馮城+劉迪+邵心

摘 要：高壓電滑環(huán)作為單點(diǎn)系泊系統(tǒng)核心與關(guān)鍵裝置之一，是FPSO和FLNG向附近設(shè)備供電的最重要環(huán)節(jié)。本文在參考國(guó)內(nèi)外電滑環(huán)試驗(yàn)及電氣設(shè)備試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了一種單點(diǎn)系泊系統(tǒng)高壓電滑環(huán)的試驗(yàn)方案，該方案完成了目標(biāo)樣機(jī)的電氣性能檢測(cè)，并通過(guò)了國(guó)外某船級(jí)社的認(rèn)證和國(guó)內(nèi)專業(yè)高壓試驗(yàn)室的檢驗(yàn)，目前為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，還未形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)吸c(diǎn)系泊；高壓電滑環(huán)；性能試驗(yàn)；FPSO；FLNG

目前，我國(guó)各大海域所使用的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)電滑環(huán)從設(shè)計(jì)制造到試驗(yàn)檢驗(yàn)全部被國(guó)外壟斷，技術(shù)封鎖非常嚴(yán)重。為了確保自主研發(fā)的樣機(jī)具備在單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中的使用條件，需要對(duì)樣機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，但是如何驗(yàn)證和確定試驗(yàn)方案一直沒(méi)有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。基于上述問(wèn)題，通過(guò)參考高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的IEC檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并與國(guó)內(nèi)某知名高壓試驗(yàn)室相關(guān)技術(shù)人員的反復(fù)交流，制定了一整套針對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)高壓電滑環(huán)的試驗(yàn)檢驗(yàn)方案，最終通過(guò)了國(guó)外權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。

1 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式高壓電滑環(huán)試驗(yàn)樣機(jī)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)樣機(jī)為一套11kV內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)高壓電滑環(huán)，安裝于氣體滑環(huán)的上方、信號(hào)滑環(huán)的下方，電纜為側(cè)進(jìn)下出，出線電纜通過(guò)氣體滑環(huán)的中間軸進(jìn)入海底。輸出容量6000kW，電壓等級(jí)11kV，4通道（3用1 備），工作溫度為-20℃至+50℃，最高溫升80℃。整個(gè)電滑環(huán)內(nèi)部填充壓力氮?dú)?，防爆?biāo)記為Expx-IIA-T3。

電滑環(huán)主要由軸、罩子、軸承、密封圈、電刷、集電環(huán)、電纜等部件組成。其中軸、罩子、軸承、密封圈為機(jī)械外殼部分，其相關(guān)試驗(yàn)只需驗(yàn)證機(jī)械壽命和防爆性能即可，不再專門介紹。集電環(huán)為定子，相對(duì)于海面靜止不動(dòng)；電刷為轉(zhuǎn)子，可以圍繞集電環(huán)進(jìn)行360°無(wú)規(guī)則旋轉(zhuǎn)，并在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中保持電力的穩(wěn)定傳輸；通道之間由絕緣子固定，間距滿足相關(guān)IEC標(biāo)準(zhǔn)要求。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示

2 電氣性能分析及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)高壓電滑環(huán)屬于高壓電氣裝置，檢測(cè)的各項(xiàng)指標(biāo)必須滿足該裝置的所有電氣性能，如絕緣、耐壓、載流、溫升以及密封防護(hù)等。檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)可以參考高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的部分要求和船級(jí)社的通用規(guī)范，但檢驗(yàn)規(guī)程需考慮電滑環(huán)的工作原理及使用工況，最終形成完整的試驗(yàn)方案。

2.1 電氣性能分析

2.1.1 絕緣耐壓性能

高壓設(shè)備的絕緣耐壓性能主要考慮導(dǎo)體運(yùn)行環(huán)境（內(nèi)部填充物）、支撐固件（絕緣子）以及導(dǎo)體間距（相相和相地）等三個(gè)因素。

本裝置內(nèi)部填充壓力氮?dú)?，?dǎo)電元件在設(shè)備運(yùn)行時(shí)的絕緣效果大約是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的1.2倍左右[1]，也就是說(shuō)如果沒(méi)有特殊要求，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣環(huán)境進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)即可。

支撐絕緣子是保證電滑環(huán)絕緣特性的關(guān)鍵部件，可以采用市面上的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品出廠前一般已進(jìn)行過(guò)型式試驗(yàn)，無(wú)需單獨(dú)檢測(cè)。

