本發(fā)明涉及電力配電系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)，特別是一種關(guān)于自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電的過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)和過(guò)流保護(hù)方法。

技術(shù)背景

鉆井變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是自升式平臺(tái)重要組成部分之一，完成海上石油鉆采作業(yè)。為了減小變頻器的體積與造價(jià)，提升制動(dòng)能量的利用率，變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用公共母線的直流配電方式。兩個(gè)大容量整流器將交流電經(jīng)過(guò)整流后向公共直流母線供電，母線上的各個(gè)逆變器將直流電經(jīng)逆變后輸出電壓頻率可調(diào)的交流電，驅(qū)動(dòng)泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)等鉆井設(shè)備的變頻電機(jī)。

變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流配電具有如下特點(diǎn)：配電線路較短，線路阻抗很小，相鄰兩級(jí)保護(hù)的動(dòng)作閾值難以整定；公共直流母線兩端供電，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，潮流雙向流動(dòng)；發(fā)生過(guò)流或短路故障時(shí)，整流器與逆變器的濾波大電容瞬間放電，故障電流迅速上升；普通整流器與逆變器的過(guò)流能力低，開(kāi)關(guān)器件極易損壞。

變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流配電傳統(tǒng)保護(hù)方案，采用整流器交流側(cè)斷路器與逆變器直流側(cè)斷路器相結(jié)合的方法來(lái)隔離故障區(qū)域。當(dāng)整流器與公共直流母線出現(xiàn)故障時(shí)，故障電流使交流側(cè)斷路器斷開(kāi)，避免交流電源通過(guò)反并二極管向故障點(diǎn)續(xù)流；當(dāng)逆變器及其交流負(fù)荷區(qū)出現(xiàn)故障時(shí)，故障電流使直流側(cè)斷路器斷開(kāi)，防止故障蔓延影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行。傳統(tǒng)保護(hù)方案有以下缺點(diǎn)：(1)交流斷路器斷開(kāi)動(dòng)作較慢，通常需要數(shù)十毫秒，無(wú)法保證器件的安全性；(2)無(wú)法對(duì)直流濾波大電容的快速放電進(jìn)行有效控制，導(dǎo)致直流側(cè)故障恢復(fù)慢；(3)直流電不存在電流自然過(guò)零點(diǎn)，直流斷路器滅弧困難，存在動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)、分?jǐn)嗄芰Φ偷娜毕荩?4)保護(hù)的選擇性差，故障可能導(dǎo)致大規(guī)模停電。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)狀與相關(guān)技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種適用于自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電的過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)用電容放電斷路器、可關(guān)斷整流器與可關(guān)斷逆變器技術(shù)，快速有效地中斷故障電流切除故障設(shè)備，實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流配電的過(guò)流保護(hù)。傳統(tǒng)的保護(hù)方案，應(yīng)用交直流斷路器作為保護(hù)裝置，斷路器的斷開(kāi)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾十毫秒，無(wú)法保證保護(hù)的快速性和選擇性，不能迅速準(zhǔn)確地切除故障設(shè)備。而本系統(tǒng)能在幾十微秒之內(nèi)快速準(zhǔn)確地隔離故障設(shè)備，實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的直流配電過(guò)流保護(hù)，有效地增強(qiáng)了保護(hù)的快速性與選擇性，減輕故障設(shè)備和線路的損壞程度，縮小故障波及范圍，為鉆井變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供安全保障。

本發(fā)明首先提供一種自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)，技術(shù)方案如下：

第一可關(guān)斷整流器和第二可關(guān)斷整流器位于第一直流母線和第二直流母線的一端，將交流電整流濾波后，分別向第一直流母線和第二直流母線提供直流電；四個(gè)可關(guān)斷逆變器中的兩個(gè)連接第一直流母線，另外兩個(gè)連接第二直流母線，將直流電逆變成交流電；每個(gè)可關(guān)斷逆變器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)鉆井設(shè)備電機(jī)；整個(gè)配電系統(tǒng)劃分為3個(gè)保護(hù)區(qū)域，由下游向上游依次為：交流負(fù)荷區(qū)、直流母線區(qū)(包括整流器直流輸出區(qū)域和逆變器直流輸入?yún)^(qū)域)以及交流輸入?yún)^(qū)；第一直流母線和第二直流母線之間通過(guò)直流母線隔離開(kāi)關(guān)連接，直流母線隔離開(kāi)關(guān)在非故障期間處于閉合狀態(tài)；保護(hù)控制器連接第一可關(guān)斷整流器、第二可關(guān)斷整流器以及四個(gè)可關(guān)斷逆變器。其中交流輸入?yún)^(qū)表示可關(guān)斷整流器的交流電源輸入端和整流開(kāi)關(guān)元件，直流母線區(qū)表示可關(guān)斷整流器的直流輸出端以及直流母線與可關(guān)斷逆變器直流輸入端，交流負(fù)荷區(qū)表示可關(guān)斷逆變器的交流輸出端與正弦波濾波器

