内转塔式单点系泊系统电滑环电气组件结构设计研究
摘 要:研究了国外内转塔式单点系泊系统电滑环的结构形式，提出一种电滑环电气组件结构设计，并通过研发试验装备进行装配精度、主回路电阻及耐压、载流电压降检测、动静态连续大电流等试验验证电滑环中电气组件工作过程中的可行性与合理性。
关键词：内转塔式 单点系泊 电滑环 电刷 集电环
The Investigation of internal turret single point mooring slip ring electrical components structure design
Abstract: Research the structure of turret mooring system slip ring abroad，presents a slip ring structure design， and through the research on the feasibility of assembly precision test equipment，main circuit resistance and withstand voltage, current drop detection, dynamic continuous high current test of static electric slip ring in the working process and rationality.
Keywords: Internal turret; Single point mooring; Slip ring; Brush; Ring
中图分类号：U676
0 前言
随着国民经济的快速增长，我国的能源需求也在快速增长，天然气作为一种高效、清洁的能源必成为国家重点扶持产业。在未来的一段时间内，我国的天然气消费量将有超过50%的用量来自国外，大规模进口天然气将成为我国能源构成的发展趋势。在中国南海的石油和天然气资源丰富，采用内转塔单点系泊LNG-FPSO，是被广泛认可的油气开采方式。
早在在20世纪80年代初，SBM提出一种转塔式概念，并将该装置安装在一艘浮式储油轮的船艉安装，正式将转塔概念应用于实际[1]。随后该公司又进一步开发了外转塔可解脱立管系泊系统，并将其应用于澳大利亚西北海岸飓风区的Jabiru油田开发中，由此开启了研究开发转塔系泊技术之门[2]。转塔系泊的工作原理与其他单点系泊方式一样，也是将FPSO通过一定的连接方式固定在海上的系泊点上，使之可随风、浪和水流的作用进行360°全方位的自由旋转，形成风标效应，以规避风浪带来的破坏力，从而降低系统在风浪流外界干扰力作用下的环境载荷和运动响应[3]。
转塔系泊系统主要由转塔、液体传输系统、转塔旋转系统或转台、界面连接系统这四个部分组成。其中转塔既是FPSO的系泊点，也是立管和其他脐带系统经海底到达船体甲板的通道口，它与甲板设施相对固定的特点保证了在复杂海况下FPSO也能与海底井口之间实现不间断的油气输送，是转塔系泊技术的核心所在[4][5]。内转塔式单点系泊系统是海上FPSO系统的三大核心组成部分之一，投资（设计、制造和海上安装）约占整个FPSO系统的1/3。FPSO船体部分设计和建造技术国内已完全掌握；FPSO上部工艺处理模块国内已具有系统集成设计能力，但主要工艺处理设备均依赖进口[6]。
除了单点系泊系统设计技术外，该类单点系统中连接转动与非转动油气管道的供电所需的电滑环又是单点系泊系统中核心的关键部件。目前，中海油在中国海域使用的FPSO，其单点系泊系统、电滑环，从设计到加工制造全部为国外垄断，技术封锁非常严重[7]。本文将提出一种内转塔式单点系泊系统中关键部件之一电滑环中电气组件的结构设计，从而打破在该领域单纯依靠进口，关键技术国外公司的垄断的局面。
1 电滑环结构设计
电滑环能够提高系统性能，简化系统结构，避免导线在旋转过程中造成扭伤，是实现两个相对转动机
构间的图像、数据信号及电力传递的精密输电装置[8]。单点电滑环担负着油田的动力传输的功能，是以FPSO为生产主体的油田的核心部件，其可靠性和安全性直接影响着油田的正常运行[9]。对于单点电滑环系统如图1所示，其电气组件中电刷和集电环在长期接触旋转的过程中不可避免的产生接触不良现象，这种现象首先反映出来的症状是在两个电气接触面上出现由于接触不良产生的局部放电现象。一旦接触面上产生局部放电后会在靠近介质表面的局部体积中温度迅速升高引起介质的热熔解，微观上在电气结合面上产生烧蚀现象，使电刷和固定铜环的接触产生更大的气隙，导致更大量值的局部放电现象的发生，从而形成恶性循环最后导致故障的发生。
图1海洋石油113原单点电滑环
Fig 1 Offshore oil 113 single point electric slip ring
