[发明专利]自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统和方法

说明书

本发明披露了一种自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统，包括可关断整流器、直流母线、可关断逆变器、以及母线隔离开关。两个可关断整流器位于直流母线的两端；4个可关断逆变器连接直流母线；可关断逆变器驱动钻井设备电机；两段母线之间通过直流母线隔离开关连接。保护控制器连接第2个可关断整流器以及4个可关断逆变器。本发明进一步披露了一种自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护方法，包括电流与电压实时监测、交流负荷区过流判别与保护处理、直流母线区过流判别与保护处理、交流输入区过流判别与保护处理、故障复位信号监测、故障复位处理等步骤。本发明能够在数十微秒内中断故障电流并隔离故障点。

技术领域

本发明涉及电力配电系统的保护技术，特别是一种关于自升式平台钻井变频驱动直流配电的过流保护系统和过流保护方法。

技术背景

钻井变频驱动系统是自升式平台重要组成部分之一，完成海上石油钻采作业。为了减小变频器的体积与造价，提升制动能量的利用率，变频驱动系统多采用公共母线的直流配电方式。两个大容量整流器将交流电经过整流后向公共直流母线供电，母线上的各个逆变器将直流电经逆变后输出电压频率可调的交流电，驱动泥浆泵、绞车、转盘和顶驱等钻井设备的变频电机。

变频驱动系统直流配电具有如下特点：配电线路较短，线路阻抗很小，相邻两级保护的动作阈值难以整定；公共直流母线两端供电，拓扑结构复杂，潮流双向流动；发生过流或短路故障时，整流器与逆变器的滤波大电容瞬间放电，故障电流迅速上升；普通整流器与逆变器的过流能力低，开关器件极易损坏。

变频驱动系统直流配电传统保护方案，采用整流器交流侧断路器与逆变器直流侧断路器相结合的方法来隔离故障区域。当整流器与公共直流母线出现故障时，故障电流使交流侧断路器断开，避免交流电源通过反并二极管向故障点续流；当逆变器及其交流负荷区出现故障时，故障电流使直流侧断路器断开，防止故障蔓延影响其它设备的正常运行。传统保护方案有以下缺点：(1)交流断路器断开动作较慢，通常需要数十毫秒，无法保证器件的安全性；(2)无法对直流滤波大电容的快速放电进行有效控制，导致直流侧故障恢复慢；(3)直流电不存在电流自然过零点，直流断路器灭弧困难，存在动作时间长、分断能力低的缺陷；(4)保护的选择性差，故障可能导致大规模停电。

发明内容

针对上述现状与相关技术存在的问题，本发明设计了一种适用于自升式平台钻井变频驱动直流配电的过流保护系统，应用电容放电断路器、可关断整流器与可关断逆变器技术，快速有效地中断故障电流切除故障设备，实现变频驱动系统直流配电的过流保护。传统的保护方案，应用交直流断路器作为保护装置，断路器的断开动作时间长达几十毫秒，无法保证保护的快速性和选择性，不能迅速准确地切除故障设备。而本系统能在几十微秒之内快速准确地隔离故障设备，实现变频驱动系统的直流配电过流保护，有效地增强了保护的快速性与选择性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，为钻井变频驱动系统提供安全保障。

本发明首先提供一种自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统，技术方案如下：

第一可关断整流器和第二可关断整流器位于第一直流母线和第二直流母线的一端，将交流电整流滤波后，分别向第一直流母线和第二直流母线提供直流电；四个可关断逆变器中的两个连接第一直流母线，另外两个连接第二直流母线，将直流电逆变成交流电；每个可关断逆变器驱动一台钻井设备电机；整个配电系统划分为3个保护区域，由下游向上游依次为：交流负荷区、直流母线区(包括整流器直流输出区域和逆变器直流输入区域)以及交流输入区；第一直流母线和第二直流母线之间通过直流母线隔离开关连接，直流母线隔离开关在非故障期间处于闭合状态；保护控制器连接第一可关断整流器、第二可关断整流器以及四个可关断逆变器。其中交流输入区表示可关断整流器的交流电源输入端和整流开关元件，直流母线区表示可关断整流器的直流输出端以及直流母线与可关断逆变器直流输入端，交流负荷区表示可关断逆变器的交流输出端与正弦波滤波器。