单点系泊系统高压电滑环电流传输单元方案研究

2022-02-22董海防俞力峰陈竟飞

船电技术 2022年2期

关键词：高压电单点接线

熊雪，董海防，俞力峰，陈竟飞

应用研究

单点系泊系统高压电滑环电流传输单元方案研究

熊雪1，董海防1，俞力峰2，陈竟飞2

（1. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064；2. 海通电子科技有限公司，扬州 225101）

本文基于某海上浮式装置单点系泊系统使用两组高压电滑环对外传输35 kV/50 MW电能的功能需求，描述了高压电滑环电流传输单元的组成，研究了电滑环转子和定子的接线方式以及电刷和导电环的结构，并结合工程使用要求，对比了该单点系统高压电滑环与国内油田FPSO单点系泊系统高压电滑环在电流传输单元的设计上的不同。最后，清晰地指出该系泊系统高压电滑环在电流传输单元方案上需要改进的问题。

单点系泊系统高压电滑环 35kV/50MW 电流传输单元

0 引言

单点系泊系统高压电滑环承担着海上油气田电能传输的重要功能，是FPSO与海上油气田平台进行电能旋转输送的核心设备，在高电压大功率的运行条件下，电滑环的电流传输单元是决定电流稳定、可靠传递的关键部件，也直接影响着油田的正常运行[1]。

海上油气田高压电滑环设备实质是一种导电滑环，其工作原理是利用滑环的旋转部件[2]（即“转子”）和固定部件（即“定子”）的相对转动接触实现电流的传输，在结构上主要是通过电刷和导电环的摩擦接触，将刷头的电流传递至导电环上[3]。国内渤海、南海FPSO单点系泊系统中，10.5V及以上电压的电滑环主要应用的油田为渤中25（BZ25）油田、曹妃甸油田（CFD）、秦皇岛32（QHD32）油田、蓬莱19（PL19）油田、恩平油田等，由国外MOOG、ETI等几家滑环公司提供[4]，这些油田的电滑环内部采用了不同的电流传输方案，使得不同油田的电滑环在单点系泊结构上的安装、运行使用情况和故障维修操作等方面存在差异。

某海上浮式装置单点系泊系统设计了一种高压电滑环装置，采用新型电流传输方案，从滑环的转动方式、设备型式、电刷和导电环的接触型式，以及滑环的接线方式等多个方面，将其与现有国内油田使用的电滑环进行对比，实现改进国产高压电滑环方案的目的。

1 电滑环电流传输单元的组成

FPSO单点系泊系统高压电滑环转子端接入船侧电缆，定子端连接固定塔架侧电缆[5]，电滑环的电流传输路径为船侧电缆-转子接线-引入铜排-电刷-导电环-引出铜排-定子接线-塔架侧电缆，包含的元件有转子接线件、引入铜排、电刷、导电环、引出铜排和定子接线件。其中，转子接线件与船侧电缆电气，通常设置单独的接线盒；引入铜排、电刷、导电环和引出铜排均位于电滑环本体内部，在有限的单点结构空间内，这些元件为紧凑型布置；定子接线件与塔架侧电缆电气连接，电缆的去向是海缆接线盒。电刷和导电环是对滑环运行时电能传输产生直接影响的关键部件。

2 电流传输单元的设计方案

某海上浮式装置单点系泊系统高压电滑环技术参数为35kV/600A，采用油浸式，内部设计3个电气环路。其电流传输单元的设计方案包括滑环转动方式、转子接线方式、电刷和导电环、接线端子等内容。

2.1 滑环转动方式

与现有油田电滑环相比，该单点系泊高压电滑环结构由内到外依次为定子-转子-外壳体。最外层的外壳体和中心的定子都为固定部分，在两者之间的转子为转动部分。转子的部件完全浸没在变压器油中。这种类似“搅拌式”的滑环结构，有效地避免了电滑环在运行过程中发生底部漏油的风险。外壳体与电滑环基座固定连接，也增大了电滑环在抵抗因单点结构物传递的振动载荷方面的能力。