本文提出的内转塔式单点系泊系统电滑环内部电气组件的结构设计如图2所示，四个集电环1由绝缘端子2沿轴向支承，满足11KV电压等级下电滑环绝缘要求。电刷4固定于输出端子，可绕集电环1做360°旋转，将集电环上的电及其它信号通过电刷传递到输出端完成传输。在传输的过程中通过以下两种方式避免电刷和集电环两个电气接触面接触不良所产生局部放电现象：
（1）在电刷上设计安装了弹性导电触指，当集电环安装过程中出现微量面跳动时可以进行弹性调节，保证两电气接触面接触面积，满足导电及信号传输需求。
（2）电刷中部两个前后分布的导柱与电刷本体形成沿导柱轴向方向调整理电刷工作位置的自适应结构，当集电环有超过1mm的面跳动时，可以自动调整电刷与集电环的接触位置。以上两种方式从弹性调节、位移调节可以有效的避免由于电刷和集电环接触不良所产生的局部放电现象的产生电刷详细结构如图3所示。
图2电滑环电气组件
Fig 2 Slip ring electrical components
1固定板；2导柱；3刷片上固定板；4弹性导电触指；5定位块；6刷片下固定板；7导出板
图3电刷结构图
Fig. 3 Brush structure
2 集电环的装配精度测试
由于集电环作为电力及信息输入部件，工作中转动速度及转动时间没有规律，其装配精度对于电刷的使用寿命有着极其重要的影响，因此对于安装好的集电环需进行装配精度检测。
图3检测位置示意图
Fig. 3 Schematic diagram of detection position
该试验检查集电环与电刷的所有部件均安装在试验工装上螺栓紧固好状态下，用百分表检测集电环的面跳动度，检测位置如图3所示。检测发现最大偏差位置出现在第三个集电环处，偏差值为0.8mm<1mm满足试验设计要求。
表1集电环安装检测（0.01mm）
Table 1 Installation inspection of collector ring (0.01mm)
3 主回路电阻及耐压试验
使用ZRY-III型接触电阻测试仪对电滑环内部回路进行电阻检测，使其满足要求,然后按照图4所示，接触电阻测试仪的两端分别连接到进出线端子处，启动接触电阻测试仪，在A点和B点接通通直流100A的电流，检测回路电阻值的大小。
图4主回路测试位置
Fig. 4 test position of main circuit
检测各回路在室内温度17.8℃情况下，回路A、回路B、回路C、回路D的电阻值最小值为117.7μΩ，最大值为188.5μΩ，均符合IEC62271-1-6.4高压开关设备和控制设备规范，检测值如表2所示。
表2主回路电阻检测(μΩ)
4 载流电压降检测
利用BN90B便携式升流器(INPUT:220V/22.7A、OUTPUT:5V/1000A)毫伏表及工频试验升压装置，分别进行相间、相地的耐压试验。将便携式升流器的两端接到被测相进出线端子，逐渐升高输出电流，如出现烧损现象马上断电停止。在电流升高到315A，347A，473A时用毫伏表两端分别在进出线端子处进行测量，试验数据见表3，表中计算的各个回路的阻值应小于0.01Ω，符合BV规范PTC. CH2.SEC17.5.7。
表3载流电压降检测
5动静态连续大电流试验
（1）静态连续大电流试验
将集电环、电刷与双馈变流器式大电流发生装置连接好，根据图5所示接好连线，其中变频器输出端接出线端子上，三相集电环短接在一起。通过双馈变流器式大电流发生装置为回路提供大电流，使电流逐渐最大增加到额定电流347A，保持长时间稳定运行。在运行期间，随时观察电流波形的变化。同时用红外温度测量仪测量并记录电滑环运行过程中的各部位的温度。
（2）动态连续大电流试验
测试前首先将试验工装的变频器部分连接完成，启动变频器使集电环开始旋转，然后进行与静态试验相同的步骤，在工装旋转的过程中可随时更改集电环的转速，实现转速无规则变化。
图5试验工装电气原理
Fig. 5 Electrical principle of test fixture
1断路器；2接触器1；3整流桥；4预充电电阴；5接触器2；6双馈变流器；7电抗器；8PLC；9上位机；10循环水冷系统；11出线段子；12集电环
该试验通过连续不间断的对于静态状态、匀速正反转动态状态、转速无规则变化状态，分别对于回路A、回路B、回路C、回路D的左右两个电刷共计八个电刷在载流315A、347A情况下，进行电刷弹性导电触指与集电环接触部位进行红外线测温，在测试8h时最高温度仅为25.8℃，没有发生由于接触不良导致的局部接触温度过高集电环与电刷表面烧伤情况，由此可以看出在表3中集电环3面跳动度值为0.8mm时仍能保持良好的接触性能，说明电刷的弹性导电触指及沿导柱轴向方向的自适应调节效果显著，具体测试数据见表5。
