海洋平台吊机软启动器设计应用与优化研究

2022-03-05齐赋宁

自动化与仪表 2022年2期

齐赋宁

（中国石油集团海洋工程有限公司，天津300280）

随着海洋钻井设备自动化技术的发展，交流异步电动机在海洋钻井平台使用的数量越来越多，对于较大功率交流异步电动机，由于启动产生的冲击电流和机械应力均较大，对电网的运行和设备的寿命造成影响。以前电动机控制多采用Y/△转换，自耦降压等方式实现，这些方法虽可以起到降压启动效果，但电流冲击没有从根本上解决。随着电力电子技术的发展，软启动器可以实现在整个启动过程中无冲击而平滑启动，从而解决了传统降压启动的主要弊端。尤其在大功率交流异步电动机的启停上，虽然变频器也能实现降压启动的过程，还能调节频率，但只作为启停来讲，无疑软启动的价格和维护方面的优势更加凸显出来，越来越多的应用到海洋钻井生产过程中。

1 软启动器特点及控制原理

1.1 海洋钻井平台采用的软启动器的特点

海洋钻井平台常采用交流异步电动机作为电能与机械能转换装置，平台所采用的交流异步电动机启动性能主要两个指标：启动电流倍数、启动转矩倍数。海洋钻井平台采用的软启动器就是在启动通过改变加在电动机上的电源电压及减少启动电流、启动转矩。

海洋钻井平台采用软启动限流特性可以有效限制浪涌电流，避免不必要的冲击力矩以及对配电网络的电流冲击，有效地减少线路刀闸和接触器的误触发动作；对于频繁启停的电动机可有效控制电动机的温升，大大延长交流异步电动机的寿命，具体特性如图1所示，目前在海洋平台应用较为广泛，常见的软启动器是晶闸管（SCR）型软启动器。直接启动、星/三角启动和软启动的不同表现如图1所示。

图1 直接启动、星/三角启动和软启动的不同表现Fig.1 Different performance of direct start，star-delta start and soft start

1.2 海洋钻井平台应用的晶闸管（SCR）软启动器控制原理

海洋钻井平台采用的三相中性点不接地（IT）系统供电，在三相电源和电机间串入三相晶闸管，利用晶闸管移相控制原理，改变晶闸管的触发角，启动时电机端电压随着晶闸管的导通角从零逐渐上升，就可调节晶闸管调压电路的输出电压，电机转速逐渐增大，直到达到满足启动转矩的要求而结束启动过程；软启动器的输出是一个平滑的升压过程（且可具有限流功能），直到晶闸管全导通，电机在额定电压下工作；此时旁路接触器接通（若配置的话，将避免电机在运行中对电网形成谐波污染，延长晶闸管寿命），电机进入稳定运行状态；停车时先切断旁路接触器，然后由软启动器内晶闸管导通角由大逐渐减小，使三相供电电压逐渐减小，电机转速由大逐渐减小到零，停车过程完成[1]。

2 JU2000E 型钻井平台软启动器选型设计及配置依据

2.1 JU2000E 型平台选用软启动器的设备及型号

平台选用软启动器的主要设备有：1 号吊机（480 V，300 kW，456 A）、2 号吊机（690 V，300 kW，309 A）、3 号吊机（690 V，300 kW，302 A）、1 号海水泵（480V，126kW，220A）、2 号海水泵（480 V，126 kW，220 A）、3 号海水泵（480 V，126 kW，220 A）、泡沫喷淋泵（480 V，192 kW 285 A）、1 号泥浆混合泵（480 V，127 kW，195 A）、2 号泥浆混合泵（480 V，127 kW，195 A）。

平台选用的软启动器共分两个品牌系列，西门子3RW44 和ABB 的PST（B）两个品牌系列，如图2所示。平台除了3 台吊机采用ABB PST（B）系列软启动器，其它均采用西门子3R44 系列软启动器，采用西门子3R44 系列软启动均为外接方式，且该款软启动器内置了旁路接触器，自出厂以来运行较为稳定，维护简单。3 台吊机使用ABB 系列软启动器，其中ABB 的PSTB 系列运行也较为稳定，ABB 的PST系列软启动器运行故障频率较多，使用效果不太好。

图2 JU2000E 平台选用的软启动器类型Fig.2 Type of soft starter selected on JU2000E rig

2.2 吊机电机与软启动器的接线方式及电流配置依据

根据多个JU2000E 型平台软启动器使用情况来看，选用SEATRAX 品牌的吊机中，3 号吊机软启动器使用中故障率较高，在此以吊机软启动器的应用情况进行分析，1 号吊机采用的是ABB PSTB470-690-70 软启动器内接方式；2 号吊机采用的是ABB PSTB470-690-70 软启动器外接方式；3 号吊机采用的是ABB PST300-690-70 软启动器内接方式，具体3 台吊机接线情况如图3所示。

