單點(diǎn)系泊系統(tǒng)高壓電滑環(huán)電流傳輸單元方案研究

熊 雪，董海防，俞力峰，陳竟飛

應(yīng)用研究

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)高壓電滑環(huán)電流傳輸單元方案研究

熊 雪1，董海防1，俞力峰2，陳竟飛2

（1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064；2. 海通電子科技有限公司，揚(yáng)州 225101）

本文基于某海上浮式裝置單點(diǎn)系泊系統(tǒng)使用兩組高壓電滑環(huán)對(duì)外傳輸35 kV/50 MW電能的功能需求，描述了高壓電滑環(huán)電流傳輸單元的組成，研究了電滑環(huán)轉(zhuǎn)子和定子的接線方式以及電刷和導(dǎo)電環(huán)的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合工程使用要求，對(duì)比了該單點(diǎn)系統(tǒng)高壓電滑環(huán)與國(guó)內(nèi)油田FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)高壓電滑環(huán)在電流傳輸單元的設(shè)計(jì)上的不同。最后，清晰地指出該系泊系統(tǒng)高壓電滑環(huán)在電流傳輸單元方案上需要改進(jìn)的問(wèn)題。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng) 高壓電滑環(huán) 35kV/50MW 電流傳輸單元

0 引言

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)高壓電滑環(huán)承擔(dān)著海上油氣田電能傳輸?shù)闹匾δ埽荈PSO與海上油氣田平臺(tái)進(jìn)行電能旋轉(zhuǎn)輸送的核心設(shè)備，在高電壓大功率的運(yùn)行條件下，電滑環(huán)的電流傳輸單元是決定電流穩(wěn)定、可靠傳遞的關(guān)鍵部件，也直接影響著油田的正常運(yùn)行[1]。

海上油氣田高壓電滑環(huán)設(shè)備實(shí)質(zhì)是一種導(dǎo)電滑環(huán)，其工作原理是利用滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)部件[2]（即“轉(zhuǎn)子”）和固定部件（即“定子”）的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)接觸實(shí)現(xiàn)電流的傳輸，在結(jié)構(gòu)上主要是通過(guò)電刷和導(dǎo)電環(huán)的摩擦接觸，將刷頭的電流傳遞至導(dǎo)電環(huán)上[3]。國(guó)內(nèi)渤海、南海FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中，10.5V及以上電壓的電滑環(huán)主要應(yīng)用的油田為渤中25（BZ25）油田、曹妃甸油田（CFD）、秦皇島32（QHD32）油田、蓬萊19（PL19）油田、恩平油田等，由國(guó)外MOOG、ETI等幾家滑環(huán)公司提供[4]，這些油田的電滑環(huán)內(nèi)部采用了不同的電流傳輸方案，使得不同油田的電滑環(huán)在單點(diǎn)系泊結(jié)構(gòu)上的安裝、運(yùn)行使用情況和故障維修操作等方面存在差異。

某海上浮式裝置單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種高壓電滑環(huán)裝置，采用新型電流傳輸方案，從滑環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式、設(shè)備型式、電刷和導(dǎo)電環(huán)的接觸型式，以及滑環(huán)的接線方式等多個(gè)方面，將其與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)油田使用的電滑環(huán)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)國(guó)產(chǎn)高壓電滑環(huán)方案的目的。

1 電滑環(huán)電流傳輸單元的組成

FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)高壓電滑環(huán)轉(zhuǎn)子端接入船側(cè)電纜，定子端連接固定塔架側(cè)電纜[5]，電滑環(huán)的電流傳輸路徑為船側(cè)電纜-轉(zhuǎn)子接線-引入銅排-電刷-導(dǎo)電環(huán)-引出銅排-定子接線-塔架側(cè)電纜，包含的元件有轉(zhuǎn)子接線件、引入銅排、電刷、導(dǎo)電環(huán)、引出銅排和定子接線件。其中，轉(zhuǎn)子接線件與船側(cè)電纜電氣，通常設(shè)置單獨(dú)的接線盒；引入銅排、電刷、導(dǎo)電環(huán)和引出銅排均位于電滑環(huán)本體內(nèi)部，在有限的單點(diǎn)結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，這些元件為緊湊型布置；定子接線件與塔架側(cè)電纜電氣連接，電纜的去向是海纜接線盒。電刷和導(dǎo)電環(huán)是對(duì)滑環(huán)運(yùn)行時(shí)電能傳輸產(chǎn)生直接影響的關(guān)鍵部件。