第一可關(guān)斷整流器和第二可關(guān)斷整流器以及四個(gè)可關(guān)斷逆變器都分別內(nèi)置一個(gè)電容放電斷路器。電容放電斷路器串聯(lián)一個(gè)濾波電容；放電發(fā)射極關(guān)斷晶閘管為濾波電容提供直流放電通路，與放電發(fā)射極關(guān)斷晶閘管并聯(lián)的二極管為濾波電容充電提供通路，放電發(fā)射極關(guān)斷晶閘管和二極管與電阻電容并聯(lián)；電阻電容構(gòu)成緩沖電路提升斷路器開(kāi)斷能力。放電發(fā)射極關(guān)斷晶閘管作為開(kāi)關(guān)器件，控制濾波電容放電電路的通斷。放電發(fā)射極關(guān)斷晶閘管串聯(lián)一個(gè)放電電流傳感器；放電電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電容放電電流，并將信號(hào)傳輸?shù)奖Ｗo(hù)控制器。一旦濾波電容的放電電流超越設(shè)定的閾值，保護(hù)控制器立即向放電發(fā)射極關(guān)斷晶閘管發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，迅速關(guān)斷濾波電容的放電電路，保護(hù)濾波電容免遭大電流燒毀。

第一可關(guān)斷整流器和第二可關(guān)斷整流器都內(nèi)置輸出端電流傳感器、電壓傳感器和輸出端電容放電斷路器。電壓傳感器和串聯(lián)一個(gè)輸出端濾波電容的輸出端電容放電斷路器并聯(lián)，并且按順時(shí)針?lè)较蛞来未?lián)三相全控整流電路、輸出端電流傳感器和隔離二極管。三相全控整流電路通過(guò)交流側(cè)熔斷器組連接三相交流電源。三相全控整流電路將交流電變換成直流電，經(jīng)輸出端濾波電容濾波后分別向第一直流母線和第二直流母線提供平穩(wěn)的直流電。隔離二極管阻止直流母線向相應(yīng)的關(guān)斷整流器和第二可關(guān)斷整流器倒灌電流。三相全控整流電路由三組三相全控整流電路組件并聯(lián)而成。每組三相全控整流電路組件由兩個(gè)二級(jí)三相全控整流電路組件串聯(lián)而成。各個(gè)二級(jí)三相全控整流電路組件由igbt整流開(kāi)關(guān)元件串聯(lián)一個(gè)二極管后與一個(gè)續(xù)流發(fā)射極關(guān)斷晶閘管反向并聯(lián)而成。每組三相全控整流電路組件連接交流側(cè)熔斷器組中的一個(gè)熔斷器。輸出端電流傳感器和電壓傳感器分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相全控整流電路與輸出端電流傳感器之間的整流輸出電流和輸出端電容放電斷路器與濾波電容之間的直流輸出電壓，并將這些信號(hào)傳輸至保護(hù)控制器。如果整流器直流側(cè)發(fā)生故障，整流器輸出電流超越設(shè)定的閾值，保護(hù)控制器瞬間關(guān)斷各個(gè)igbt整流開(kāi)關(guān)元件，而各個(gè)續(xù)流發(fā)射極關(guān)斷晶閘管繼續(xù)保持導(dǎo)通，以區(qū)分短時(shí)過(guò)流或持續(xù)過(guò)流。如果直流輸出電流在幾十微秒內(nèi)持續(xù)超越閾值，并且直流輸出電壓低于設(shè)定閾值，可以確定整流器的直流側(cè)存在持續(xù)短路或過(guò)流故障，保護(hù)控制器再次動(dòng)作關(guān)斷各個(gè)續(xù)流發(fā)射極關(guān)斷晶閘管，中斷故障電流，隔離故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整流器直流輸出側(cè)的保護(hù)。如果整流器交流側(cè)發(fā)生故障，交流輸入電流將劇增，相應(yīng)的輸入端熔斷器快速熔斷，實(shí)現(xiàn)交流側(cè)短路故障保護(hù)。當(dāng)輸出端的濾波電容出現(xiàn)大電流放電時(shí)，輸出端電容放電斷路器在保護(hù)控制器作用下被斷開(kāi)，避免大電流放電損壞輸出端濾波電容。

