单点系泊高压电滑环性能试验技术研究

摘 要：高压电滑环作为单点系泊系统核心与关键装置之一，是FPSO和FLNG向附近设备供电的最重要环节。本文在参考国内外电滑环试验及电气设备试验标准的基础上详细介绍了一种单点系泊系统高压电滑环的试验方案，该方案完成了目标样机的电气性能检测，并通过了国外某船级社的认证和国内专业高压试验室的检验，目前为国内首创，还未形成相关标准。

关键词：单点系泊；高压电滑环；性能试验；FPSO；FLNG

目前，我国各大海域所使用的单点系泊系统电滑环从设计制造到试验检验全部被国外垄断，技术封锁非常严重。为了确保自主研发的样机具备在单点系泊系统中的使用条件，需要对样机的各项指标进行验证，但是如何验证和确定试验方案一直没有可借鉴的经验。基于上述问题，通过参考高压开关设备的IEC检验标准，并与国内某知名高压试验室相关技术人员的反复交流，制定了一整套针对单点系泊系统高压电滑环的试验检验方案，最终通过了国外权威机构的认可。

1 内转塔式高压电滑环试验样机简介

试验样机为一套11kV内转塔式单点系泊系统高压电滑环，安装于气体滑环的上方、信号滑环的下方，电缆为侧进下出，出线电缆通过气体滑环的中间轴进入海底。输出容量6000kW，电压等级11kV，4通道（3用1 备），工作温度为-20℃至+50℃，最高温升80℃。整个电滑环内部填充压力氮气，防爆标记为Expx-IIA-T3。

电滑环主要由轴、罩子、轴承、密封圈、电刷、集电环、电缆等部件组成。其中轴、罩子、轴承、密封圈为机械外壳部分，其相关试验只需验证机械寿命和防爆性能即可，不再专门介绍。集电环为定子，相对于海面静止不动；电刷为转子，可以围绕集电环进行360°无规则旋转，并在旋转过程中保持电力的稳定传输；通道之间由绝缘子固定，间距满足相关IEC标准要求。详细结构如图1所示

2 电气性能分析及相关标准、规范要求

单点系泊系统高压电滑环属于高压电气装置，检测的各项指标必须满足该装置的所有电气性能，如绝缘、耐压、载流、温升以及密封防护等。检验的标准可以参考高压开关设备的部分要求和船级社的通用规范，但检验规程需考虑电滑环的工作原理及使用工况，最终形成完整的试验方案。

2.1 电气性能分析

2.1.1 绝缘耐压性能

高压设备的绝缘耐压性能主要考虑导体运行环境（内部填充物）、支撑固件（绝缘子）以及导体间距（相相和相地）等三个因素。

本装置内部填充压力氮气，导电元件在设备运行时的绝缘效果大约是标准大气压下空气的1.2倍左右[1]，也就是说如果没有特殊要求，在标准大气压下空气环境进行绝缘耐压试验即可。

支撑绝缘子是保证电滑环绝缘特性的关键部件，可以采用市面上的标准产品，这些产品出厂前一般已进行过型式试验，无需单独检测。

电滑环内部的导体间距已按照不低于IEC标准进行设计，其电压等级为11kV，为了检测其绝缘特性，需在实验室内应进行28kV耐压试验和75kV雷电冲击试验，并在出厂时进行42kV耐压试验。

2.1.2 载流能力

电气设备的载流能力主要考虑的是主回路的电阻值、接触面工作时的电压降、系统温升和短路电流耐受情况，仿真结果如图2所示。

在高压电滑环的主回路里，电阻较大时，分压也越大，会造成发热烧毁器件或造成三相电压不平衡，导致周围海洋平台的正常工作受到影响，所以主回路电阻值是该装置的一项重要检测指标，根据本装置的电气参数和特性，主回路电阻值不应大于0.01Ω。

接触面的电压降主要考察的是电刷与集电环接触面的导电能力，电滑环的核心原理就是旋转导电，也就是当电刷与集电环发生相对运动时可以保持电力的稳定传输。而接触面压力太小会造成两者间接触不良而跳火；压力太大，火花也会大，并且不耐磨[3]。为了保障核心元件的使用寿命，应检测额定电流下和过载电流下接触面的电压降，并对比分析阻值的变化情况。

温升试验是高压导电设备必做的试验之一，这里主要是检测电滑环在额定电流下导电元件各个位置的温度及变化情况，目的是考察样机是否符合工况使用要求，即最高温升小于80℃。

