12脈水冷整流裝置整流在DSJ300平臺上的應用

郝婷婷+徐超

摘 要：文章通過對DSJ300鉆井平臺應用12脈水冷整流裝置的介紹，詳細闡述了變頻傳動系統產生諧波的原因，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點。從而說明DSJ300鉆井平臺使用西門子12脈水冷整流裝置的必要性。

關鍵詞：12脈；整流；水冷；諧波

1 概述

DSJ300自升式鉆井平臺，是我國唯一知識產權的鉆井平臺，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。

作為海洋鉆井平臺核心的鉆井傳動系統采用目前世界最先進的西門子S120水冷變頻調速系統。變頻器能在很寬范圍內的無級調速，可以根據需要自由設定加減速時間；良好的低速力矩特性使電機在起動和加速時可獲得足夠大且平滑的加速度；制動單元及制動電阻的接入使電機在減速和停車時能夠獲得足夠的制動力矩。變頻器的上述特性保證了變頻調速系統具有很好的速度響應性能。因此近年來交流變頻系統越來越多的應用在海洋鉆井平臺中。但是，同時由于變頻系統中功率原件的使用也給變頻調速系統帶來諧波干擾大、設備發熱量高等問題。

2 DSJ300平臺應用12脈水冷整流裝置的原因

DSJ300平臺的鉆井電機傳動系統，采用最先進的西門子水冷S120變頻傳動系統，2套（4臺）12脈整流裝置給給4臺1200kW絞車變頻裝置、6臺1200kW泥漿泵變頻裝置、1臺1000kW轉盤變頻電機及1臺1200kW頂驅變頻裝置提供動力電源。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電網中吸取能量的方式不是連續的正弦波，而是以脈動的方式從平臺電網中索取電流。這種脈動電流和平臺供電系統的阻抗共同形成的脈動電壓疊加的平臺供電系統的電壓上，使電壓發生畸變。而這種使電壓發生畸變的非周期正弦脈動電流是由頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波構成。

諧波的危害十分嚴重。諧波使鉆井平臺電源的傳輸和利用效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起平臺電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對于平臺電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。諧波對鉆井平臺電力系統和其他系統的危害大致有以下幾個方面：

（1）由于諧波不經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電力系統中中游蕩并積累疊加導致線路損耗增加、電力設備過熱，從而加大了鉆井平臺作業運行成本。

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

（3）鉆井平臺電力系統中含有大量的諧波源（變頻整流設備）以及電力電容器、變壓器、電纜、變頻電動機等負荷，這些電氣設備處于經常的變動之中，極易構成串聯或并聯的諧振條件。當平臺電力系統參數配合不利時，在一定的頻率下，形成諧波振蕩，產生過電壓或過電流，危及電力系統的安全運行。

（4）對柴油發電機、電動機，由于諧波電流或諧波電壓在定子繞組、轉子回路及鐵芯中產生附加損耗，從而降低發輸電及用電設備的效率，更為嚴重的是諧波振蕩容易使發電機產生震蕩力矩，可能引起機械共振，導致設備無法正常工作。

（5）由于諧波的大量存在，易使鉆井平臺電力系統的各類保護及自動裝置產生誤動或拒動，造成設備停電等惡性事故。

同時，電網諧波將使測量儀表、計量裝置產生誤差，達不到正確指示及計量（計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，斷路器的分斷能力將大大降低，造成電弧重燃，發生短路。

同時，在大功率的整流、逆變單元工作過程中會發出大量的熱量。如不能及時將熱量散發出去將會導致整流、逆變裝置由于高溫而產生故障，設備無法正常工作。

因此，在考慮到DSJ300鉆井平臺作業的特殊性，設備運行的可靠性的要求下，保證鉆井平臺系統中鉆井系統運轉的可靠性，生活區電力系統的安全穩定性，以及平臺通訊系統的可靠性的基礎上，最大程度的保證整個鉆井平臺電力系統的安全、可靠的運行。在鉆井平臺電氣系統的設計過程中對于大功率的鉆井變頻設備進行了完整的諧波分析，發熱量分析。最后確定使用12脈水冷整流技術來有效的降低鉆井平臺電控系統中的諧波含量。

3 DSJ300平臺十二脈水冷整流技術的應用

3.1 DSJ300鉆井平臺12脈水冷整流裝置應用

與傳統6脈整流相比，12脈整流電路，是在6脈整流電路基礎上，在輸入端增加移相變壓器后在增加1臺6脈整流裝置。直流母線產生的電壓由12個功率原件整流完成。

由圖1可以看到，實現12脈整流需要兩個整流橋，每個整流橋輸入電壓相位相差30°因此兩個整流橋的網側電流傅里葉級數展開式為：

注：其中公式（2）為網側線電壓超前30°的電流傅里葉級數展開式。

固合成的網側電流展開式為：

由此可見，兩個整流單元的5、7、17、19次諧波相互抵消，反饋到鉆井平臺電網中的諧波含量僅為12k±1（k為常數）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鉆井平臺項目中，為了實現有效降低變頻系統反饋到鉆井平臺電力系統中的諧波含量，我們采用兩臺3500KVA移相變壓器給VFD系統的兩段公共直流母排供電。3500KVA移相變壓器主要參數如表1。

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

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

通過3500KVA移相變壓器兩個副邊繞組分別給同一段直流母線上的兩臺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AC-DC-AC變頻傳動系統均由大功率電子元器件構成，在變頻器運行過程中將產生大量的熱能，熱量通過冷卻效率達98%的水冷散熱裝置內循環帶走，并通過與海水的熱交換將變頻系統的熱量帶走排入海中。

3.2 DSJ300平臺12脈水冷整流裝置的優點

DSJ300鉆井平臺，采用先進的12脈水冷整流裝置，其優點主要有以下幾個方面：

（1）諧波含量：通過12脈整流，有效的將交流側的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鉆井平臺電氣系統中的諧波含量。

（2）鉆井控制系統可靠性：由于12脈整流的諧波含量的大幅下降，對鉆井控制系統（PLC系統）的遠程從站的信號傳輸的干擾大幅降低，增加了鉆井系統運行的可靠性。

（3）冷卻效率：水冷卻系統高達98%的冷卻效率，完全節省了空冷系統需要專門配備的強制冷卻空調系統，只需要用船用冷卻系統進行冷卻就可以完全滿足整個水冷VFD系統的冷卻要求。

4 結束語

綜上所述，在自升式鉆井平臺DSJ300平臺的電氣系統的設計中，充分考慮到平臺用電氣系統的特殊性及可靠性要求，采用國際最先進的12脈水冷整流技術，在此技術基礎上，最大程度的減少了DSJ300鉆井平臺電氣系統的諧波含量，提高了鉆井平臺上所有用電設備的可靠性和安全性，有效的保證了設備的調試、驗收工作。