海洋平臺吊機軟啟動器設計應用與優化研究

齊賦寧

（中國石油集團海洋工程有限公司，天津300280）

隨著海洋鉆井設備自動化技術的發展，交流異步電動機在海洋鉆井平臺使用的數量越來越多，對于較大功率交流異步電動機，由于啟動產生的沖擊電流和機械應力均較大，對電網的運行和設備的壽命造成影響。以前電動機控制多采用Y/△轉換，自耦降壓等方式實現，這些方法雖可以起到降壓啟動效果，但電流沖擊沒有從根本上解決。隨著電力電子技術的發展，軟啟動器可以實現在整個啟動過程中無沖擊而平滑啟動，從而解決了傳統降壓啟動的主要弊端。尤其在大功率交流異步電動機的啟停上，雖然變頻器也能實現降壓啟動的過程，還能調節頻率，但只作為啟停來講，無疑軟啟動的價格和維護方面的優勢更加凸顯出來，越來越多的應用到海洋鉆井生產過程中。

1 軟啟動器特點及控制原理

1.1 海洋鉆井平臺采用的軟啟動器的特點

海洋鉆井平臺常采用交流異步電動機作為電能與機械能轉換裝置，平臺所采用的交流異步電動機啟動性能主要兩個指標：啟動電流倍數、啟動轉矩倍數。海洋鉆井平臺采用的軟啟動器就是在啟動通過改變加在電動機上的電源電壓及減少啟動電流、啟動轉矩。

海洋鉆井平臺采用軟啟動限流特性可以有效限制浪涌電流，避免不必要的沖擊力矩以及對配電網絡的電流沖擊，有效地減少線路刀閘和接觸器的誤觸發動作；對于頻繁啟停的電動機可有效控制電動機的溫升，大大延長交流異步電動機的壽命，具體特性如圖1所示，目前在海洋平臺應用較為廣泛，常見的軟啟動器是晶閘管（SCR）型軟啟動器。直接啟動、星/三角啟動和軟啟動的不同表現如圖1所示。

圖1 直接啟動、星/三角啟動和軟啟動的不同表現Fig.1 Different performance of direct start，star-delta start and soft start

1.2 海洋鉆井平臺應用的晶閘管（SCR）軟啟動器控制原理

海洋鉆井平臺采用的三相中性點不接地（IT）系統供電，在三相電源和電機間串入三相晶閘管，利用晶閘管移相控制原理，改變晶閘管的觸發角，啟動時電機端電壓隨著晶閘管的導通角從零逐漸上升，就可調節晶閘管調壓電路的輸出電壓，電機轉速逐漸增大，直到達到滿足啟動轉矩的要求而結束啟動過程；軟啟動器的輸出是一個平滑的升壓過程（且可具有限流功能），直到晶閘管全導通，電機在額定電壓下工作；此時旁路接觸器接通（若配置的話，將避免電機在運行中對電網形成諧波污染，延長晶閘管壽命），電機進入穩定運行狀態；停車時先切斷旁路接觸器，然后由軟啟動器內晶閘管導通角由大逐漸減小，使三相供電電壓逐漸減小，電機轉速由大逐漸減小到零，停車過程完成[1]。

2 JU2000E 型鉆井平臺軟啟動器選型設計及配置依據

2.1 JU2000E 型平臺選用軟啟動器的設備及型號

平臺選用軟啟動器的主要設備有：1 號吊機（480 V，300 kW，456 A）、2 號吊機（690 V，300 kW，309 A）、3 號吊機（690 V，300 kW，302 A）、1 號海水泵（480V，126kW，220A）、2 號海水泵（480 V，126 kW，220 A）、3 號海水泵（480 V，126 kW，220 A）、泡沫噴淋泵（480 V，192 kW 285 A）、1 號泥漿混合泵（480 V，127 kW，195 A）、2 號泥漿混合泵（480 V，127 kW，195 A）。

