深水半潛式鉆井平臺配電系統設計與保護分析

肖 元，徐郎君，陳奎英，李 鵬，張 坤

（山東省煙臺市煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000）

隨著大量石油天然氣資源在海底深層區域中被發現，使得深水半潛式鉆井平臺已經成為世界各國研究發展的重點。考慮到鉆井平臺對其供配電系統安全性和連續供電的要求，選擇合適的電網結構及其配置方案顯得非常重要。文章針對第七代半潛式深水鉆井平臺的技術特點和用電需求進行了配電系統的相關設計，包括中壓配電板的功能設計和機械設計、低壓配電板和變壓器的設計，介紹了對電力系統進行保護的意義與基本要求，并提出了對配電系統中各設備采取的保護措施。

1 配電系統概述

文章中使用的平臺為動力定位半潛式鉆井平臺，由于電站容量較大，采用中壓交流電力系統，這樣能夠很大程度上減小短路電流，為了減少成本，選用的是中壓交流配電柜，另外還需要低壓配電柜與變電器等設備。

2 配電系統設備設計

2.1 中壓配電板的功能設計

（1）發電機屏功能設計。從控制功能的角度上看，具有手動、自動并車、負荷分配、調速、調壓等功能；從保護功能的角度上看，具有過載保護與短路保護功能、接地故障保護功能、電弧保護功能等；從測量和顯示功能的角度上看，能測量發電機的功率、功率因數、三相電流、三相電壓、頻率等參數并顯示。

（2）母聯屏功能設計。從控制功能的角度上看，具有手動、自動并車等功能；從保護功能的角度上看，設有過載保護功能、短路保護功能、接地故障保護功能等；從測量和顯示功能的角度上看，可以測量母排電壓以及頻率，能夠顯示斷路器、接地開關等裝置的狀態。

（3）負載屏功能設計。從控制功能的角度上看，中壓配電板的負載屏設置了重載詢問、變壓器預勵磁聯鎖及電動機防冷凝加熱等功能；從保護功能的角度上看，保護功能與發電機屏保護功能一致，從測量和顯示功能的角度上看，能測量并顯示負載的電流大小，其他顯示功能與母聯屏顯示功能一致。

2.2 中壓配電板的機械設計

中壓配電板選用西門子NXPlusC型開關柜，此柜型已取得了ABS/DNV等多個船級社的形式認可。NXPlusC型盤柜主要包括以下幾個部分。

（1）氣室。此柜型的氣體小室有自己的泄壓方式，萬一發生內部電弧事故，可以防止氣室爆炸，泄壓設施的操作壓力和平臺的爆炸壓力之間有足夠的儲備余量。氣室高度嚴密，氣體填充壓力確保平臺可以使用35年不必再填充。

（2）互鎖。在單母排開關柜中，斷路器和三位隔離開關之間機械互鎖。

（4）三位隔離開關。三位隔離開關完成IEC60265-1規定的所有開關的通用功能，另外還有接地開關的作用。此開關設計可分斷額定短路接通電流，可配彈簧蓄能機構。

（5）電纜連接。電纜連接小室僅前期維護，三相并排布置在同一高度，接線高度為702mm。電纜連接采用T-plug，不同的柜型，每相電纜數量可達到3根（至1000A）、4根（至1250A）、8根（至2000A）。

（6）通信。中壓配電板內部通信采用以太網絡，帶有SIPROTEC?保護繼電器，每個配電板一個冗余的環形總線。中壓配電板通信拓撲圖如圖1所示。

圖1 中壓配電板通信拓撲圖

保護設備和控制單元之間采用GOOSE快速通信，服務器和客戶端之間功能獨立于通信。

2.3 低壓配電板設計

（1）開關柜。ACB（空氣開關）合、分閘命令來自面板上的合、分閘按鈕或是來自遠程控制系統。690V、440V、230V和120V配電系統采用IT絕緣系統。

（2）馬達起動器/饋電屏。馬達起動器采用智能模塊形式，每一個起動器配1個智能模塊來收集信號（起動、停止、運行狀態、脫扣、遠程、可用），然后通過Profibus DP通信送到VCS全船監控系統。

