DP3深水钻井船闭环高压配电系统的制作方法

本发明涉及海洋工程设备配电系统的结构改进技术， 属于IPC分类H02J 供电或配电的电路装置或系统技术领域，尤其是DP3深水钻井船闭环高压配电系统。

背景技术：

目前，海洋深水钻井逐渐成为石油资源勘探开发的重点，例如中国南海是世界第四大石油气聚集盆地，探明石油地质储量已经超过400亿吨，占中国石油资源的三分之一强，深水钻井平台也相应的发展到第六代，主要技术标准，最大作业水深已超过3000米，最大钻深10000米以上，而且双联井架以及DP3等级的动力定位技术也已经普及和成熟。随着各大石油公司竞相将触角向更深的海域推进，在可预见未来，更安全，更高效，更环保，更低运营成本的深水和超深水钻井装置的需求将越来越多，这是未来海洋钻井市场发展的大趋势之一。

相关文献公开较少，上海中远船务工程有限公司在中国专利申请201520029393.9中公开的钻井船DP3闭环PMS电力推进系统，至少二个电力推进单元之间安装A60隔离舱壁(2)，每个电力推进单元中均包括连接在同一个母线排(4)上的二台主发电机(1)，以及各二台的推进传动变速器(7)、推进变频器(8)和推进器马达(9)，而母线排(4)上二台主发电机(1)连接点之间安装应急切换伺服开关(6)，各电力推进单元之间通过常开开关(5)两两连接，对钻井船DP3电力系统进行PMS结构改进。

南通中远船务工程有限公司和江苏大学 在中国专利申请201010187913.0公开了一种超深海大型半潜式钻井平台配电系统的优化配置方法，由于配电系统的设计与布局直接影响钻井平台的正常工作，本发明通过优化全船电力系统主单线图，强化区域供电原则，根据系统与区域原则，调整配电系统方案，优化DP3主电缆路径：通过优化钻井配电系统的布置并对重新优化的方案进行电力系统的负荷及平衡计算，使整个配电系统更趋于合理，减小施工难度，节省电缆与人工的成本。

中国海洋石油总公司和中海石油(中国)有限公司湛江分公司在中国专利申请 201010257896.3中公开一种海上石油平台电力组网系统，该系统是将分布在一个海域内的多个海上石油钻井平台上的多个海上平台电站通过海底电缆相连接，形成一个并网发电的小型电力系统。海底电缆为光纤电缆，其埋设于海床下0.5～2.5米。小型电力系统包括设置在电站调度管理中心的集中信息管理层及分别设置在多个海上平台电站上的数据采集服务器、电站机组控制系统、视频会议装置和相应的网络设备。

现有深海石油开发中产业需求所需的知识，并未能由包括以上文献在内的现有技术公开的内容所涵盖，尤其是，满足DP3深水钻井船生产需要的闭环高压配电系统仍严重的缺乏。

技术实现要素：

本发明的目的是提供DP3深水钻井船闭环高压配电系统，在DP3模式下，对不同的DP冗余组设备及整个系统负荷实现闭环电力供应。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：包括柴油发电机、高压配电板、电力推进系统、钻井变频变压器、船用辅助变压器和钻井辅助变压器；配电系统为11kV高压供配电系统，包括： 六台7370kWe/11kV/60Hz 柴油发电机，三部可环形连接的11kV高压配电板，六套电力推进系统，四台钻井变频变压器，六台船用辅助变压器，以及三台钻井辅助变压器；配电系统中柴油发电机和高压配电板在容量和台数上都冗余配置，且布置在至少两个独立的A60分割的水密舱室中；柴油发电机G1和G2、柴油发电机G3和G4、柴油发电机G5和G6分别位于不同的主机室，这三个主机室之间都是A60分割；三部高压配电板分别位于不同的高压配电板间，这三个高压配电板之间都是A60分割；柴油发电机G1和G2、柴油发电机G3和G4、柴油发电机G5和G6分别给三部高压配电板的母排A或B供电。

进一步的，所述三部可环形连接的11kV高压配电板相互独立，该三个11kV高压配电板相互之间通过主/从联络断路器和电缆连接，三部高压配电板两两相连，形成环形回路；每个高压配电板有两段母排，这两段母排之间通过母联开关连接。

进一步的，所述柴油发电机中性点高电阻接地，将每台发电机的接地故障电流限制在不大于1.5A的范围内。

进一步的，所述柴油发电机采用短路保护(ANSI 50)设定，柴油发电机短路保护(ANSI 50)通过高设置过电流(ANSI 50) - 阶段1来使母联和主/从联络断路器跳闸，对于外部故障，柴油发电机短路保护(ANSI 50)采用阻塞输入来禁止跳闸。