2.2 转子接线方式

FPSO单点使用的电滑环通常采用三种转子接线方式，见图1。其中，（1）表示电滑环的转子接线设在底部，（2）表示电滑环的转子接线设在顶部，（3）表示电滑环的转子接线设在侧面。

图1 FPSO单点系泊系统高压电滑环转子接线的类型

某浮式装置单点高压电滑环的转子接线只能设计在电滑环顶部，即图1（2）所示。由于该电滑环的顶部需要考虑转子与外壳体和定子之间的相对转动，故无法设计封闭的转子接线盒，转子的接线完全暴露在空气中。同时该电滑环的顶部对应设计了固定的端盖和旋转的动盖。

2.3 电刷和导电环

国内FPSO单点高压电滑环使用的电刷均为碳刷，一个电气环路上安装1～2个碳刷，碳刷和导电环的接触型式与碳刷的结构密切相关，主要有两种：径向端面的接触和轴向端面的接触（见图2）。

一个碳刷通常包括多个刷块，与导电环为面接触。图2（1）中，导电环对应设计为圆柱体形式，碳刷与其侧表面接触，这种接触方式在国内QHD32油田单点电滑环中使用。图2（2）中，导电环对应设计为圆盘形，碳刷与其圆盘面接触，这种接触方式在国内BZ25油田、CFD11油田和蓬莱19-3油田单点电滑环中都有使用。

图2 电刷与导电环的接触方式

某浮式装置单点高压电滑环的电刷设计为一种新型的触点组件，与导电环为径向点接触，内部设有多个触点、滑动杆和弹簧元件。一个电气环路均匀分布若干个触点组件。触点组件安装在外铜环上。

2.4 接线端子

BZ25油田单点电滑环的接线端子采用电连接器型式，接入接线盒中。这种电连接器型式是海洋工程中应用成熟且广泛的电气连接方式，能有效防止海洋环境下潮气、水分等的侵入。

某浮式装置单点高压电滑环的接线端子采用T型插拔头型式，与转子的高压接线柱对接。这种T型插拔头为可分离式结构，在防爆箱和开关柜中应用较多，能够允许多次插拔操作。

3 电流传输单元的方案对比

某浮式装置单点高压电滑环拟用于对外输送35 kV/50 MW两路高压电力的工程中，处于研发阶段，与现有国内油田单点中服役的电滑环相比，其电流传输单元的设计存在较多不同点，并且要达到工程产品应用的目的，还需要进行多个方面的方案改进。

3.1 滑环的接线方案比较

某浮式装置单点拟采用两个独立的高压电滑环装置，轴向叠加安装，这区别于国内油田单点电滑环将所有电通道设计为一个整体的方式。这种滑环总成是通过两个电滑环的外壳体直接固定连接，再通过基座整体安装在单点结构上。单个高压电滑环的外形尺寸约为Φ2100 mm×2200 mm（外径×高度），滑环总成的整体高度不超过5000 mm。

由于转子位于电滑环的中间部分，两个电滑环安装时需要考虑转子和定子电缆的布置和连接方式，见图3。其中，①表示上部电滑环的接线路线，②表示下部电滑环的接线路线。上部电滑环的定子电缆从两个电滑环中间穿出，再穿入下部电滑环的基座空间内。下部电滑环的转子电缆从上部电滑环的中心孔中穿出，与下部电滑环的转子连接，且不能与上部电滑环的定子电缆发生干涉。

图3 某浮式装置单点电滑环总成的接线方案

与国内油田单点电滑环相比，这种滑环总成的接线方案存在以下不足：

1)上下部电滑环的转子和定子电缆的连接路线复杂，存在电缆干涉的风险；

2)两个电滑环中间部分的电缆连接需要考虑足够大的操作空间和高度空间，这就会使滑环总成的整体高度增大，对有限的单点结构和电滑环的总体设计都造成了更大的难度；

3)在浮式装置绕单点转动运行过程中，两个电滑环的转动驱动机构应与电滑环的转子保持同步，而这种滑环总成方案不利于电滑环的转动驱动设计和实施。

3.2 滑环的转动方案比较

国内油田单点电滑环采用外圈转动，内圈固定的转动方案在采用油浸方式的条件下，国内油田电滑环的监控方案充分，较易实现；该浮式装置单点电滑环设有循环油路装置，在滑环端盖部位的进出油口设置管路压力监测，但是，由于滑环的外壳体相对单点旋转结构是固定的，无法在外壳体上安装油位监控系统，以及氮气吹扫水分控制系统，缺少了电滑环实际运行过程中变压器油的液位、水分的监测，以及对内部水分吹扫清除的功能。