可關(guān)斷逆變器由三相全控逆變電路串聯(lián)一個(gè)輸入端電流傳感器后與串聯(lián)輸入端濾波電容的輸入端電容放電斷路器并聯(lián)而成。三相全控逆變電路的三相電流經(jīng)過(guò)正弦波濾波器濾波后驅(qū)動(dòng)鉆井設(shè)備電機(jī)。三相全控逆變電路由三組三相全控逆變電路組件并聯(lián)而成。每組三相全控逆變電路組件由兩個(gè)二級(jí)三相全控逆變電路組件串聯(lián)而成。各個(gè)二級(jí)三相全控逆變電路組件由一個(gè)續(xù)流二極管與一個(gè)逆變發(fā)射極關(guān)斷晶閘管反向并聯(lián)而成。每組三相全控逆變電路組件構(gòu)成三相全控逆變電路的一相電流。可關(guān)斷逆變器的輸入端電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入端直流電流，并將信號(hào)傳輸至保護(hù)控制器。當(dāng)可關(guān)斷逆變器的輸入端電流傳感器監(jiān)測(cè)到直流輸入電流持續(xù)數(shù)十微秒超越閾值，認(rèn)為可關(guān)斷逆變器交流負(fù)荷側(cè)存在短路或過(guò)電流故障，保護(hù)控制器將關(guān)斷各個(gè)逆變發(fā)射極關(guān)斷晶閘管，各個(gè)續(xù)流二極管為交流負(fù)載側(cè)提供續(xù)流通路，交流電流將緩慢降至零，中斷故障電流隔離故障點(diǎn)。輸入端電容放電斷路器用于輸入端濾波電容保護(hù)，避免大電流放電損壞輸入端濾波電容。

使用上述的自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)，本發(fā)明的自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)方法包括以下步驟：

步驟510，電流與電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：

各可關(guān)斷逆變器的輸入端電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各可關(guān)斷逆變器的直流輸入電流，輸入端電容放電斷路器的放電電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入端濾波電容的放電電流；各整流器的輸出端電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各整流器的整流輸出電流，輸出端電容放電斷路器的放電電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其輸出端濾波電容的放電電流，電壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其直流輸出電壓，以上實(shí)時(shí)信號(hào)被傳輸至保護(hù)控制器。

步驟520，交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流判別：

如果可關(guān)斷逆變器的輸入端電流傳感器監(jiān)測(cè)的逆變電路直流輸入電流超過(guò)設(shè)定閾值并且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定值，則保護(hù)控制器判定該逆變器的交流負(fù)荷區(qū)存在過(guò)流故障，進(jìn)入步驟530進(jìn)行交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流保護(hù)處理；否則，直接進(jìn)入步驟540。

步驟530，交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流保護(hù)處理，包括步驟5301和步驟5303：

步驟5301，保護(hù)控制器設(shè)置交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流內(nèi)部標(biāo)志，輸出交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流故障報(bào)警信號(hào)。

步驟5303，保護(hù)控制器向該三相全控逆變電路輸出逆變?cè)?qiáng)制關(guān)斷信號(hào)，關(guān)斷各個(gè)逆變發(fā)射極關(guān)斷晶閘管，迅速中斷故障電流隔離過(guò)流故障點(diǎn)。

步驟540，直流母線區(qū)過(guò)流判別：

如果由整流器輸出端電流傳感器監(jiān)測(cè)的輸出電流超過(guò)閾值，則保護(hù)控制器判定直流母線區(qū)存在過(guò)流故障，進(jìn)入步驟550進(jìn)行直流母線區(qū)過(guò)流保護(hù)處理；否則，直接進(jìn)入步驟560。

步驟550，直流母線區(qū)過(guò)流保護(hù)處理，包括步驟5501-步驟5506：

步驟5501，保護(hù)控制器設(shè)置直流母線區(qū)過(guò)流內(nèi)部標(biāo)志；輸出直流母線區(qū)過(guò)流故障報(bào)警信號(hào)。

步驟5502，保護(hù)控制器向該三相全控整流電路輸出整流元件強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)，關(guān)斷各個(gè)igbt整流開(kāi)關(guān)元件，迅速減小整流器輸出電流。

步驟5503，保護(hù)控制器根據(jù)電流與電壓判斷過(guò)流的嚴(yán)重性，如果過(guò)流的持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定值并且直流母線電壓低于閾值，則保護(hù)控制器判定直流母線區(qū)存在持續(xù)短路或過(guò)流故障，進(jìn)入步驟5504；否則，直接進(jìn)入步驟5505。

步驟5504，保護(hù)控制器向該三相全控整流電路輸出續(xù)流元件強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)，關(guān)斷各個(gè)續(xù)流發(fā)射極關(guān)斷晶閘管，中斷故障電流，隔離故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整流器直流輸出側(cè)的保護(hù)。