2 電流傳輸單元的設(shè)計(jì)方案

某海上浮式裝置單點(diǎn)系泊系統(tǒng)高壓電滑環(huán)技術(shù)參數(shù)為35kV/600A，采用油浸式，內(nèi)部設(shè)計(jì)3個(gè)電氣環(huán)路。其電流傳輸單元的設(shè)計(jì)方案包括滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)方式、轉(zhuǎn)子接線方式、電刷和導(dǎo)電環(huán)、接線端子等內(nèi)容。

2.1 滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)方式

與現(xiàn)有油田電滑環(huán)相比，該單點(diǎn)系泊高壓電滑環(huán)結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外依次為定子-轉(zhuǎn)子-外殼體。最外層的外殼體和中心的定子都為固定部分，在兩者之間的轉(zhuǎn)子為轉(zhuǎn)動(dòng)部分。轉(zhuǎn)子的部件完全浸沒(méi)在變壓器油中。這種類似“攪拌式”的滑環(huán)結(jié)構(gòu)，有效地避免了電滑環(huán)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生底部漏油的風(fēng)險(xiǎn)。外殼體與電滑環(huán)基座固定連接，也增大了電滑環(huán)在抵抗因單點(diǎn)結(jié)構(gòu)物傳遞的振動(dòng)載荷方面的能力。

2.2 轉(zhuǎn)子接線方式

FPSO單點(diǎn)使用的電滑環(huán)通常采用三種轉(zhuǎn)子接線方式，見(jiàn)圖1。其中，（1）表示電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子接線設(shè)在底部，（2）表示電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子接線設(shè)在頂部，（3）表示電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子接線設(shè)在側(cè)面。

圖1 FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)高壓電滑環(huán)轉(zhuǎn)子接線的類型

某浮式裝置單點(diǎn)高壓電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子接線只能設(shè)計(jì)在電滑環(huán)頂部，即圖1（2）所示。由于該電滑環(huán)的頂部需要考慮轉(zhuǎn)子與外殼體和定子之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，故無(wú)法設(shè)計(jì)封閉的轉(zhuǎn)子接線盒，轉(zhuǎn)子的接線完全暴露在空氣中。同時(shí)該電滑環(huán)的頂部對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)了固定的端蓋和旋轉(zhuǎn)的動(dòng)蓋。

2.3 電刷和導(dǎo)電環(huán)

國(guó)內(nèi)FPSO單點(diǎn)高壓電滑環(huán)使用的電刷均為碳刷，一個(gè)電氣環(huán)路上安裝1～2個(gè)碳刷，碳刷和導(dǎo)電環(huán)的接觸型式與碳刷的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，主要有兩種：徑向端面的接觸和軸向端面的接觸（見(jiàn)圖2）。

一個(gè)碳刷通常包括多個(gè)刷塊，與導(dǎo)電環(huán)為面接觸。圖2（1）中，導(dǎo)電環(huán)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)為圓柱體形式，碳刷與其側(cè)表面接觸，這種接觸方式在國(guó)內(nèi)QHD32油田單點(diǎn)電滑環(huán)中使用。圖2（2）中，導(dǎo)電環(huán)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)為圓盤形，碳刷與其圓盤面接觸，這種接觸方式在國(guó)內(nèi)BZ25油田、CFD11油田和蓬萊19-3油田單點(diǎn)電滑環(huán)中都有使用。

圖2 電刷與導(dǎo)電環(huán)的接觸方式

某浮式裝置單點(diǎn)高壓電滑環(huán)的電刷設(shè)計(jì)為一種新型的觸點(diǎn)組件，與導(dǎo)電環(huán)為徑向點(diǎn)接觸，內(nèi)部設(shè)有多個(gè)觸點(diǎn)、滑動(dòng)桿和彈簧元件。一個(gè)電氣環(huán)路均勻分布若干個(gè)觸點(diǎn)組件。觸點(diǎn)組件安裝在外銅環(huán)上。

2.4 接線端子

BZ25油田單點(diǎn)電滑環(huán)的接線端子采用電連接器型式，接入接線盒中。這種電連接器型式是海洋工程中應(yīng)用成熟且廣泛的電氣連接方式，能有效防止海洋環(huán)境下潮氣、水分等的侵入。