（3）控制、輔助電壓。690V主配電板和690V通用設備配電板每段母排配1個控制變壓器，690V應急配電板配2個控制變壓器（冗余，帶自動轉換功能），給非DP相關的設備控制系統。

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馬達配置欠壓保護功能，防止失電恢復后的不必要的自動重啟。

（4）防護等級。主配電室安裝的配電板防護等級為IP22，應急配電板防護等級為IP44。

2.4 變壓器設計

所有變壓器均為樹脂澆注形式，使用船用干式變壓器，調壓范圍為±（2.5%～5%），環境溫度為45℃。

3 配電系統的保護

3.1 系統保護的意義與基本要求

電力系統保護需要做到如下幾點。

（1）當電路出現故障時，保護裝置能夠自動且快速地完成保護動作，及時切除故障回路，將受損電路及時隔離。

（2）當電路出現故障時，在切除了故障回路之后，務必使非故障回路能夠正常工作、連續供電。

（3）保護裝置需要能響應大范圍的故障電流并及時采取動作，以實現對設備和回路的最大保護。

（4）保護方式分為選擇性保護、非選擇性保護以及后備保護，需要在設計時根據負載的性質和重要程度，采用合理的保護方式，達到良好的保護效果。

（5）保護裝置必須具有三個要素：適當的短路定額、短時額定電流和適當的熱容量。

（6）電纜的選擇一定要合理，即電纜的特性需要與保護裝置的特性相互協調。

3.2 本系統采取的保護措施

（1）發電機保護：①當過載達到10%～50%時，通過延時斷路器分斷，保證時間控制在兩分鐘之內；當電流達到額定電流的125%～135%時，保證在15～30s通過斷路器進行電路的分斷。②當過電流超過50%時但是比穩態短路電流要小時，在經過短暫延時后通過延時斷路器進行分斷。③采用差動保護，一旦出現發電機內部短路或處于發電機與斷路器之間的供電電纜發生短路等情形，能夠通過差動保護使發電機滅磁，同時使斷路器分斷。④設有欠電壓保護，當發電機不發電時為避免斷路器閉合，欠壓保護應能瞬時動作，當電壓降至額定電壓的70%～35%時，欠壓保護功能應延時動作，延時的時間應該滿足系統選擇性保護要求。

（2）電動機保護：①容量超過0.5kW的所有電動機，全部配置單獨的過載以及短路保護。允許使用公共的短路保護應用到電動機與專用饋電電纜中。②電動機正常工作時，能夠使啟動加速狀態下的電流正常通過。③對于具有連續工作特性的保護器，能夠保證當處于過載情況下，電動機具有可靠熱保護的延時特性，且最大持續電流應當不超過被保護電動機額定電流的1.25倍。④設置欠壓釋放功能。

4 結束語

配電系統是半潛式鉆井平臺安全可靠運行的重要保障，通過合理的設計使系統的安全可靠性進一步提高是配電系統設計的關鍵。文章針對第七代半潛式深水鉆井平臺的技術特點和用電需求，首先，對所用平臺配電系統的情況進行了簡單介紹。然后，對配電設備進行了合理的設計，設計的依據一是從滿足配電系統的功能出發，滿足使用的需求。二是在功能能正常實現的基礎之上設計保護功能，盡可能地將配電系統的保護措施做到完善，以防止系統出現問題。三是設計測量與顯示功能，方便工作人員使用，其中包括中壓配電板、低壓配電板和變壓器三個部分的設計。最后，根據電力系統保護的基本要求與意義，采取了充分的保護措施，其中重點對發電機與電動機這系統兩大核心部件做出了完善的保護措施，為鉆井平臺配電設備的設計與保護提供了參考，希望有一定的借鑒意義。