步驟5505，保護(hù)控制器判斷整流器輸出端的濾波電容放電電流是否過(guò)大，如果濾波電容放電電流大于閾值，進(jìn)入步驟5506；否則，轉(zhuǎn)入步驟560。

步驟5506，保護(hù)控制器向該輸出端電容放電斷路器輸出開(kāi)關(guān)元件強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)，關(guān)斷放電發(fā)射極關(guān)斷晶閘管，斷開(kāi)輸出端電容放電斷路器，避免損壞輸出端的濾波電容。

步驟560，交流輸入?yún)^(qū)過(guò)流判別：

當(dāng)整流器交流輸入電流大于閾值，出現(xiàn)交流輸入?yún)^(qū)過(guò)流故障，進(jìn)入步驟570；否則，進(jìn)入步驟580。

步驟570，交流輸入?yún)^(qū)過(guò)流保護(hù)處理：

交流輸入?yún)^(qū)過(guò)流保護(hù)處理由交流側(cè)熔斷器實(shí)現(xiàn)，熔斷器具有反時(shí)限特性，通過(guò)的電流超過(guò)其熔斷電流時(shí)，在數(shù)十毫秒至數(shù)秒內(nèi)熔斷，具體熔斷時(shí)間取決于故障電流的數(shù)值。交流側(cè)熔斷器熔斷后，中斷故障電流，隔離整流器故障點(diǎn)。

當(dāng)交流輸入?yún)^(qū)出現(xiàn)故障后，該三相全控整流電路的直流輸出電壓下跌，使其隔離二極管截至，阻止直流母線向其倒灌電流，避免故障向直流側(cè)蔓延。

排除交流輸入?yún)^(qū)的故障后，更換交流輸入端的交流側(cè)熔斷器，三相全控整流電路恢復(fù)正常工作，直流配電系統(tǒng)恢復(fù)正常供電。

步驟580，故障復(fù)位信號(hào)監(jiān)測(cè)：

在過(guò)流故障排除后，操作人員人工輸入故障復(fù)位信號(hào)。如果保護(hù)控制器監(jiān)測(cè)到故障復(fù)位信號(hào)，進(jìn)入步驟590；否則，進(jìn)入步驟595。

步驟590，故障復(fù)位處理，包括步驟5901-步驟5905：

步驟5901，保護(hù)控制器監(jiān)測(cè)到故障復(fù)位信號(hào)后，表示操作人員確認(rèn)并排除過(guò)流故障，撤銷由交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流保護(hù)處理步驟530或直流母線區(qū)過(guò)流保護(hù)處理步驟550輸出的過(guò)流報(bào)警信號(hào)。

步驟5902，保護(hù)控制器如果檢測(cè)到交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流標(biāo)志，則表示存在過(guò)交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流故障，進(jìn)入步驟5903；否則，直接進(jìn)入步驟5904。

步驟5903，保護(hù)控制器撤銷交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流標(biāo)志，同時(shí)撤銷逆變?cè)?qiáng)制關(guān)斷信號(hào)，恢復(fù)可關(guān)斷逆變器的正常運(yùn)行。

步驟5904，保護(hù)控制器如果檢測(cè)到直流母線區(qū)過(guò)流標(biāo)志，則表示存在過(guò)直流母線區(qū)過(guò)流故障，進(jìn)入步驟5905。

步驟5905，保護(hù)控制器撤銷直流母線區(qū)過(guò)流標(biāo)志、整流元件強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)、續(xù)流元件強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)以及放電斷路器強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)，恢復(fù)可關(guān)斷整流器的正常運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)故障復(fù)位處理步驟590，變頻驅(qū)動(dòng)直流配電系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

步驟595，如果保護(hù)控制器接收到終止運(yùn)行指令，則停止運(yùn)行；反之，返回至步驟510，重復(fù)以上流程。

本發(fā)明的自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)方法的參數(shù)整定方法按照如下原則：交流負(fù)荷區(qū)和直流母線區(qū)之間的選擇性協(xié)調(diào)控制采用時(shí)間電流原則，逆變器保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間整定值小于整流器時(shí)間整定值，同時(shí)逆變器保護(hù)動(dòng)作的電流整定值小于整流器電流整定值(逆變器容量遠(yuǎn)小于整流器容量)，確保逆變器保護(hù)先于整流器；直流母線區(qū)和交流輸入?yún)^(qū)之間的選擇性協(xié)調(diào)控制采用時(shí)間原則，直流母線區(qū)的電容放電斷路器與整流器的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間僅為數(shù)十微秒，遠(yuǎn)小于整流器熔斷器數(shù)十毫秒的熔斷時(shí)間，確保直流母線區(qū)保護(hù)動(dòng)作先于交流輸入?yún)^(qū)整流器熔斷器。