某浮式裝置單點(diǎn)高壓電滑環(huán)的接線端子采用T型插拔頭型式，與轉(zhuǎn)子的高壓接線柱對(duì)接。這種T型插拔頭為可分離式結(jié)構(gòu)，在防爆箱和開(kāi)關(guān)柜中應(yīng)用較多，能夠允許多次插拔操作。

3 電流傳輸單元的方案對(duì)比

某浮式裝置單點(diǎn)高壓電滑環(huán)擬用于對(duì)外輸送35 kV/50 MW兩路高壓電力的工程中，處于研發(fā)階段，與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)油田單點(diǎn)中服役的電滑環(huán)相比，其電流傳輸單元的設(shè)計(jì)存在較多不同點(diǎn)，并且要達(dá)到工程產(chǎn)品應(yīng)用的目的，還需要進(jìn)行多個(gè)方面的方案改進(jìn)。

3.1 滑環(huán)的接線方案比較

某浮式裝置單點(diǎn)擬采用兩個(gè)獨(dú)立的高壓電滑環(huán)裝置，軸向疊加安裝，這區(qū)別于國(guó)內(nèi)油田單點(diǎn)電滑環(huán)將所有電通道設(shè)計(jì)為一個(gè)整體的方式。這種滑環(huán)總成是通過(guò)兩個(gè)電滑環(huán)的外殼體直接固定連接，再通過(guò)基座整體安裝在單點(diǎn)結(jié)構(gòu)上。單個(gè)高壓電滑環(huán)的外形尺寸約為Φ2100 mm×2200 mm（外徑×高度），滑環(huán)總成的整體高度不超過(guò)5000 mm。

由于轉(zhuǎn)子位于電滑環(huán)的中間部分，兩個(gè)電滑環(huán)安裝時(shí)需要考慮轉(zhuǎn)子和定子電纜的布置和連接方式，見(jiàn)圖3。其中，①表示上部電滑環(huán)的接線路線，②表示下部電滑環(huán)的接線路線。上部電滑環(huán)的定子電纜從兩個(gè)電滑環(huán)中間穿出，再穿入下部電滑環(huán)的基座空間內(nèi)。下部電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子電纜從上部電滑環(huán)的中心孔中穿出，與下部電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子連接，且不能與上部電滑環(huán)的定子電纜發(fā)生干涉。

圖3 某浮式裝置單點(diǎn)電滑環(huán)總成的接線方案

與國(guó)內(nèi)油田單點(diǎn)電滑環(huán)相比，這種滑環(huán)總成的接線方案存在以下不足：

1)上下部電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子和定子電纜的連接路線復(fù)雜，存在電纜干涉的風(fēng)險(xiǎn)；

2)兩個(gè)電滑環(huán)中間部分的電纜連接需要考慮足夠大的操作空間和高度空間，這就會(huì)使滑環(huán)總成的整體高度增大，對(duì)有限的單點(diǎn)結(jié)構(gòu)和電滑環(huán)的總體設(shè)計(jì)都造成了更大的難度；

3)在浮式裝置繞單點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，兩個(gè)電滑環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)與電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子保持同步，而這種滑環(huán)總成方案不利于電滑環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和實(shí)施。

3.2 滑環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方案比較

國(guó)內(nèi)油田單點(diǎn)電滑環(huán)采用外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)圈固定的轉(zhuǎn)動(dòng)方案在采用油浸方式的條件下，國(guó)內(nèi)油田電滑環(huán)的監(jiān)控方案充分，較易實(shí)現(xiàn)；該浮式裝置單點(diǎn)電滑環(huán)設(shè)有循環(huán)油路裝置，在滑環(huán)端蓋部位的進(jìn)出油口設(shè)置管路壓力監(jiān)測(cè)，但是，由于滑環(huán)的外殼體相對(duì)單點(diǎn)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是固定的，無(wú)法在外殼體上安裝油位監(jiān)控系統(tǒng)，以及氮?dú)獯祾咚挚刂葡到y(tǒng)，缺少了電滑環(huán)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中變壓器油的液位、水分的監(jiān)測(cè)，以及對(duì)內(nèi)部水分吹掃清除的功能。

