單點系泊高壓電滑環性能試驗技術研究

馮城+劉迪+邵心

摘 要：高壓電滑環作為單點系泊系統核心與關鍵裝置之一，是FPSO和FLNG向附近設備供電的最重要環節。本文在參考國內外電滑環試驗及電氣設備試驗標準的基礎上詳細介紹了一種單點系泊系統高壓電滑環的試驗方案，該方案完成了目標樣機的電氣性能檢測，并通過了國外某船級社的認證和國內專業高壓試驗室的檢驗，目前為國內首創，還未形成相關標準。

關鍵詞：單點系泊；高壓電滑環；性能試驗；FPSO；FLNG

目前，我國各大海域所使用的單點系泊系統電滑環從設計制造到試驗檢驗全部被國外壟斷，技術封鎖非常嚴重。為了確保自主研發的樣機具備在單點系泊系統中的使用條件，需要對樣機的各項指標進行驗證，但是如何驗證和確定試驗方案一直沒有可借鑒的經驗。基于上述問題，通過參考高壓開關設備的IEC檢驗標準，并與國內某知名高壓試驗室相關技術人員的反復交流，制定了一整套針對單點系泊系統高壓電滑環的試驗檢驗方案，最終通過了國外權威機構的認可。

1 內轉塔式高壓電滑環試驗樣機簡介

試驗樣機為一套11kV內轉塔式單點系泊系統高壓電滑環，安裝于氣體滑環的上方、信號滑環的下方，電纜為側進下出，出線電纜通過氣體滑環的中間軸進入海底。輸出容量6000kW，電壓等級11kV，4通道（3用1 備），工作溫度為-20℃至+50℃，最高溫升80℃。整個電滑環內部填充壓力氮氣，防爆標記為Expx-IIA-T3。

電滑環主要由軸、罩子、軸承、密封圈、電刷、集電環、電纜等部件組成。其中軸、罩子、軸承、密封圈為機械外殼部分，其相關試驗只需驗證機械壽命和防爆性能即可，不再專門介紹。集電環為定子，相對于海面靜止不動；電刷為轉子，可以圍繞集電環進行360°無規則旋轉，并在旋轉過程中保持電力的穩定傳輸；通道之間由絕緣子固定，間距滿足相關IEC標準要求。詳細結構如圖1所示

2 電氣性能分析及相關標準、規范要求

單點系泊系統高壓電滑環屬于高壓電氣裝置，檢測的各項指標必須滿足該裝置的所有電氣性能，如絕緣、耐壓、載流、溫升以及密封防護等。檢驗的標準可以參考高壓開關設備的部分要求和船級社的通用規范，但檢驗規程需考慮電滑環的工作原理及使用工況，最終形成完整的試驗方案。

2.1 電氣性能分析

2.1.1 絕緣耐壓性能

高壓設備的絕緣耐壓性能主要考慮導體運行環境（內部填充物）、支撐固件（絕緣子）以及導體間距（相相和相地）等三個因素。

本裝置內部填充壓力氮氣，導電元件在設備運行時的絕緣效果大約是標準大氣壓下空氣的1.2倍左右[1]，也就是說如果沒有特殊要求，在標準大氣壓下空氣環境進行絕緣耐壓試驗即可。

支撐絕緣子是保證電滑環絕緣特性的關鍵部件，可以采用市面上的標準產品，這些產品出廠前一般已進行過型式試驗，無需單獨檢測。

電滑環內部的導體間距已按照不低于IEC標準進行設計，其電壓等級為11kV，為了檢測其絕緣特性，需在實驗室內應進行28kV耐壓試驗和75kV雷電沖擊試驗，并在出廠時進行42kV耐壓試驗。

2.1.2 載流能力

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

在高壓電滑環的主回路里，電阻較大時，分壓也越大，會造成發熱燒毀器件或造成三相電壓不平衡，導致周圍海洋平臺的正常工作受到影響，所以主回路電阻值是該裝置的一項重要檢測指標，根據本裝置的電氣參數和特性，主回路電阻值不應大于0.01Ω。

接觸面的電壓降主要考察的是電刷與集電環接觸面的導電能力，電滑環的核心原理就是旋轉導電，也就是當電刷與集電環發生相對運動時可以保持電力的穩定傳輸。而接觸面壓力太小會造成兩者間接觸不良而跳火；壓力太大，火花也會大，并且不耐磨[3]。為了保障核心元件的使用壽命，應檢測額定電流下和過載電流下接觸面的電壓降，并對比分析阻值的變化情況。

溫升試驗是高壓導電設備必做的試驗之一，這里主要是檢測電滑環在額定電流下導電元件各個位置的溫度及變化情況，目的是考察樣機是否符合工況使用要求，即最高溫升小于80℃。

當系統發生短路故障時，電滑環應具備承載額定峰值耐受電流和額定短時耐受電流的能力，不能因下端回路發生短路故障而直接損壞，所以樣機應進行該項性能的檢測。

2.1.3 密封防護

電氣設備的密封防護能力即IP等級，因本裝置使用位置在LNG-FPSO設備上，防護等級最小為IP66，且必須為防爆裝置，具體試驗方法可以直接參見IEC相關標準。

3 單點系泊高壓電滑環試驗方案

為了合理全面的檢測高壓電滑環的電氣性能，本方案綜合考慮了電滑環的電氣性能、高壓開關設備的型式試驗標準以及試驗過程中拆接線的便利情況，制定以下方案：

第一步：將樣機電氣元件安裝于旋轉工裝上。

第二步：將集電環6等分并做相應標記1-6。

第三步：操作旋轉工裝將電刷一次旋轉到集電環的6個位置，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儀器。

第四步：參考IEC62271-1-6.4標準，使用ZRY-III型測試儀檢測每一項的主回路電阻值，并記錄表格中，阻值不應超過0.01Ω。

第五步：參考GB50150-1.0.10標準，使用ZC-7型絕緣電阻表檢測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標準，使用工頻試驗升壓裝置，對相間和相地進行工頻耐壓試驗，電壓等級應先進行28kV實驗室內的工頻耐壓試驗。

第七步：根據高壓電滑環電氣性能，滑動接觸面應進行額定電流下和過載電流下的載流電壓降檢測，試驗裝置采用BN90B便攜式升流器和高精度毫伏表，檢測的數據應記錄在表格中，阻值不能大于0.01Ω。