图3 三台吊机接线示意图Fig.3 Schematic diagram of three crane wiring

三台吊机应用条件和供电等级不同，1 号吊机作为应急时使用，采用应急配电板480 V 供电，其余两台为主配电板690 V 供电。另外，3 号吊机主要功用之一就是为钻台服务，按照防爆电气标准进行了配置。因此3 台吊机选用电机不尽相同、软启动器型号不尽相同、接线方式不尽相同，具体配置如表1所示。ABB 软启动器选型数据如表2所示。

表1 三台吊机异同点比较Tab.1 Comparison of identical and different points of three cranes

表2 ABB 软启动器选型数据Tab.2 Type selection data sheet of ABB soft starter

结合表1 三台吊机异同点比较和表2 ABB 软启动器选型数据表，可以看出3 台吊机中，1 号吊机和2 号吊机均采用了同型号软启动器ABB PSTB470-690-70，该型号软启动器外接方式下选用690 V 电机最大电流309 A，因此2 号吊机使用690 V 供电可以采用外接方式，1 号吊机使用480 V 电机，使用外接方式软启动器最大电流315 A，不能满足该电机电流（456 A）要求。依据内外接线方式关系计算，采用内接方式电流电机额定电流为264 A，所以若使用ABB PSTB470-690-70 软启动器，1 号吊机电机只能采取内接方式。3 号吊机采用防爆形式，隔爆型控制箱空间受限，采用了ABB PST300-690-70 型软启动器，从表2 中可以看到，该型号软启动器外接方式最大电流257 A，电机额定电流302 A，不能满足要求，采用内接方式，通过电流可降为157 A，因此3 号吊机采用防爆方式和尺寸更小的软启动器情况下，只能采用内接方式才能满足负荷要求[2]。

3 JU2000E 型平台3 号吊机软启动器频繁故障探讨

3.1 故障现象

3 号吊机ABB PST300-690-70 型软启动器，在启动时报 “软启动连接错误（fault connection）”故障，导致不能启动主电机，导致吊机无法使用。

3.2 故障分析及探讨

从故障出现背景来分析，某JU2000E 型平台2014年12月出厂，3 号吊机配置PST300-690-70 型软启动器，首次频繁出现连接错误故障为2015年12月份，之后多次出现，经检测电机侧绝缘和绕组阻值均正常。另一JU2000E 平台3 号吊机同样配置此型号软启动器，也多次出现此连接错误故障，更换一新同型号软启动器，启动几次后仍多次报软启动器连接错误故障，说明此故障不是个例，应为通病。

从3 台吊机软启动器运行情况来分析，平台3台吊机均采用ABB PST（B）系列软启动器，从吊机使用情况来分析，1 号和2 号吊机软启动器运行稳定，未出现过软启动器连接错误报警，3 号吊机在启动时出现软启动连接错误故障，频率较高，但未出现过运行过程中或停止过程中的故障报警，说明3号吊机出现此类故障只是启动时出现。

从软启动器的软硬件配置来分析，软件参数方面，3 台吊机配置参数除了额定电流、电压等参数不一致外，各类功能性参数基本一致，因3 台吊机的软件参数差异导致此故障问题的原因可能性极小；硬件配置方面，1 号和2 号吊机选用的软启动器是ABB PSTB470-690-70，3 号吊机选用的是ABB PST300-690-70，这两款软启动器的区别除了最大运行电流之外，最重要的区别在于PSTB 型为内置旁路接触器，PST 型无内置旁路接触器，内置旁路接触器的优点在于晶闸管完全导通之后，通过内置旁路接触器将晶闸管桥接，减少了晶闸管损耗功率所产生的热量，减少晶闸管运行期间产生的高次谐波污染电网，同时延长了晶闸管使用寿命和使用效果，增强了系统运行的稳定性。

从故障出现替换配件情况来分析，软启动器内部三大件，低压控制板，高压触发板，晶闸管SCR，更换其中配件均不能解决此故障。且3 号吊机软启动器在出现软启动连接错误不能启动时，对线路进行断电放置1～2 小时，还能正常启动，说明软启动器本身功率元件等硬件不存在故障和损坏。

从启动信号的逻辑顺序来分析，按动启动按钮后，软启动器接受启动指令进行自检，检测晶闸管SCR 情况，板卡运行情况，电机连接情况，缺相及电压情况等，若通过则按设定降压启动电机，若自检未通过，则报细分故障，此软启动器连接错误故障则是在启动信号发出，自检未通过，还未降压启动电动机时报出的。软启动连接错误是检测到线路接线不符合要求，即检测不到与电动机接线是内接还是外接（这与软件设置内接外接无关，即便设置内外接方式，软启动器还是要重新检测，只是软启动控制器检测内外接失败，无法进行下一步动作）。

