12脈水冷整流裝置整流在DSJ300平臺(tái)上的應(yīng)用

郝婷婷+徐超

摘 要：文章通過對DSJ300鉆井平臺(tái)應(yīng)用12脈水冷整流裝置的介紹，詳細(xì)闡述了變頻傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的原因，12脈整流裝置對3次、5次諧波的抑制，以及12脈水冷整流裝置的優(yōu)點(diǎn)。從而說明DSJ300鉆井平臺(tái)使用西門子12脈水冷整流裝置的必要性。

關(guān)鍵詞：12脈；整流；水冷；諧波

1 概述

DSJ300自升式鉆井平臺(tái)，是我國唯一知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鉆井平臺(tái)，也是首次按照EPC總承包方式自行承建我國第一套300英尺自升式海洋鉆井平臺(tái)。

作為海洋鉆井平臺(tái)核心的鉆井傳動(dòng)系統(tǒng)采用目前世界最先進(jìn)的西門子S120水冷變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻器能在很寬范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以根據(jù)需要自由設(shè)定加減速時(shí)間；良好的低速力矩特性使電機(jī)在起動(dòng)和加速時(shí)可獲得足夠大且平滑的加速度；制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻的接入使電機(jī)在減速和停車時(shí)能夠獲得足夠的制動(dòng)力矩。變頻器的上述特性保證了變頻調(diào)速系統(tǒng)具有很好的速度響應(yīng)性能。因此近年來交流變頻系統(tǒng)越來越多的應(yīng)用在海洋鉆井平臺(tái)中。但是，同時(shí)由于變頻系統(tǒng)中功率原件的使用也給變頻調(diào)速系統(tǒng)帶來諧波干擾大、設(shè)備發(fā)熱量高等問題。

2 DSJ300平臺(tái)應(yīng)用12脈水冷整流裝置的原因

DSJ300平臺(tái)的鉆井電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，采用最先進(jìn)的西門子水冷S120變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，2套（4臺(tái)）12脈整流裝置給給4臺(tái)1200kW絞車變頻裝置、6臺(tái)1200kW泥漿泵變頻裝置、1臺(tái)1000kW轉(zhuǎn)盤變頻電機(jī)及1臺(tái)1200kW頂驅(qū)變頻裝置提供動(dòng)力電源。由于在變頻器中由于大量使用了晶閘管、IGBT等非線性電力電子器件，交流變頻裝置從平臺(tái)電網(wǎng)中吸取能量的方式不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動(dòng)的方式從平臺(tái)電網(wǎng)中索取電流。這種脈動(dòng)電流和平臺(tái)供電系統(tǒng)的阻抗共同形成的脈動(dòng)電壓疊加的平臺(tái)供電系統(tǒng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變。而這種使電壓發(fā)生畸變的非周期正弦脈動(dòng)電流是由頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波構(gòu)成。

諧波的危害十分嚴(yán)重。諧波使鉆井平臺(tái)電源的傳輸和利用效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起平臺(tái)電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對于平臺(tái)電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。諧波對鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個(gè)方面：

（1）由于諧波不經(jīng)治理是無法自然消除的，因此大量諧波電壓電流在鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)中中游蕩并積累疊加導(dǎo)致線路損耗增加、電力設(shè)備過熱，從而加大了鉆井平臺(tái)作業(yè)運(yùn)行成本。

（2）諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更尖，不僅導(dǎo)致變壓器、電容器等電氣設(shè)備的磁滯及渦流損耗增加，而且使絕緣材料承受的電應(yīng)力增大。諧波電流能使變壓器的銅耗增加，所以變壓器在嚴(yán)重的諧波負(fù)荷下將產(chǎn)生局部過熱，噪聲增大，從而加速絕緣老化，大大縮短了變壓器、電動(dòng)機(jī)的使用壽命，降低供電可靠性，極有可能在生產(chǎn)過程中造成斷電的嚴(yán)重后果。

（3）鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)中含有大量的諧波源（變頻整流設(shè)備）以及電力電容器、變壓器、電纜、變頻電動(dòng)機(jī)等負(fù)荷，這些電氣設(shè)備處于經(jīng)常的變動(dòng)之中，極易構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)的諧振條件。當(dāng)平臺(tái)電力系統(tǒng)參數(shù)配合不利時(shí)，在一定的頻率下，形成諧波振蕩，產(chǎn)生過電壓或過電流，危及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

（4）對柴油發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)，由于諧波電流或諧波電壓在定子繞組、轉(zhuǎn)子回路及鐵芯中產(chǎn)生附加損耗，從而降低發(fā)輸電及用電設(shè)備的效率，更為嚴(yán)重的是諧波振蕩容易使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生震蕩力矩，可能引起機(jī)械共振，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。

（5）由于諧波的大量存在，易使鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的各類保護(hù)及自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，造成設(shè)備停電等惡性事故。

同時(shí)，電網(wǎng)諧波將使測量儀表、計(jì)量裝置產(chǎn)生誤差，達(dá)不到正確指示及計(jì)量（計(jì)量儀表的誤差主要反映在電能表上）。斷路器開斷諧波含量較高的電流時(shí)，斷路器的分?jǐn)嗄芰⒋蟠蠼档停斐呻娀≈厝?，發(fā)生短路。