表5动静态连续大电流试验(℃)
6 结论
（1）提出内转塔式单点系统电滑环结构设计，给出了完整的设计体系及详细的结构设计。
（2）对电滑环工作过程中电刷与集电环产生局部接解不良情况进行分析，提出电刷的结构设计原理，以避免由于接触不良导致接触部位烧伤影响使用寿命，并通过试验对接触面温度进行监测该设计可以满足使用需求。
（3）对电滑环进行装配精度、主回路电阻及耐压、载流电压降检测、动静态连续大电流等工程试验，验证了电滑环实际工作过程中的可行性。
参考文献
[1] 刘志刚，何炎平.FPSO转塔系泊系统的技术特征及发展趋势[J].中国海洋平台 2006 21(5):1-6 (Liu zhigang, He yanping. The technical characteristics and development trend of FPSO turret mooring systems[J].China Offshore Platform 2006 21(5):1-6)
[2] Mace A. J. Hunter K. C. Disconnectable Riser Turret Mooring System for Jabiru's Tanker-based Floating Production System[J].
[3] 肖龙飞,杨建民,胡志强. 极浅水单点系泊FPSO低频响应分析[J]. 船舶力学,2010,(04):372-378.(Xiao Longfei ,Yang Jianmin,Hu Zhiqiang. Analysis on the low frequency response of a single point moored FPSO in ultra-shallow water [J]. Journal of Ship Mechanics, 2010,(04):372-378.(In Chinese))
[4] Christoph Vogt，Martin L. Goodman，J. A. Han. Turret Mooring System: The Key to Oil Production in the Extreme Atlantic Frontier[J]. OTC10957， OTC'31， 1999， 2(II); 241 -254.
[5] LT England，A. Duggal，A. Queen，"A Comparison Between Turret and Spread Moored F(P)SOs for Deepwater Field Developments"，Deep Offshore Technology 2001.
[6] 刘生法. 内转塔式单点系泊系统介绍[J]. 广东造船,2014,(02):25-28.(Liu Fasheng. On the Topic of Internal Turret Mooring System[J].Guangdong Ship building 2014,(02):25-28.( (In Chinese))
[7] 白雪平，李达，范模，易丛，邹星. 内转塔式单点系泊系统设计方法研究[J]. 海洋工程，2015，(03):36-42.(BAI Xueping,LI Da,FAN Mo,YI Cong,ZHOU Xing. Studies of internal turret mooring system design[J].The Ocean Engineering, 2015，(03):36-42(In Chinese))
[8] 薛萍，陈少兵，刘丽. 电滑环中的导电环和电刷[J]. 光纤与电缆及其应用技术，2012，(01):11-13.( XUE Ping, CHEN Shaobing, LIU Li, The Ring and Brush in the Slip-Ring[J]. Optical Fiber& Electric Cable, 2012，(01):11-13.(In Chinese))
[9] 魏跃峰,杨建民,陈刚,胡志强. FDPSO单点系泊定位水动力性能的数值计算和模型试验研究[J]. 船舶力学,2014,(04):395-405.(WEI Yue-feng, YANG Jian-min, CHEN Gang, HU Zhi-qiang. Numerical and model research on the hydrodynamic performance of FDPSO with single point mooring system[J]. Journal of Ship Mechanics, 2014,(04):395-405. (In Chinese)