当系统发生短路故障时，电滑环应具备承载额定峰值耐受电流和额定短时耐受电流的能力，不能因下端回路发生短路故障而直接损坏，所以样机应进行该项性能的检测。

2.1.3 密封防护

电气设备的密封防护能力即IP等级，因本装置使用位置在LNG-FPSO设备上，防护等级最小为IP66，且必须为防爆装置，具体试验方法可以直接参见IEC相关标准。

3 单点系泊高压电滑环试验方案

为了合理全面的检测高压电滑环的电气性能，本方案综合考虑了电滑环的电气性能、高压开关设备的型式试验标准以及试验过程中拆接线的便利情况，制定以下方案：

第一步：将样机电气元件安装于旋转工装上。

第二步：将集电环6等分并做相应标记1-6。

第三步：操作旋转工装将电刷一次旋转到集电环的6个位置，并记录接触情况，接触情况可以使用压力传感器或高精度距离检测仪器。

第四步：参考IEC62271-1-6.4标准，使用ZRY-III型测试仪检测每一项的主回路电阻值，并记录表格中，阻值不应超过0.01Ω。

第五步：⒖GB50150-1.0.10标准，使用ZC-7型绝缘电阻表检测相间和相地的绝缘电阻值，并记录表格中，绝缘电阻不能小于250MΩ。

第六步：参考IEC60060-1-6和IEC60071-1-5.10标准，使用工频试验升压装置，对相间和相地进行工频耐压试验，电压等级应先进行28kV实验室内的工频耐压试验。

第七步：根据高压电滑环电气性能，滑动接触面应进行额定电流下和过载电流下的载流电压降检测，试验装置采用BN90B便携式升流器和高精度毫伏表，检测的数据应记录在表格中，阻值不能大于0.01Ω。

第八步：参考IEC60060-1-6和GB/T 11022-4.3标准，使用工频试验升压装置，对相间和相地进行工频耐压试验，电压等级应先进行42kV产品出厂的工频耐压试验。

第九步：为了更好的验证样机的使用效果和工作寿命，本方案专门针对样机设计了一套动、静态长时间带载测试系统。测试系统可以模拟高压电滑环的实际运行工况，高低速动态变化，并带有额定电流[4]，且具备测温功能。整个实验过程完毕后，实现样机在海上8～10年的模拟运行，记录相关的运行参数，见图3。

第十步：由于雷电冲击试验可能具有破坏性，所以安排在基本性能试验完成后进行，试验参考IEC60060-1.7和IEC60071-1.5.10标准。

第十一步：温升和短路电流冲击试验可直接参考高压开关设备的试验标准进行，无需专门研制工装。

第十二步：为了防止由于水进入壳内对电滑环造成有害影响，应参考IEC60529标准对电滑环进行防水测试，用标准试验喷嘴在所有可能位置向被试电滑环外壳喷水，如果进水，应不足以影响设备的正常操作或破坏安全性；水不积聚在可能导致沿爬电距离引起漏电起痕的绝缘部件上；水不进入带电部件，或进入不允许在潮湿状态下运行的绕组；水不积聚在电缆头附近或进入电缆。

4 结论

电滑环样机功能试验是检测其各项指标是否满足设计要求的必要手段，也是验证样机是否可以作为产品进行推广的基本要求，试验方案的合理性和试验检测的准确性对于样机的质量有着决定性的意义。

本文论述的单点系泊系统高压电滑环试验方案全面考量了样机的绝缘耐压、载流温升、密封防护以及使用寿命等性能指标，完成试验的设备可直接应用于目标场所进行使用，寿命可达8-10年。该方案不仅适用于单点系泊系统的高压电滑环，也可为其他种类高压电滑环的检验提供参考，属于国内首创，对该种类电气设备型式试验标准的产生具有借鉴和参考的重要价值。

参考文献

[1]张乔根，王友功. 电气电子绝缘技术手册：气体和液体电介质[G]. 北京：机械工业出版社，2008.1.

[2]GBJ149-90，电气装置安装工程母线装置施工及验收规范[S]

[3]冯智海，窦满锋，师春月. 低气压及真空l件下有刷直流电机电刷磨损的研究[J]. 西北工业大学，陕西，西安 710072

[4]张海波，冯城，鞠贵祥，等. 双馈变流器式大电流发生装置：中国ZL 201620786080.2[P]2016-07-25.