设备、电缆、管路就不能同处一室，会对正在施工的项目造成修改。

经联合各专业、技术顾问团队、失效模式与影响分析(failure mode and effects analysis，FMEA)第三方，就取消舱壁的A60和水密属性进行沟通，梳理具体影响。

1)总体专业认为，铺管船破舱稳性适用于概率破舱，最大破损范围是从舷边穿透船宽(breadth，B)/2，垂向破损范围最大为距基线约23.3 m，左、右舷电气设备间处于破损范围内。若中间舱壁考虑为非水密，对原稳性计算结果产生影响，初步核算仍满足要求，稳性报告需重新送审。

2)内装专业的防火分割图需取消舱壁的防火分割，但现场已完工的绝缘可保留，不作返工。

3)通风专业无需修改。

4)轮机管系专业，移出燃油储存舱1根透气溢流管，或用钢板围蔽并做A60绝缘，形成A60通道。

5)电气专业的电缆路径无需修改。

6)原两个设备间各布置有DP系统的1个网络分配单元(network distribution unit，NDU)，2个NDU不能同时丢失，其中1个需移出，并修改相关电缆。

7)6台中压变压器分2组连至2段发电机主母排，虽未供电给DP设备，但该区域发生火灾或水淹时，可能使主母排多次连续短路，叠加压降时间超过系统设计的压降穿越能力，造成全船失电。

8)2个690 V和440 V配电板虽未供电给DP设备，也应考虑火灾或水淹时的连续短路情况。

2.5 船级社审图中心核查意见

1)更新并重新提交关联图纸和计算分析报告，比如稳性计算、选择性保护分析、设备布置图等。

2)中压变压器开关保护设定值由0.40 s调整为0.15 s，这样即使火灾或水淹时3个变压器无间隔连续短路(3×0.15=0.45 s)，也不会引起发电机(设定值0.80 s)和主母排母联开关(设定值0.6 s)的跳闸，可避免发生开关误动作或主母排全部失电。

3)更新FMEA报告描述，并确定验证步骤，海试时模拟火灾/水淹状况进行演示。

方案从实施可行性上，得到各专业、船级社审图中心、验船师以及船东方的认可。现场工作除了需处理1根透气溢流管、1个NDU需移位，其余均为计算书、图纸、分析报告等工作；母排穿舱可以不考虑舱壁的A60和水密性，无需考虑封堵，到货母排和母线槽得到利用；船级社提出的模拟试验本就属于FMEA试验项，并非额外工作；舱室失火或浸水时设备可能连续短路引起的问题，可调整相应保护开关设定值予以避免，经核实，对下级低压负载的选择性保护也无影响。因此，更改舱壁属性对项目进度和成本影响有限。

2.6 方案比较和选择

把不同方案对应的影响情况见表1。

表1 母排穿舱解决方案对比表

3 结论

综合考虑项目各方意见，最为务实的做法是采用第4种方案：更改舱壁属性。其他方案均存在成本、可行性、进度不可控等风险，而且均会出现即使付出代价，仍可能无法达到预期的情况。