逆變器保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間整定為30微秒，電流整定為其額定電流的150％；整流器保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間整定為50微秒，電流整定為其額定電流的150％；直流母線電壓整定為額定電壓的80％；電容放電斷路器保護(hù)動(dòng)作的電流整定為其正常值的300％；熔斷器具有反時(shí)限特性，熔斷電流選擇為整流器額定輸入電流的120％，熔斷時(shí)間選擇為數(shù)十毫秒至數(shù)秒，熔斷器具體熔斷時(shí)間取決于故障電流。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的電容放電斷路器示意圖；

圖3是本發(fā)明自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的可關(guān)斷整流器示意圖；

圖4是本發(fā)明自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的三相全控整流電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的可關(guān)斷逆變器示意圖；

圖6是本發(fā)明自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的三相全控逆變電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)方法的流程圖；

圖8是本發(fā)明自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)方法的交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流保護(hù)處理步驟的流程圖；

圖9是本發(fā)明自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)方法的直流母線區(qū)過(guò)流保護(hù)處理步驟的流程圖；

圖10是本發(fā)明自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)方法的故障復(fù)位處理步驟的流程圖。

附圖標(biāo)記如下：1表示第一可關(guān)斷整流器、2表示第二可關(guān)斷整流器、3～6表示可關(guān)斷逆變器、7表示母線隔離開(kāi)關(guān)、8表示第一直流母線、9表示第二直流母線、10表示保護(hù)控制器、m表示鉆井設(shè)備電機(jī)、1501表示放電發(fā)射極關(guān)斷晶閘管、1502表示放電電流傳感器、c表示濾波電容、110表示熔斷器組(由熔斷器f1～f3組成)、120表示三相全控整流電路、130表示輸出端電流傳感器、di表示隔離二極管、140表示電壓傳感器、150表示輸出端電容放電斷路器、160表示輸出端濾波電容器、t1～t6表示igbt整流開(kāi)關(guān)元件、d1～d6表示二極管、q1～q6表示續(xù)流發(fā)射極關(guān)斷晶閘管、210表示輸入端電容放電斷路器、220表示輸入端電流傳感器、230表示三相全控逆變電路、240表示正弦波濾波器、260表示輸入端濾波電容器、e1～e6表示逆變發(fā)射極關(guān)斷晶閘管、g1～g6表示續(xù)流二極管。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，第一可關(guān)斷整流器1和第二可關(guān)斷整流器2，分別位于第一直流母線8和第二直流母線9的一端，將交流電整流濾波后，向第一直流母線8和第二直流母線9提供平穩(wěn)的直流電。可關(guān)斷逆變器3和4連接在第一直流母線8上，可關(guān)斷逆變器5和6連接在第二直流母線9上，將直流電逆變成交流電，驅(qū)動(dòng)鉆井設(shè)備電機(jī)m。整個(gè)自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)劃分為3個(gè)保護(hù)區(qū)域，由下游向上游依次為：交流負(fù)荷區(qū)、直流母線區(qū)以及交流輸入?yún)^(qū)。圖1中的保護(hù)控制器10，應(yīng)用電流與時(shí)間原則，協(xié)調(diào)控制可關(guān)斷整流器與可關(guān)斷逆變器以及電容放電斷路器的開(kāi)關(guān)元件的通斷，實(shí)現(xiàn)直流配電快速而準(zhǔn)確的過(guò)流保護(hù)。在正常運(yùn)行期間，第一直流母線8和第二直流母線9之間的隔離開(kāi)關(guān)7處于閉合狀態(tài)，將兩段第一直流母線8和第二直流母線9連接為一個(gè)整體；當(dāng)其中一段母線出現(xiàn)故障不能繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，母線隔離開(kāi)關(guān)7斷開(kāi)，切除故障段母線，確保正常段母線繼續(xù)運(yùn)行，提高變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性與生命力。

本發(fā)明的第一可關(guān)斷整流器和第二可關(guān)斷整流器以及四個(gè)可關(guān)斷逆變器都分別內(nèi)置一個(gè)電容放電斷路器，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，它與濾波電容c串聯(lián)連接，用來(lái)保護(hù)濾波電容c避免大電流放電。放電發(fā)射極關(guān)斷晶閘管1501為濾波電容c提供直流放電通路，與其并聯(lián)的二極管為濾波電容c充電提供通路，與其并聯(lián)的電阻電容構(gòu)成緩沖電路提升斷路器開(kāi)斷能力。放電發(fā)射極關(guān)斷晶閘管1501作為開(kāi)關(guān)器件，控制濾波電容c放電電路的通斷。放電電流傳感器1502實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電容放電電流，并將信號(hào)傳輸?shù)奖Ｗo(hù)控制器10。一旦濾波電容c放電電流超越設(shè)定的閾值，保護(hù)控制器10立即向放電發(fā)射極關(guān)斷晶閘管1501發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，迅速關(guān)斷濾波電容c放電電路，保護(hù)濾波電容器c免遭大電流燒毀。

