12脉水冷整流装置整流在DSJ300平台上的应用

郝婷婷+徐超

摘 要：文章通过对DSJ300钻井平台应用12脉水冷整流装置的介绍，详细阐述了变频传动系统产生谐波的原因，12脉整流装置对3次、5次谐波的抑制，以及12脉水冷整流装置的优点。从而说明DSJ300钻井平台使用西门子12脉水冷整流装置的必要性。

关键词：12脉；整流；水冷；谐波

1 概述

DSJ300自升式钻井平台，是我国唯一知识产权的钻井平台，也是首次按照EPC总承包方式自行承建我国第一套300英尺自升式海洋钻井平台。

作为海洋钻井平台核心的钻井传动系统采用目前世界最先进的西门子S120水冷变频调速系统。变频器能在很宽范围内的无级调速，可以根据需要自由设定加减速时间；良好的低速力矩特性使电机在起动和加速时可获得足够大且平滑的加速度；制动单元及制动电阻的接入使电机在减速和停车时能够获得足够的制动力矩。变频器的上述特性保证了变频调速系统具有很好的速度响应性能。因此近年来交流变频系统越来越多的应用在海洋钻井平台中。但是，同时由于变频系统中功率原件的使用也给变频调速系统带来谐波干扰大、设备发热量高等问题。

2 DSJ300平台应用12脉水冷整流装置的原因

DSJ300平台的钻井电机传动系统，采用最先进的西门子水冷S120变频传动系统，2套（4台）12脉整流装置给给4台1200kW绞车变频装置、6台1200kW泥浆泵变频装置、1台1000kW转盘变频电机及1台1200kW顶驱变频装置提供动力电源。由于在变频器中由于大量使用了晶闸管、IGBT等非线性电力电子器件，交流变频装置从平台电网中吸取能量的方式不是连续的正弦波，而是以脉动的方式从平台电网中索取电流。这种脉动电流和平台供电系统的阻抗共同形成的脈动电压叠加的平台供电系统的电压上，使电压发生畸变。而这种使电压发生畸变的非周期正弦脉动电流是由频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波构成。

谐波的危害十分严重。谐波使钻井平台电源的传输和利用效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起平台电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于平台电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波对钻井平台电力系统和其他系统的危害大致有以下几个方面：

（1）由于谐波不经治理是无法自然消除的，因此大量谐波电压电流在钻井平台电力系统中中游荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热，从而加大了钻井平台作业运行成本。

（2）谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖，不仅导致变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加，而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加，所以变压器在严重的谐波负荷下将产生局部过热，噪声增大，从而加速绝缘老化，大大缩短了变压器、电动机的使用寿命，降低供电可靠性，极有可能在生产过程中造成断电的严重后果。

（3）钻井平台电力系统中含有大量的谐波源（变频整流设备）以及电力电容器、变压器、电缆、变频电动机等负荷，这些电气设备处于经常的变动之中，极易构成串联或并联的谐振条件。当平台电力系统参数配合不利时，在一定的频率下，形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电力系统的安全运行。

（4）对柴油发电机、电动机，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗，从而降低发输电及用电设备的效率，更为严重的是谐波振荡容易使发电机产生震荡力矩，可能引起机械共振，导致设备无法正常工作。

（5）由于谐波的大量存在，易使钻井平台电力系统的各类保护及自动装置产生误动或拒动，造成设备停电等恶性事故。

同时，电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差，达不到正确指示及计量（计量仪表的误差主要反映在电能表上）。断路器开断谐波含量较高的电流时，断路器的分断能力将大大降低，造成电弧重燃，发生短路。

同时，在大功率的整流、逆变单元工作过程中会发出大量的热量。如不能及时将热量散发出去将会导致整流、逆变装置由于高温而产生故障，设备无法正常工作。

因此，在考虑到DSJ300钻井平台作业的特殊性，设备运行的可靠性的要求下，保证钻井平台系统中钻井系统运转的可靠性，生活区电力系统的安全稳定性，以及平台通讯系统的可靠性的基础上，最大程度的保证整个钻井平台电力系统的安全、可靠的运行。在钻井平台电气系统的设计过程中对于大功率的钻井变频设备进行了完整的谐波分析，发热量分析。最后确定使用12脉水冷整流技术来有效的降低钻井平台电控系统中的谐波含量。

3 DSJ300平台十二脉水冷整流技术的应用

3.1 DSJ300钻井平台12脉水冷整流装置应用

与传统6脉整流相比，12脉整流电路，是在6脉整流电路基础上，在输入端增加移相变压器后在增加1台6脉整流装置。直流母线产生的电压由12个功率原件整流完成。

由图1可以看到，实现12脉整流需要两个整流桥，每个整流桥输入电压相位相差30°因此两个整流桥的网侧电流傅里叶级数展开式为：

注：其中公式（2）为网侧线电压超前30°的电流傅里叶级数展开式。

固合成的网侧电流展开式为：

由此可见，两个整流单元的5、7、17、19次谐波相互抵消，反馈到钻井平台电网中的谐波含量仅为12k±1（k为常数）次谐波，即11、13、23、25、35、37等次谐波。谐波含量大幅降低。

基于此，在DSJ300-1钻井平台项目中，为了实现有效降低变频系统反馈到钻井平台电力系统中的谐波含量，我们采用两台3500KVA移相变压器给VFD系统的两段公共直流母排供电。3500KVA移相变压器主要参数如表1。

在每段公共直流母排侧提供两套完整6脉整流装置，两套装置同时闭合，给该段公共直流母排提供12脉930V直流电源，保证VFD系统的直流母线供电。整流装置主要技术参数如表2。

由表1、表2对比可以看出，两台3500KVA移相变压器满足DSJ300钻井平台钻井传动系统的供电要求。

通过3500KVA移相变压器两个副边绕组分别给同一段直流母线上的两台6脉整流单元供电，通过30°相位差的变压器副边绕组供电形成了12脉整流。将副边的690V交流电压整流成930V直流电压，输出到公共直流母排上。

整个AC-DC-AC变频传动系统均由大功率电子元器件构成，在变频器运行过程中将产生大量的热能，热量通过冷却效率达98%的水冷散热装置内循环带走，并通过与海水的热交换将变频系统的热量带走排入海中。

3.2 DSJ300平台12脉水冷整流装置的优点

DSJ300钻井平台，采用先进的12脉水冷整流装置，其优点主要有以下几个方面：

（1）谐波含量：通过12脉整流，有效的将交流侧的5次、7次谐波的电压畸变率降低到3%以下，极大的减少了DSJ300-1钻井平台电气系统中的谐波含量。

（2）钻井控制系统可靠性：由于12脉整流的谐波含量的大幅下降，对钻井控制系统（PLC系统）的远程从站的信号传输的干扰大幅降低，增加了钻井系统运行的可靠性。

（3）冷却效率：水冷却系统高达98%的冷却效率，完全节省了空冷系统需要专门配备的强制冷却空调系统，只需要用船用冷却系统进行冷却就可以完全满足整个水冷VFD系统的冷却要求。

4 结束语

综上所述，在自升式钻井平台DSJ300平台的电气系统的设计中，充分考虑到平台用电气系统的特殊性及可靠性要求，采用国际最先进的12脉水冷整流技术，在此技术基础上，最大程度的减少了DSJ300钻井平台电气系统的谐波含量，提高了钻井平台上所有用电设备的可靠性和安全性，有效的保证了设备的调试、验收工作。