平臺選用的軟啟動器共分兩個品牌系列，西門子3RW44 和ABB 的PST（B）兩個品牌系列，如圖2所示。平臺除了3 臺吊機采用ABB PST（B）系列軟啟動器，其它均采用西門子3R44 系列軟啟動器，采用西門子3R44 系列軟啟動均為外接方式，且該款軟啟動器內置了旁路接觸器，自出廠以來運行較為穩定，維護簡單。3 臺吊機使用ABB 系列軟啟動器，其中ABB 的PSTB 系列運行也較為穩定，ABB 的PST系列軟啟動器運行故障頻率較多，使用效果不太好。

圖2 JU2000E 平臺選用的軟啟動器類型Fig.2 Type of soft starter selected on JU2000E rig

2.2 吊機電機與軟啟動器的接線方式及電流配置依據

根據多個JU2000E 型平臺軟啟動器使用情況來看，選用SEATRAX 品牌的吊機中，3 號吊機軟啟動器使用中故障率較高，在此以吊機軟啟動器的應用情況進行分析，1 號吊機采用的是ABB PSTB470-690-70 軟啟動器內接方式；2 號吊機采用的是ABB PSTB470-690-70 軟啟動器外接方式；3 號吊機采用的是ABB PST300-690-70 軟啟動器內接方式，具體3 臺吊機接線情況如圖3所示。

圖3 三臺吊機接線示意圖Fig.3 Schematic diagram of three crane wiring

三臺吊機應用條件和供電等級不同，1 號吊機作為應急時使用，采用應急配電板480 V 供電，其余兩臺為主配電板690 V 供電。另外，3 號吊機主要功用之一就是為鉆臺服務，按照防爆電氣標準進行了配置。因此3 臺吊機選用電機不盡相同、軟啟動器型號不盡相同、接線方式不盡相同，具體配置如表1所示。ABB 軟啟動器選型數據如表2所示。

表1 三臺吊機異同點比較Tab.1 Comparison of identical and different points of three cranes

表2 ABB 軟啟動器選型數據Tab.2 Type selection data sheet of ABB soft starter

結合表1 三臺吊機異同點比較和表2 ABB 軟啟動器選型數據表，可以看出3 臺吊機中，1 號吊機和2 號吊機均采用了同型號軟啟動器ABB PSTB470-690-70，該型號軟啟動器外接方式下選用690 V 電機最大電流309 A，因此2 號吊機使用690 V 供電可以采用外接方式，1 號吊機使用480 V 電機，使用外接方式軟啟動器最大電流315 A，不能滿足該電機電流（456 A）要求。依據內外接線方式關系計算，采用內接方式電流電機額定電流為264 A，所以若使用ABB PSTB470-690-70 軟啟動器，1 號吊機電機只能采取內接方式。3 號吊機采用防爆形式，隔爆型控制箱空間受限，采用了ABB PST300-690-70 型軟啟動器，從表2 中可以看到，該型號軟啟動器外接方式最大電流257 A，電機額定電流302 A，不能滿足要求，采用內接方式，通過電流可降為157 A，因此3 號吊機采用防爆方式和尺寸更小的軟啟動器情況下，只能采用內接方式才能滿足負荷要求[2]。

3 JU2000E 型平臺3 號吊機軟啟動器頻繁故障探討

3.1 故障現象

3 號吊機ABB PST300-690-70 型軟啟動器，在啟動時報 “軟啟動連接錯誤（fault connection）”故障，導致不能啟動主電機，導致吊機無法使用。

3.2 故障分析及探討

從故障出現背景來分析，某JU2000E 型平臺2014年12月出廠，3 號吊機配置PST300-690-70 型軟啟動器，首次頻繁出現連接錯誤故障為2015年12月份，之后多次出現，經檢測電機側絕緣和繞組阻值均正常。另一JU2000E 平臺3 號吊機同樣配置此型號軟啟動器，也多次出現此連接錯誤故障，更換一新同型號軟啟動器，啟動幾次后仍多次報軟啟動器連接錯誤故障，說明此故障不是個例，應為通病。