同時(shí)，在大功率的整流、逆變單元工作過程中會(huì)發(fā)出大量的熱量。如不能及時(shí)將熱量散發(fā)出去將會(huì)導(dǎo)致整流、逆變裝置由于高溫而產(chǎn)生故障，設(shè)備無法正常工作。

因此，在考慮到DSJ300鉆井平臺(tái)作業(yè)的特殊性，設(shè)備運(yùn)行的可靠性的要求下，保證鉆井平臺(tái)系統(tǒng)中鉆井系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，生活區(qū)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，以及平臺(tái)通訊系統(tǒng)的可靠性的基礎(chǔ)上，最大程度的保證整個(gè)鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)的安全、可靠的運(yùn)行。在鉆井平臺(tái)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中對于大功率的鉆井變頻設(shè)備進(jìn)行了完整的諧波分析，發(fā)熱量分析。最后確定使用12脈水冷整流技術(shù)來有效的降低鉆井平臺(tái)電控系統(tǒng)中的諧波含量。

3 DSJ300平臺(tái)十二脈水冷整流技術(shù)的應(yīng)用

3.1 DSJ300鉆井平臺(tái)12脈水冷整流裝置應(yīng)用

與傳統(tǒng)6脈整流相比，12脈整流電路，是在6脈整流電路基礎(chǔ)上，在輸入端增加移相變壓器后在增加1臺(tái)6脈整流裝置。直流母線產(chǎn)生的電壓由12個(gè)功率原件整流完成。

由圖1可以看到，實(shí)現(xiàn)12脈整流需要兩個(gè)整流橋，每個(gè)整流橋輸入電壓相位相差30°因此兩個(gè)整流橋的網(wǎng)側(cè)電流傅里葉級數(shù)展開式為：

注：其中公式（2）為網(wǎng)側(cè)線電壓超前30°的電流傅里葉級數(shù)展開式。

固合成的網(wǎng)側(cè)電流展開式為：

由此可見，兩個(gè)整流單元的5、7、17、19次諧波相互抵消，反饋到鉆井平臺(tái)電網(wǎng)中的諧波含量僅為12k±1（k為常數(shù)）次諧波，即11、13、23、25、35、37等次諧波。諧波含量大幅降低。

基于此，在DSJ300-1鉆井平臺(tái)項(xiàng)目中，為了實(shí)現(xiàn)有效降低變頻系統(tǒng)反饋到鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)中的諧波含量，我們采用兩臺(tái)3500KVA移相變壓器給VFD系統(tǒng)的兩段公共直流母排供電。3500KVA移相變壓器主要參數(shù)如表1。

在每段公共直流母排側(cè)提供兩套完整6脈整流裝置，兩套裝置同時(shí)閉合，給該段公共直流母排提供12脈930V直流電源，保證VFD系統(tǒng)的直流母線供電。整流裝置主要技術(shù)參數(shù)如表2。

由表1、表2對比可以看出，兩臺(tái)3500KVA移相變壓器滿足DSJ300鉆井平臺(tái)鉆井傳動(dòng)系統(tǒng)的供電要求。

通過3500KVA移相變壓器兩個(gè)副邊繞組分別給同一段直流母線上的兩臺(tái)6脈整流單元供電，通過30°相位差的變壓器副邊繞組供電形成了12脈整流。將副邊的690V交流電壓整流成930V直流電壓，輸出到公共直流母排上。

整個(gè)AC-DC-AC變頻傳動(dòng)系統(tǒng)均由大功率電子元器件構(gòu)成，在變頻器運(yùn)行過程中將產(chǎn)生大量的熱能，熱量通過冷卻效率達(dá)98%的水冷散熱裝置內(nèi)循環(huán)帶走，并通過與海水的熱交換將變頻系統(tǒng)的熱量帶走排入海中。

3.2 DSJ300平臺(tái)12脈水冷整流裝置的優(yōu)點(diǎn)

DSJ300鉆井平臺(tái)，采用先進(jìn)的12脈水冷整流裝置，其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）諧波含量：通過12脈整流，有效的將交流側(cè)的5次、7次諧波的電壓畸變率降低到3%以下，極大的減少了DSJ300-1鉆井平臺(tái)電氣系統(tǒng)中的諧波含量。

（2）鉆井控制系統(tǒng)可靠性：由于12脈整流的諧波含量的大幅下降，對鉆井控制系統(tǒng)（PLC系統(tǒng)）的遠(yuǎn)程從站的信號傳輸?shù)母蓴_大幅降低，增加了鉆井系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

（3）冷卻效率：水冷卻系統(tǒng)高達(dá)98%的冷卻效率，完全節(jié)省了空冷系統(tǒng)需要專門配備的強(qiáng)制冷卻空調(diào)系統(tǒng)，只需要用船用冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻就可以完全滿足整個(gè)水冷VFD系統(tǒng)的冷卻要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，在自升式鉆井平臺(tái)DSJ300平臺(tái)的電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，充分考慮到平臺(tái)用電氣系統(tǒng)的特殊性及可靠性要求，采用國際最先進(jìn)的12脈水冷整流技術(shù)，在此技術(shù)基礎(chǔ)上，最大程度的減少了DSJ300鉆井平臺(tái)電氣系統(tǒng)的諧波含量，提高了鉆井平臺(tái)上所有用電設(shè)備的可靠性和安全性，有效的保證了設(shè)備的調(diào)試、驗(yàn)收工作。