3.3 接觸電刷方案的比較

對(duì)于電滑環(huán)內(nèi)的同一個(gè)環(huán)路而言，一個(gè)電刷作為一個(gè)獨(dú)立的觸點(diǎn)，與引入銅排的電流引入點(diǎn)之間的相對(duì)位置固定，但隨著電滑環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，與引出銅排的電流引出點(diǎn)之間的相對(duì)位置不斷變化，變化范圍是0°～180°，電刷數(shù)量和電刷分布方式都會(huì)對(duì)電流的傳輸路徑產(chǎn)生影響，圖4展示了一個(gè)電刷和多個(gè)電刷的情況。A點(diǎn)的電流時(shí)刻保持單一性，電流傳輸?shù)穆窂轿ㄒ?，從B點(diǎn)引出的電流值基本不變。圖4（2）中，以一個(gè)環(huán)路上分布4個(gè)電刷為例，A點(diǎn)為電流引入點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為電流引出點(diǎn)，A點(diǎn)到B、C、D、E點(diǎn)的電流路徑均是固定的，傳輸?shù)碾娏鞔笮s有不同：靠近A點(diǎn)的觸點(diǎn)電流最大，遠(yuǎn)離A點(diǎn)的觸點(diǎn)電流最小。并且，當(dāng)電滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，靠近F點(diǎn)的觸點(diǎn)傳輸?shù)碾娏髟龃?，遠(yuǎn)離F點(diǎn)的觸點(diǎn)傳輸?shù)碾娏鳒p小。A點(diǎn)與F點(diǎn)之間的夾角變化也對(duì)這四個(gè)電刷傳輸?shù)碾娏饔兄苯佑绊?。這種電刷分布式的方案，也對(duì)外銅環(huán)、內(nèi)銅環(huán)、電刷的連接、水平度和同心度的要求更高，增大了電刷與導(dǎo)電環(huán)之間接觸不良的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 電刷數(shù)量和電刷分布方該浮式裝置單點(diǎn)

電滑環(huán)設(shè)計(jì)的接觸電刷，單個(gè)觸點(diǎn)理論允許最大電流為10A，同一個(gè)環(huán)路上各觸點(diǎn)組件的電流差異值最大可達(dá)3.2A，觸點(diǎn)組件的電流變化規(guī)律與圖4（2）相同，電流傳輸不穩(wěn)定性。從2013年起，國(guó)內(nèi)油田單點(diǎn)電滑環(huán)基本采用圖4（1）所示的接觸電刷方案。另一方面，與圖4和該浮式裝置單點(diǎn)電滑環(huán)觸點(diǎn)組件對(duì)應(yīng)的電刷固定方案見(jiàn)圖5，相應(yīng)的固定點(diǎn)或定位孔的作用見(jiàn)表1。

圖5 三種電刷的固定方式

表1 電刷固定方式的比較

徑向端面接觸碳刷的固定方式同時(shí)保證了水平方向和豎直方向的限位，在電滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，刷塊與導(dǎo)電環(huán)的接觸不易產(chǎn)生間隙。軸向端面接觸碳刷缺少豎直方向的限位，當(dāng)電滑環(huán)受到外部驅(qū)動(dòng)傳導(dǎo)的較大振動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生軸向抖動(dòng)，影響刷塊與導(dǎo)電環(huán)的接觸性能。徑向點(diǎn)接觸的觸點(diǎn)組件安裝在外銅環(huán)上，僅具有擋板上的三個(gè)定位孔，無(wú)法有效地保證組件主體的水平和豎直方向的限位，在滑環(huán)運(yùn)行過(guò)程中受到的振動(dòng)作用會(huì)更大。

3.4 接線端子方案的比較

根據(jù)該浮式裝置單點(diǎn)電滑環(huán)總體結(jié)構(gòu)和圖3，該電滑環(huán)總成的電纜布置見(jiàn)圖6。其中，①、②、③、④表示電纜布置彎曲最大的部位，L1、L2、L3的數(shù)值和說(shuō)明見(jiàn)表2。

圖6 某浮式裝置單點(diǎn)電滑環(huán)總成的電纜布置

表2 影響電纜布置的幾個(gè)尺寸參數(shù)