3.3 接触电刷方案的比较

对于电滑环内的同一个环路而言，一个电刷作为一个独立的触点，与引入铜排的电流引入点之间的相对位置固定，但随着电滑环的转动，与引出铜排的电流引出点之间的相对位置不断变化，变化范围是0°～180°，电刷数量和电刷分布方式都会对电流的传输路径产生影响，图4展示了一个电刷和多个电刷的情况。A点的电流时刻保持单一性，电流传输的路径唯一，从B点引出的电流值基本不变。图4（2）中，以一个环路上分布4个电刷为例，A点为电流引入点，F点为电流引出点，A点到B、C、D、E点的电流路径均是固定的，传输的电流大小却有不同：靠近A点的触点电流最大，远离A点的触点电流最小。并且，当电滑环转动时，靠近F点的触点传输的电流增大，远离F点的触点传输的电流减小。A点与F点之间的夹角变化也对这四个电刷传输的电流有直接影响。这种电刷分布式的方案，也对外铜环、内铜环、电刷的连接、水平度和同心度的要求更高，增大了电刷与导电环之间接触不良的风险。

图4 电刷数量和电刷分布方该浮式装置单点

电滑环设计的接触电刷，单个触点理论允许最大电流为10A，同一个环路上各触点组件的电流差异值最大可达3.2A，触点组件的电流变化规律与图4（2）相同，电流传输不稳定性。从2013年起，国内油田单点电滑环基本采用图4（1）所示的接触电刷方案。另一方面，与图4和该浮式装置单点电滑环触点组件对应的电刷固定方案见图5，相应的固定点或定位孔的作用见表1。

图5 三种电刷的固定方式

表1 电刷固定方式的比较

径向端面接触碳刷的固定方式同时保证了水平方向和竖直方向的限位，在电滑环转动运行时，刷块与导电环的接触不易产生间隙。轴向端面接触碳刷缺少竖直方向的限位，当电滑环受到外部驱动传导的较大振动时，会产生轴向抖动，影响刷块与导电环的接触性能。径向点接触的触点组件安装在外铜环上，仅具有挡板上的三个定位孔，无法有效地保证组件主体的水平和竖直方向的限位，在滑环运行过程中受到的振动作用会更大。

3.4 接线端子方案的比较

根据该浮式装置单点电滑环总体结构和图3，该电滑环总成的电缆布置见图6。其中，①、②、③、④表示电缆布置弯曲最大的部位，L1、L2、L3的数值和说明见表2。

图6 某浮式装置单点电滑环总成的电缆布置

表2 影响电缆布置的几个尺寸参数

L2受到上部电滑环中心孔内的水管道、低压/信号线缆布置的影响，且下部电滑环转子电缆从该中心孔内通过时，只能布置在上述管路和线缆的外围。该单点电滑环的电缆采用26/35kV-1c×400 mm2规格的单芯电缆，作业时的最小弯曲半径为915 mm，则①、②、③、④部位的电缆弯曲半径均不得小于915 mm。从表2可知，滑环总成的电缆弯曲部位均未达到最小弯曲半径的要求，如果改进结构，需要扩大两个电滑环的径向尺寸与高度空间，进而导致滑环总成的整体尺寸增大，并且远超出了单点结构对滑环总成物理参数的限定。

国内油田单点电滑环的接线端子处不需要受到类似T型插拔头端部电缆最小弯曲半径的限制，电缆可以沿着单点结构的轴向方向布置，周围空间都是开阔的，滑环的接线方案技术简单，容易实施。

另一方面，如果采用图1（3）中侧面接线的方案，将两个外圈为转子、内圈为定子的电滑环轴向安装，两个滑环的转子接线和定子接线也互不干涉，且与图6相比，电缆及其布置方案简单可行。