本發(fā)明的第一可關(guān)斷整流器和第二可關(guān)斷整流器的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，內(nèi)置輸出端電流傳感器130、電壓傳感器140和輸出端電容放電斷路器150。它通過(guò)交流側(cè)熔斷器組110連接三相交流電源，三相全控整流電路120將交流電變換成直流電，經(jīng)輸出端濾波電容160濾波后向第一直流母線8和第二直流母線9提供平穩(wěn)的直流電，隔離二極管di阻止直流母線向整流器倒灌電流。三相全控整流電路120的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用igbt作為整流開(kāi)關(guān)元件t1～t6，續(xù)流發(fā)射極關(guān)斷晶閘管q1～q6與igbt整流開(kāi)關(guān)元件t1～t6反向并聯(lián)實(shí)現(xiàn)可控續(xù)流。輸出端電流傳感器130和電壓傳感器140實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整流輸出電流irec和輸出電壓udc，并將這些信號(hào)傳輸至保護(hù)控制器10。如果整流器直流側(cè)發(fā)生故障，整流輸出電流irec超越設(shè)定的閾值，保護(hù)控制器10瞬間關(guān)斷該整流器的igbt整流開(kāi)關(guān)元件t1～t6，而續(xù)流發(fā)射極關(guān)斷晶閘管q1～q6繼續(xù)保持導(dǎo)通，以區(qū)分短時(shí)過(guò)流或持續(xù)過(guò)流。如果irec在幾十微秒內(nèi)持續(xù)超越閾值，并且直流電壓udc低于設(shè)定閾值，可以確定整流器的直流側(cè)存在持續(xù)短路或過(guò)流故障，保護(hù)控制器10再次動(dòng)作關(guān)斷續(xù)流發(fā)射極關(guān)斷晶閘管q1～q6，中斷故障電流，隔離故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整流器直流輸出側(cè)的保護(hù)。如果整流器交流側(cè)發(fā)生故障，交流輸入電流將劇增，輸入端熔斷器組110中的熔斷器快速熔斷，實(shí)現(xiàn)交流側(cè)短路故障保護(hù)。當(dāng)輸出端濾波電容160出現(xiàn)大電流放電時(shí)，輸出端電容放電斷路器150在保護(hù)控制器10作用下被斷開(kāi)，避免大電流放電損壞輸出端濾波電容160。

本發(fā)明的可關(guān)斷逆變器的結(jié)構(gòu)原理如圖5所示，它通過(guò)輸入端濾波電容260及其輸入端放電斷路器210連接第一直流母線8或者第二直流母線9，三相全控逆變電路230將直流電變換成三相交流電，經(jīng)正弦波濾波器240后驅(qū)動(dòng)鉆井設(shè)備電機(jī)。三相全控逆變電路230的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，采用逆變發(fā)射極關(guān)斷晶閘管e1～e6作為逆變開(kāi)關(guān)元件，以提升開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)頻率和過(guò)流能力，g1～g6為續(xù)流二極管。輸入端電流傳感器220實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入端直流電流idc，并將信號(hào)傳輸至保護(hù)控制器10。當(dāng)輸入端電流傳感器220監(jiān)測(cè)到輸入端直流電流idc持續(xù)數(shù)十微秒超越閾值，認(rèn)為逆變器交流負(fù)荷側(cè)存在短路或過(guò)電流故障，保護(hù)控制器10將關(guān)斷開(kāi)關(guān)元件逆變發(fā)射極關(guān)斷晶閘管e1～e6，續(xù)流二極管g1～g6為交流負(fù)載側(cè)提供續(xù)流通路，交流電流將緩慢降至零，中斷故障電流隔離故障點(diǎn)。輸入端電容放電斷路器210用于濾波電容260保護(hù)，避免大電流放電損壞輸入端濾波電容260。

由圖1可知，本發(fā)明的自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)分為3個(gè)保護(hù)區(qū)，交流負(fù)荷區(qū)、直流母線區(qū)和流輸入?yún)^(qū)，在保護(hù)控制器10的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的過(guò)流保護(hù)，過(guò)流保護(hù)主流程如圖7所示。

使用上述的自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)，本發(fā)明的自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)方法包括以下步驟：