從3 臺吊機軟啟動器運行情況來分析，平臺3臺吊機均采用ABB PST（B）系列軟啟動器，從吊機使用情況來分析，1 號和2 號吊機軟啟動器運行穩定，未出現過軟啟動器連接錯誤報警，3 號吊機在啟動時出現軟啟動連接錯誤故障，頻率較高，但未出現過運行過程中或停止過程中的故障報警，說明3號吊機出現此類故障只是啟動時出現。

從軟啟動器的軟硬件配置來分析，軟件參數方面，3 臺吊機配置參數除了額定電流、電壓等參數不一致外，各類功能性參數基本一致，因3 臺吊機的軟件參數差異導致此故障問題的原因可能性極?。挥布渲梅矫?，1 號和2 號吊機選用的軟啟動器是ABB PSTB470-690-70，3 號吊機選用的是ABB PST300-690-70，這兩款軟啟動器的區別除了最大運行電流之外，最重要的區別在于PSTB 型為內置旁路接觸器，PST 型無內置旁路接觸器，內置旁路接觸器的優點在于晶閘管完全導通之后，通過內置旁路接觸器將晶閘管橋接，減少了晶閘管損耗功率所產生的熱量，減少晶閘管運行期間產生的高次諧波污染電網，同時延長了晶閘管使用壽命和使用效果，增強了系統運行的穩定性。

從故障出現替換配件情況來分析，軟啟動器內部三大件，低壓控制板，高壓觸發板，晶閘管SCR，更換其中配件均不能解決此故障。且3 號吊機軟啟動器在出現軟啟動連接錯誤不能啟動時，對線路進行斷電放置1～2 小時，還能正常啟動，說明軟啟動器本身功率元件等硬件不存在故障和損壞。

從啟動信號的邏輯順序來分析，按動啟動按鈕后，軟啟動器接受啟動指令進行自檢，檢測晶閘管SCR 情況，板卡運行情況，電機連接情況，缺相及電壓情況等，若通過則按設定降壓啟動電機，若自檢未通過，則報細分故障，此軟啟動器連接錯誤故障則是在啟動信號發出，自檢未通過，還未降壓啟動電動機時報出的。軟啟動連接錯誤是檢測到線路接線不符合要求，即檢測不到與電動機接線是內接還是外接（這與軟件設置內接外接無關，即便設置內外接方式，軟啟動器還是要重新檢測，只是軟啟動控制器檢測內外接失敗，無法進行下一步動作）。

從外部供電情況來分析，平臺采用發電機供電，供電電網電壓基本穩定，該JU2000E 型平臺自動化程度較高，采用的大功率的變頻器較多，易產生高次諧波，對電網有一定的污染，軟啟動器在啟動時受到高次諧波的影響，可能會在自檢過程中出現檢測異常，同時高次諧波對板卡的運行穩定性存在一定影響。

綜上所述，3 號吊機采用防爆形式，軟啟動器受封閉的隔爆接線箱空間影響選用了比1 號2 號低一個等級的且沒有內置旁路接觸器的軟啟動器，沒有旁路接觸器，就會導致只要3 號吊機運行時，軟啟動器內晶閘管就一直在運行狀態，長期的運行勢必增加晶閘管損耗功率產生更多熱量，影響晶閘管的使用壽命和使用效果，對系統運行的穩定性造成影響；同時平臺使用了大量大功率變頻器等設備產生的高次諧波也會對軟啟動器內電路板運行和軟啟動器自檢運行產生影響[3]。

4 JU2000E 型平臺3 號吊機軟啟動器升級方案探討

4.1 升級的軟啟動器的品牌及型號建議

對于軟啟動器升級的品牌型號，建議升級2 號吊機使用的ABB PSTB470-690-70 型軟啟動器。理由有以下幾個方面：

（1）從2 號吊機軟啟動器使用的情況來看，運行7年多來，僅發生過一起晶閘管擊穿故障，在使用中未發現其它故障及問題，運行比較穩定可靠。

（2）從升級改動的硬件來分析，2 號吊機與3 號吊機在終端電機參數及供電電源參數上基本一致，采用2 號吊機同型號軟啟動器不存在因硬件不同而進行參數優化的問題，采用同型號軟啟動對采用同等級電源和終端電機的穩定運行提供了更小的改動和更優的使用條件。