電滑環(huán)內(nèi)部的導(dǎo)體間距已按照不低于IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其電壓等級(jí)為11kV，為了檢測(cè)其絕緣特性，需在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)進(jìn)行28kV耐壓試驗(yàn)和75kV雷電沖擊試驗(yàn)，并在出廠時(shí)進(jìn)行42kV耐壓試驗(yàn)。

2.1.2 載流能力

電氣設(shè)備的載流能力主要考慮的是主回路的電阻值、接觸面工作時(shí)的電壓降、系統(tǒng)溫升和短路電流耐受情況，仿真結(jié)果如圖2所示。

在高壓電滑環(huán)的主回路里，電阻較大時(shí)，分壓也越大，會(huì)造成發(fā)熱燒毀器件或造成三相電壓不平衡，導(dǎo)致周圍海洋平臺(tái)的正常工作受到影響，所以主回路電阻值是該裝置的一項(xiàng)重要檢測(cè)指標(biāo)，根據(jù)本裝置的電氣參數(shù)和特性，主回路電阻值不應(yīng)大于0.01Ω。

接觸面的電壓降主要考察的是電刷與集電環(huán)接觸面的導(dǎo)電能力，電滑環(huán)的核心原理就是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電，也就是當(dāng)電刷與集電環(huán)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)可以保持電力的穩(wěn)定傳輸。而接觸面壓力太小會(huì)造成兩者間接觸不良而跳火；壓力太大，火花也會(huì)大，并且不耐磨[3]。為了保障核心元件的使用壽命，應(yīng)檢測(cè)額定電流下和過(guò)載電流下接觸面的電壓降，并對(duì)比分析阻值的變化情況。

溫升試驗(yàn)是高壓導(dǎo)電設(shè)備必做的試驗(yàn)之一，這里主要是檢測(cè)電滑環(huán)在額定電流下導(dǎo)電元件各個(gè)位置的溫度及變化情況，目的是考察樣機(jī)是否符合工況使用要求，即最高溫升小于80℃。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，電滑環(huán)應(yīng)具備承載額定峰值耐受電流和額定短時(shí)耐受電流的能力，不能因下端回路發(fā)生短路故障而直接損壞，所以樣機(jī)應(yīng)進(jìn)行該項(xiàng)性能的檢測(cè)。

2.1.3 密封防護(hù)

電氣設(shè)備的密封防護(hù)能力即IP等級(jí)，因本裝置使用位置在LNG-FPSO設(shè)備上，防護(hù)等級(jí)最小為IP66，且必須為防爆裝置，具體試驗(yàn)方法可以直接參見(jiàn)IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3 單點(diǎn)系泊高壓電滑環(huán)試驗(yàn)方案

為了合理全面的檢測(cè)高壓電滑環(huán)的電氣性能，本方案綜合考慮了電滑環(huán)的電氣性能、高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的型式試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及試驗(yàn)過(guò)程中拆接線的便利情況，制定以下方案：

第一步：將樣機(jī)電氣元件安裝于旋轉(zhuǎn)工裝上。

第二步：將集電環(huán)6等分并做相應(yīng)標(biāo)記1-6。

第三步：操作旋轉(zhuǎn)工裝將電刷一次旋轉(zhuǎn)到集電環(huán)的6個(gè)位置，并記錄接觸情況，接觸情況可以使用壓力傳感器或高精度距離檢測(cè)儀器。

第四步：參考IEC62271-1-6.4標(biāo)準(zhǔn)，使用ZRY-III型測(cè)試儀檢測(cè)每一項(xiàng)的主回路電阻值，并記錄表格中，阻值不應(yīng)超過(guò)0.01Ω。

第五步：參考GB50150-1.0.10標(biāo)準(zhǔn)，使用ZC-7型絕緣電阻表檢測(cè)相間和相地的絕緣電阻值，并記錄表格中，絕緣電阻不能小于250MΩ。

第六步：參考IEC60060-1-6和IEC60071-1-5.10標(biāo)準(zhǔn)，使用工頻試驗(yàn)升壓裝置，對(duì)相間和相地進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，電壓等級(jí)應(yīng)先進(jìn)行28kV實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的工頻耐壓試驗(yàn)。

第七步：根據(jù)高壓電滑環(huán)電氣性能，滑動(dòng)接觸面應(yīng)進(jìn)行額定電流下和過(guò)載電流下的載流電壓降檢測(cè)，試驗(yàn)裝置采用BN90B便攜式升流器和高精度毫伏表，檢測(cè)的數(shù)據(jù)應(yīng)記錄在表格中，阻值不能大于0.01Ω。