进一步的，所述高压配电板对推进系统、钻井系统和辅助系统进行系统保护，对于母排采取定向定时分区域保护，对于柴油发电机和主/从联络断路器采取分区域差动保护。

进一步的，所述高压配电板环形回路时，母排上安装定向定时过电流保护继电器，包括用于母联和主/从联络断路器的电流互感器和正向/反向定时过电流继电器，以及用于发电机和馈电开关的多功能保护继电器的高设置双向定时保护元件，以实现多母排区域过电流定向定时保护。所述主/从联络断路器连接电缆上的差动保护继电器，当主/从联络断路器探测到了故障，其相应的主/从联络断路器跳闸，隔离有故障的电缆。

进一步的，所述钻井变频变压器、船用辅助变压器和钻井辅助变压器采用移相变压器，形成虚拟24脉冲。

进一步的，所述配电系统保护允许无故障的部分在不断电的情况下继续运行；

对于母线故障，分3级跳闸：

第一级：主/从联络断路器和母联跳闸，使11kV高压配电板/母排分列运行；第二级：发电机短路保护(ANSI 50)再次发出信号使主/从联络断路器和母联跳闸；第三级：当故障被隔离但是未清除，发电机短路保护（第二级）设定使发电机断路器在跳闸时短路电流在母排内部电弧故障等级之内；

对于母线相位故障，分3级跳闸：

第一级：主/从联络断路器和母联跳闸（250msec），使11kV高压配电板/母排分列运行；第二级：发电机短路保护(ANSI 50)再次发出信号使主/从联络断路器和母联跳闸；第三级：当故障被隔离但是未清除，发电机短路保护（第二级）设定使发电机断路器跳闸（400msec），使短路电流在母排内部电弧故障等级之内；

对于母线接地故障，分5级跳闸：

第一级：母联断路器跳闸（1 sec）；第二级：如果没有阻塞，为了隔离有故障部分，主/从联络断路器跳闸（1.5 sec）；第三级：作为主/从联络断路器备用保护，发电机保护继电器发出信号使主/从联络断路器跳闸（3 sec）；第四级：发电机保护继电器使发电机断路器跳闸（3.5sec）；第五级：最为最后的备用保护，发电机接地高阻的保护继电器发出信号使相关的发电机断路器跳闸（4sec）；如上配电系统保护是允许无故障的部分在不断电的情况下继续运行。

本发明的优点和效果：在DP3模式下，对不同的DP冗余组设备及整个系统负荷实现闭环电力供应，可以有效减少主机运行和维护时间，提高主机操作灵活性和燃油经济性，减少有害气体排放。经实践检验，此技术可以降低11%油耗，减少35%氧化氮和20%二氧化碳排放，降低50%主机维修费用。更加安全、高效、环保和节能。逻辑控制明确，同时还检验电力系统供电稳定性，实现安全可靠运行和管理智能化，设计建造周期大大缩短，增强抵抗事故能力，提高供电可靠性，减少备用机组量，提高闲置资产利用率，节省投资及运行维护成本，有效降低新油气田的开发投资成本，提高经济效益，降低能源消耗。

附图说明

图1为实施例1中高压配电系统示意图

图2为实施例1中发电机中性点高阻接地(NER) 示意图

图3为实施例1中发电机屏保护示意图

图4为实施例1中主/从联络断路器和电缆的分区域差动保护示意图

图5为实施例1中高压配电板环形回路时母排定向定时保护 的 11kV高压配电板1示意图

图6为实施例1中高压配电板环形回路时母排定向定时保护的 11kV高压配电板2示意图

图7为实施例1中高压配电板环形回路时母排定向定时保护的 11kV高压配电板3示意图

图8为实施例1中辅助变压器保护示意图

图9为实施例1中12脉冲推进器变压器保护方案或12脉冲钻井变压器保护示意图。

具体实施方式

本发明技术方案的设计满足美国船级社（ABS）船检规范规则以及相关平台规范规则（MODU），同时，舱室和管线布置依据DP3的要求进行相应处理，具有DP3等级的设备出现任意单一故障或所在舱室失火或浸水时，DPS系统也不失效。

本发明包括： 柴油发电机、高压配电板、电力推进系统、钻井变频变压器、船用辅助变压器和钻井辅助变压器。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：如附图1所示，配电系统为11kV高压供配电系统，包括： 六台7370kWe/11kV/60Hz 柴油发电机，三部可环形连接的11kV高压配电板，六套电力推进系统，四台钻井变频变压器，六台船用辅助变压器，以及三台钻井辅助变压器；配电系统中柴油发电机和高压配电板在容量和台数上都冗余配置，且布置在至少两个独立的A60分割的水密舱室中；柴油发电机G1和G2、柴油发电机G3和G4、柴油发电机G5和G6分别位于不同的主机室，这三个主机室之间都是A60分割；三部高压配电板分别位于不同的高压配电板间，这三个高压配电板之间都是A60分割；柴油发电机G1和G2、柴油发电机G3和G4、柴油发电机G5和G6分别给三部高压配电板的母排A或B供电。