L2受到上部電滑環(huán)中心孔內(nèi)的水管道、低壓/信號(hào)線纜布置的影響，且下部電滑環(huán)轉(zhuǎn)子電纜從該中心孔內(nèi)通過(guò)時(shí)，只能布置在上述管路和線纜的外圍。該單點(diǎn)電滑環(huán)的電纜采用26/35kV-1c×400 mm2規(guī)格的單芯電纜，作業(yè)時(shí)的最小彎曲半徑為915 mm，則①、②、③、④部位的電纜彎曲半徑均不得小于915 mm。從表2可知，滑環(huán)總成的電纜彎曲部位均未達(dá)到最小彎曲半徑的要求，如果改進(jìn)結(jié)構(gòu)，需要擴(kuò)大兩個(gè)電滑環(huán)的徑向尺寸與高度空間，進(jìn)而導(dǎo)致滑環(huán)總成的整體尺寸增大，并且遠(yuǎn)超出了單點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)滑環(huán)總成物理參數(shù)的限定。

國(guó)內(nèi)油田單點(diǎn)電滑環(huán)的接線端子處不需要受到類似T型插拔頭端部電纜最小彎曲半徑的限制，電纜可以沿著單點(diǎn)結(jié)構(gòu)的軸向方向布置，周圍空間都是開(kāi)闊的，滑環(huán)的接線方案技術(shù)簡(jiǎn)單，容易實(shí)施。

另一方面，如果采用圖1（3）中側(cè)面接線的方案，將兩個(gè)外圈為轉(zhuǎn)子、內(nèi)圈為定子的電滑環(huán)軸向安裝，兩個(gè)滑環(huán)的轉(zhuǎn)子接線和定子接線也互不干涉，且與圖6相比，電纜及其布置方案簡(jiǎn)單可行。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）某海上浮式裝置單點(diǎn)高壓電滑環(huán)采用“攪拌式”的轉(zhuǎn)動(dòng)方式，雖然能夠防止滑環(huán)底部的油泄漏，提高電滑環(huán)在使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但與國(guó)內(nèi)油田單點(diǎn)電滑環(huán)采用外圈轉(zhuǎn)動(dòng)、內(nèi)圈固定的轉(zhuǎn)動(dòng)方式相比，在設(shè)置油位監(jiān)控、內(nèi)部水分吹除等監(jiān)控措施上的難度大，油品的質(zhì)量無(wú)法得到保證；

2）該單點(diǎn)電滑環(huán)總成的接線方案復(fù)雜，存在轉(zhuǎn)子與定子接線干涉、連接與拆卸等操作困難的問(wèn)題；

3）該單點(diǎn)電滑環(huán)與導(dǎo)電環(huán)之間為點(diǎn)接觸，一個(gè)電氣環(huán)路上均勻分布多個(gè)觸點(diǎn)組件，在電滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，存在各觸點(diǎn)電流分布不均的現(xiàn)象；并且，與國(guó)內(nèi)油田單點(diǎn)電滑環(huán)相比，該觸點(diǎn)組件的固定方式缺少水平和豎直方向的限位，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，使觸點(diǎn)與導(dǎo)電環(huán)之間產(chǎn)生間隙；

4）該單點(diǎn)電滑環(huán)T型插拔頭端部的電纜彎曲達(dá)不到最小彎曲半徑的要求，與國(guó)內(nèi)油田單點(diǎn)電滑環(huán)相比，電纜的布置受到自身和單點(diǎn)結(jié)構(gòu)的限制，且電纜的連接操作比較困難；雖然T型插拔頭的接線方案能夠用于電滑環(huán)的原理性驗(yàn)證，但是要實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的目的，還需做一定的改進(jìn)。

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Search on the scheme of high-voltage power slip ring current transmission unit in single-point mooring system

Xiong Xue1, Dong Haifang1, Yu Lifeng2, Chen Jingfei2

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; Haitong Electronic Technology Co., Ltd, Yangzhou 225101, Jiangsu, China)

P75

A

1003-4862(2022)02-0035-05

2021-03-30

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃海洋核動(dòng)力平臺(tái)技術(shù)研制及示范應(yīng)用（2017YFC0307800）

熊雪（1988-）女，工程師。主要研究方向：海洋工程電氣技術(shù)、海洋平臺(tái)輸配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail: BARRY_xue@163.com。

董海防（1978-），男，高級(jí)工程師。主要研究方向：海上艦船技術(shù)、海洋工程。