（3）從連接方式來分析，3 號目前為無旁路型的內接方式，2 號軟啟動器采用的是帶有內置旁路接觸器的外接方式，從這點上來看，3 號吊機滿足采用2 號軟啟動連接方式和型號要求，同時采用外接內置旁路型式運行更為穩定，對軟啟動器使用壽命也是一個保障。

（4）從控制線路分析，升級前后采用的這兩款軟啟動器，外部觸點，報警點輸出及相關I/O 控制點大致一致，既能滿足相關信號傳輸及控制的要求，又能最大限度減少控制線路的改動。3 號吊機采用此型號軟啟動器可以與2 號吊機軟啟動器互為備用，能最大限度降低相關配件采購種類和數量，為后續同型號軟啟動器故障及時排除和進一步降低設備維護費用打下更好基礎。

4.2 升級的軟啟動器配套控制箱選型考慮依據

從升級前后的軟啟動器尺寸上分析，外觀尺寸由目前的420 mm×360 mm×270 mm，升級成460 mm×365 mm×361 mm，如圖4所示，可見升級后的型號在寬度上沒有明顯變化，但更高、更厚，導致原防爆控制箱無法安裝升級后的軟啟動器，需要安裝升級后的軟啟動尺寸選用配套的防爆控制箱，便于安裝內部其它相關線路和配件（具體尺寸需要平臺和供貨廠商根據內部空間進一步細化方案）。

圖4 兩種軟啟動器尺寸對比Fig.4 Size comparison of two types soft starter

考慮到3 號吊機為防爆型吊機，吊機上電氣設備均按照防爆電氣標準進行了配置，所以升級軟啟動器型號后，需要考慮升級控制箱采用的類型（是否采用防爆型還是普通型），還要考慮散熱問題（若采用防爆型，需采用正壓防爆強制通風散熱模式），還要在控制箱配置啟停按鈕、故障復位按鈕以及急停按鈕，便于本地和應急操作。

3 號吊機重要功能之一是為鉆臺提供吊裝服務，是按照防爆標準設計的，在平臺實際危險區劃分上不屬于危險區，所以從平臺電氣防爆標準上采用非防爆控制箱是符合防爆要求的，但3 號吊機防爆性能也會降低。若采用非防爆型式控制箱，可以參考2 號吊機軟啟動器控制箱的尺寸，滿足電纜進出口尺寸、散熱量要求和按鈕及急停操作要求即可[4-5]。

4.3 升級軟啟動器的軟件參數配置思路

對于升級的ABB PSTB470-690-70 型軟啟動器參數設置上不存在技術上的障礙，可以參考2 號吊機軟件設置來對升級后的3 號吊機進行軟件參數設置。

綜上所述，在目前JU2000E 型平臺吊機配置的情況下，采用2 號吊機ABB PSTB470-690-70 型軟啟動器來替換3 號吊機現有的軟啟動器的升級方式比較合理，動力及控制線路改動較少，軟件參數調試及配置不存在障礙，并能最大限度降低相關配件采購種類和數量，為后續同型號軟啟動器故障及時排除和進一步降低設備維護費用打下更好基礎，至于采用哪種控制箱型式還需要根據平臺防爆要求及成本控制兩方面進一步統籌考慮。

5 結語

如今海洋石油鉆井裝備自動化程度越來越高，軟啟動器越來越多的應用到海洋鉆井生產過程中，本文結合JU2000E 型海洋平臺應用的軟啟動器類型和故障，分析了軟啟動控制原理，結合3 號吊機的軟啟動頻發的故障進行了深入研究，給出了優化改造方案，希望能為同類型海洋鉆井平臺軟啟動器維修維護工作起到一定借鑒意義。