步驟510，電流與電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：

各逆變器的輸入端電流傳感器220實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其輸入端直流電流idc，輸入端電容放電斷路器210的放電電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入端濾波電容的放電電流；各整流器的輸出端電流傳感器130實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其整流輸出電流irec，輸出端電容放電斷路器150的放電電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其輸出端濾波電容的放電電流，電壓傳感器140實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其直流電壓udc，這些實(shí)時(shí)信號(hào)被傳輸至保護(hù)控制器10。

步驟520，交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流判別：

如果由可關(guān)斷逆變器的輸入端電流傳感器220監(jiān)測(cè)的輸入端直流電流idc超過(guò)閾值(如150％額定電流)并且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定值(如30微秒)，則保護(hù)控制器10判定該逆變器的交流負(fù)荷區(qū)存在過(guò)流故障，進(jìn)入步驟530進(jìn)行交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流保護(hù)處理；否則，直接進(jìn)入步驟540。

步驟530，交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流保護(hù)處理(如圖8所示)，包括步驟5301和步驟5303：

步驟5301，保護(hù)控制器10設(shè)置交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流內(nèi)部標(biāo)志，輸出交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流故障報(bào)警信號(hào)。

步驟5303，保護(hù)控制器10向該三相全控逆變電路230輸出逆變?cè)?qiáng)制關(guān)斷信號(hào)，關(guān)斷逆變發(fā)射極關(guān)斷晶閘管e1～e6(見(jiàn)圖6)，迅速中斷故障電流隔離過(guò)流故障點(diǎn)。

步驟540，直流母線區(qū)過(guò)流判別：

如果由整流器輸出端電流傳感器130監(jiān)測(cè)的整流輸出電流irec超過(guò)閾值(如150％額定電流)，則保護(hù)控制器10判定直流母線區(qū)存在過(guò)流故障，進(jìn)入步驟550進(jìn)行直流母線區(qū)過(guò)流保護(hù)處理；否則，直接進(jìn)入步驟560。

步驟550，直流母線區(qū)過(guò)流保護(hù)處理(如圖9所示)，包括步驟5501-步驟5506：

步驟5501，保護(hù)控制器10設(shè)置直流母線區(qū)過(guò)流內(nèi)部標(biāo)志；輸出直流母線區(qū)過(guò)流故障報(bào)警信號(hào)。

步驟5502，保護(hù)控制器10向該三相全控整流電路120輸出整流元件強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)，關(guān)斷整流igbt開(kāi)關(guān)元件t1～t6(見(jiàn)圖4)，迅速減小整流器輸出電流。

步驟5503，保護(hù)控制器10根據(jù)電流與電壓判斷過(guò)流的嚴(yán)重性，如果過(guò)流的持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定值(如50微秒)并且直流母線電壓低于閾值(如80％額定電壓)，則保護(hù)控制器10判定直流母線區(qū)存在持續(xù)短路或過(guò)流故障，進(jìn)入步驟5504；否則，直接進(jìn)入步驟5505。

步驟5504，保護(hù)控制器10向該三相全控整流電路120輸出續(xù)流元件強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)，關(guān)斷續(xù)流發(fā)射極關(guān)斷晶閘管q1～q6(見(jiàn)圖4)，中斷故障電流，隔離故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整流器直流輸出側(cè)的保護(hù)。

步驟5505，保護(hù)控制器10判斷濾波電容放電電流是否過(guò)大，如果放電電流大于閾值(如300％正常電流)，進(jìn)入步驟5506；否則，轉(zhuǎn)入步驟560。

步驟5506，保護(hù)控制器10向該電容放電斷路器輸出開(kāi)關(guān)元件強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)，關(guān)斷放電發(fā)射極關(guān)斷晶閘管1501(見(jiàn)圖2)，斷開(kāi)電容放電斷路器，避免損壞濾波電容。

步驟560，交流輸入?yún)^(qū)過(guò)流判別：

當(dāng)整流器交流輸入電流大于閾值(如120％額定電流)，出現(xiàn)交流輸入?yún)^(qū)過(guò)流故障，進(jìn)入步驟570；否則進(jìn)入步驟580。

步驟570，交流輸入?yún)^(qū)過(guò)流保護(hù)處理：

交流輸入?yún)^(qū)過(guò)流保護(hù)處理由交流側(cè)熔斷器組110實(shí)現(xiàn)，熔斷器具有反時(shí)限特性，通過(guò)的電流超過(guò)其熔斷電流時(shí)，在數(shù)十毫秒至數(shù)秒內(nèi)熔斷，具體熔斷時(shí)間取決于故障電流的數(shù)值。交流側(cè)熔斷器組110熔斷后，中斷故障電流，隔離整流器故障點(diǎn)。

當(dāng)交流輸入?yún)^(qū)出現(xiàn)故障后，該三相全控整流電路120的直流輸出電壓下跌，使其隔離二極管di截至，阻止直流母線向其倒灌電流，避免故障向直流側(cè)蔓延。