从外部供电情况来分析，平台采用发电机供电，供电电网电压基本稳定，该JU2000E 型平台自动化程度较高，采用的大功率的变频器较多，易产生高次谐波，对电网有一定的污染，软启动器在启动时受到高次谐波的影响，可能会在自检过程中出现检测异常，同时高次谐波对板卡的运行稳定性存在一定影响。

综上所述，3 号吊机采用防爆形式，软启动器受封闭的隔爆接线箱空间影响选用了比1 号2 号低一个等级的且没有内置旁路接触器的软启动器，没有旁路接触器，就会导致只要3 号吊机运行时，软启动器内晶闸管就一直在运行状态，长期的运行势必增加晶闸管损耗功率产生更多热量，影响晶闸管的使用寿命和使用效果，对系统运行的稳定性造成影响；同时平台使用了大量大功率变频器等设备产生的高次谐波也会对软启动器内电路板运行和软启动器自检运行产生影响[3]。

4 JU2000E 型平台3 号吊机软启动器升级方案探讨

4.1 升级的软启动器的品牌及型号建议

对于软启动器升级的品牌型号，建议升级2 号吊机使用的ABB PSTB470-690-70 型软启动器。理由有以下几个方面：

（1）从2 号吊机软启动器使用的情况来看，运行7年多来，仅发生过一起晶闸管击穿故障，在使用中未发现其它故障及问题，运行比较稳定可靠。

（2）从升级改动的硬件来分析，2 号吊机与3 号吊机在终端电机参数及供电电源参数上基本一致，采用2 号吊机同型号软启动器不存在因硬件不同而进行参数优化的问题，采用同型号软启动对采用同等级电源和终端电机的稳定运行提供了更小的改动和更优的使用条件。

（3）从连接方式来分析，3 号目前为无旁路型的内接方式，2 号软启动器采用的是带有内置旁路接触器的外接方式，从这点上来看，3 号吊机满足采用2 号软启动连接方式和型号要求，同时采用外接内置旁路型式运行更为稳定，对软启动器使用寿命也是一个保障。

（4）从控制线路分析，升级前后采用的这两款软启动器，外部触点，报警点输出及相关I/O 控制点大致一致，既能满足相关信号传输及控制的要求，又能最大限度减少控制线路的改动。3 号吊机采用此型号软启动器可以与2 号吊机软启动器互为备用，能最大限度降低相关配件采购种类和数量，为后续同型号软启动器故障及时排除和进一步降低设备维护费用打下更好基础。

4.2 升级的软启动器配套控制箱选型考虑依据

从升级前后的软启动器尺寸上分析，外观尺寸由目前的420 mm×360 mm×270 mm，升级成460 mm×365 mm×361 mm，如图4所示，可见升级后的型号在宽度上没有明显变化，但更高、更厚，导致原防爆控制箱无法安装升级后的软启动器，需要安装升级后的软启动尺寸选用配套的防爆控制箱，便于安装内部其它相关线路和配件（具体尺寸需要平台和供货厂商根据内部空间进一步细化方案）。

图4 两种软启动器尺寸对比Fig.4 Size comparison of two types soft starter

考虑到3 号吊机为防爆型吊机，吊机上电气设备均按照防爆电气标准进行了配置，所以升级软启动器型号后，需要考虑升级控制箱采用的类型（是否采用防爆型还是普通型），还要考虑散热问题（若采用防爆型，需采用正压防爆强制通风散热模式），还要在控制箱配置启停按钮、故障复位按钮以及急停按钮，便于本地和应急操作。

3 号吊机重要功能之一是为钻台提供吊装服务，是按照防爆标准设计的，在平台实际危险区划分上不属于危险区，所以从平台电气防爆标准上采用非防爆控制箱是符合防爆要求的，但3 号吊机防爆性能也会降低。若采用非防爆型式控制箱，可以参考2 号吊机软启动器控制箱的尺寸，满足电缆进出口尺寸、散热量要求和按钮及急停操作要求即可[4-5]。

4.3 升级软启动器的软件参数配置思路

对于升级的ABB PSTB470-690-70 型软启动器参数设置上不存在技术上的障碍，可以参考2 号吊机软件设置来对升级后的3 号吊机进行软件参数设置。

综上所述，在目前JU2000E 型平台吊机配置的情况下，采用2 号吊机ABB PSTB470-690-70 型软启动器来替换3 号吊机现有的软启动器的升级方式比较合理，动力及控制线路改动较少，软件参数调试及配置不存在障碍，并能最大限度降低相关配件采购种类和数量，为后续同型号软启动器故障及时排除和进一步降低设备维护费用打下更好基础，至于采用哪种控制箱型式还需要根据平台防爆要求及成本控制两方面进一步统筹考虑。