前述中， 三部可环形连接的11kV高压配电板相互独立，该三个11kV高压配电板相互之间通过主/从联络断路器和电缆连接，三部高压配电板两两相连，形成环形回路；每个高压配电板有两段母排，这两段母排之间通过母联开关连接。可以根据实际工况，该三个11kV高压配电板分列运行、直线运行或环形运行。母排提升屏用来指示和控制右手边的母排。

前述中，如附图2所示， 柴油发电机中性点高电阻接地（NER），将每台发电机的接地故障电流限制在不大于1.5A的范围内。以保持低的接地故障电流，通过高电阻的电流由发电机保护回路来监测，作为灵敏接地故障保护。

前述中，如附图3所示，柴油发电机采用短路保护(ANSI 50)设定。柴油发电机短路保护(ANSI 50)通过高设置过电流(ANSI 50) - 阶段1来使母联和主/从联络断路器跳闸。对于外部故障，柴油发电机短路保护(ANSI 50)采用阻塞输入来禁止跳闸。柴油发电机短路保护(ANSI 50)设定，使得发电机断路器在跳闸时，短路电流在母排内部电弧故障等级之内，此外，母排的分区域保护也用到所述的定向定时过电流继电器。

前述中，如附图4所示， 11kV高压配电板采用施耐德Sepam 80系列多功能保护继电器，11kV高压配电板对推进系统、钻井系统和辅助系统进行系统保护，对于母排采取定向定时分区域保护，对于柴油发电机和主/从联络断路器采取分区域差动保护。

前述中， 如附图5、6、7所示，高压配电板环形回路时，母排上安装定向定时过电流保护继电器，包括用于母联和主/从联络断路器的电流互感器和正向/反向定时过电流继电器，以及用于发电机和馈电开关的多功能保护继电器的高设置双向定时保护元件，以实现多母排区域过电流定向定时保护。所述主/从联络断路器连接电缆上的差动保护继电器，当主/从联络断路器探测到了故障，其相应的主/从联络断路器跳闸，隔离有故障的电缆。这种分区域差动保护使有故障的部分隔离，无故障部分继续运行。

前述中，如附图8、9所示，钻井变频变压器、船用辅助变压器和钻井辅助变压器采用移相变压器，形成虚拟24脉冲，可以有效地抑制谐波。

本发明实施例中，高压配电板的制作符合IEC 62271-200的要求，每屏顶部具有泄弧通道,以泄放掉故障电弧产生的有害气体和金属离子。通过内部燃弧等级为IAC, AFLR, 31.5kA, 0.5 Seconds的实验，并取得证书。根据DP3的要求，配置功率管理系统（PMS），确保电站的安全和可靠。

本发明实施例中，配电系统保护允许无故障的部分在不断电的情况下继续运行。对于母线故障，分3级跳闸：

第一级：主/从联络断路器和母联跳闸，使11kV高压配电板/母排分列运行；第二级：发电机短路保护(ANSI 50)再次发出信号使主/从联络断路器和母联跳闸；第三级：当故障被隔离但是未清除，发电机短路保护（第二级）设定使发电机断路器在跳闸时短路电流在母排内部电弧故障等级之内。

对于母线相位故障，分3级跳闸：

第一级：主/从联络断路器和母联跳闸（250msec），使11kV高压配电板/母排分列运行；第二级：发电机短路保护(ANSI 50)再次发出信号使主/从联络断路器和母联跳闸；第三级：当故障被隔离但是未清除，发电机短路保护（第二级）设定使发电机断路器跳闸（400msec），使短路电流在母排内部电弧故障等级之内。

对于母线接地故障，分5级跳闸：

第一级：母联断路器跳闸（1 sec）；第二级：如果没有阻塞，为了隔离有故障部分，主/从联络断路器跳闸（1.5 sec）；第三级：作为主/从联络断路器备用保护，发电机保护继电器发出信号使主/从联络断路器跳闸（3 sec）；第四级：发电机保护继电器使发电机断路器跳闸（3.5sec）；第五级：最为最后的备用保护，发电机接地高阻的保护继电器发出信号使相关的发电机断路器跳闸（4sec）；如上配电系统保护是允许无故障的部分在不断电的情况下继续运行。

本发明的高压配电系统并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。