排除交流輸入?yún)^(qū)的故障后，更換交流輸入端的熔斷器組110的熔斷器，三相全控整流電路120恢復(fù)正常工作，直流配電系統(tǒng)恢復(fù)正常供電。

步驟580，故障復(fù)位信號(hào)監(jiān)測(cè)：

在過(guò)流故障排除后，操作人員必須人工輸入故障復(fù)位信號(hào)。如果保護(hù)控制器10監(jiān)測(cè)到故障復(fù)位信號(hào)，則進(jìn)入步驟590；否則，進(jìn)入步驟595。

步驟590，故障復(fù)位處理(如圖10所示)，包括步驟5901-步驟5905：

步驟5901，保護(hù)控制器10監(jiān)測(cè)到故障復(fù)位信號(hào)后，表示操作人員確認(rèn)并排除過(guò)流故障，撤銷由交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流保護(hù)處理步驟530或直流母線區(qū)過(guò)流保護(hù)處理步驟550輸出的過(guò)流報(bào)警信號(hào)。

步驟5902，保護(hù)控制器10如果檢測(cè)到交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流標(biāo)志，則表示存在過(guò)交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流故障，進(jìn)入步驟5903；否則，直接進(jìn)入步驟5904。

步驟5903，保護(hù)控制器10撤銷交流負(fù)荷區(qū)過(guò)流標(biāo)志，同時(shí)撤銷逆變?cè)?qiáng)制關(guān)斷信號(hào)，恢復(fù)可關(guān)斷逆變器的正常運(yùn)行。

步驟5904，保護(hù)控制器10如果檢測(cè)到直流母線區(qū)過(guò)流標(biāo)志，則表示存在過(guò)直流母線區(qū)過(guò)流故障，進(jìn)入步驟5905。

步驟5905，保護(hù)控制器10撤銷直流母線區(qū)過(guò)流標(biāo)志、整流元件強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)、續(xù)流元件強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)以及放電斷路器強(qiáng)制關(guān)斷信號(hào)，恢復(fù)可關(guān)斷整流器的正常運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)故障復(fù)位處理步驟590，變頻驅(qū)動(dòng)直流配電系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

步驟595，如果保護(hù)控制器10接收到終止運(yùn)行指令，則停止運(yùn)行；反之，返回至步驟510，重復(fù)以上流程。

本發(fā)明的自升式平臺(tái)鉆井變頻驅(qū)動(dòng)直流配電過(guò)流保護(hù)方法的參數(shù)整定方法按照如下原則：

為了增強(qiáng)變頻驅(qū)動(dòng)直流配電保護(hù)系統(tǒng)的選擇性，必須合理整定各區(qū)域保護(hù)的電流、電壓與時(shí)間，確保在故障期間下游保護(hù)先于上游動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)上下游保護(hù)區(qū)的協(xié)調(diào)控制。

交流負(fù)荷區(qū)和直流母線區(qū)之間的選擇性協(xié)調(diào)控制采用時(shí)間與電流原則，逆變器保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間整定值小于整流器時(shí)間整定值，同時(shí)逆變器保護(hù)動(dòng)作的電流整定值小于整流器電流整定值(逆變器容量遠(yuǎn)小于整流器容量)，確保逆變器保護(hù)先于整流器；直流母線區(qū)和交流輸入?yún)^(qū)之間的選擇性協(xié)調(diào)控制采用時(shí)間原則，直流母線區(qū)的電容放電斷路器與整流器的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間僅為數(shù)十微秒，遠(yuǎn)小于整流器熔斷器數(shù)十毫秒的熔斷時(shí)間，確保直流母線區(qū)保護(hù)動(dòng)作先于交流輸入?yún)^(qū)整流器熔斷器。

逆變器保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間整定為30微秒，電流整定為其額定電流的150％；整流器保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間整定為50微秒，電流整定為其額定電流的150％；直流母線電壓整定為額定電壓的80％；電容放電斷路器保護(hù)動(dòng)作的電流整定為其正常值的300％；熔斷器具有反時(shí)限特性，熔斷電流選擇為整流器額定輸入電流的120％，熔斷時(shí)間選擇為數(shù)十毫秒至數(shù)秒，熔斷器具體熔斷時(shí)間取決于故障電流。

遵循上述的參數(shù)整定方法，上游保護(hù)還可以兼作下游保護(hù)的后備，如果故障發(fā)生在下游設(shè)備而其保護(hù)無(wú)法動(dòng)作時(shí)，上游設(shè)備的保護(hù)將動(dòng)作，有效切除故障點(diǎn)，增強(qiáng)保護(hù)的可靠性。