Высоковольтное коммутационное оборудование для работы под водой

Terence Hazel

Pierrick Andrea

Bethsabe Roger

Шнейдер Электрик

Пилотный проект Ormen Lange в Эгерсунде (Норвергия), является первой подводной системой распределения энергии, введенной в эксплуатацию. Хотя она все еще находится на фазе тестирования в неглубокой воде, это является проверкой самой концепции подводного распределения энергии, которая может помочь подготовить промышленность к будущим подводным производствам, требующим больших объемов энергии.

Подводные модули выключателей (CBM) заключены в длинную сигарообразную оболочку. Ниже объясняется, что находится внутри этой оболочки, и почему.

Силовое оборудование

Пилотный подводный мотор для сжатия газа относится к классу 12.5 МВ, и используется совместно с насосом мощностью 400 кВ. Большие расстояния делают необходимым подводное распределение энергии. Оборудование, размещаемое в модуле выключателя, имеет класс 36 кВ, а напряжение подводной системы равно 22 кВ. Вспомогательная мощность обеспечивается посредством трансформатора и поддерживается источником бесперебойного питания (ИБП) в отдельном подводном модуле.

В настоящее время выключатели и устройства защиты, которые могли бы работать в окружении, заполненном маслом с повышенным давлением для компенсации давления подводной среды, пока коммерчески недоступны. Коммутационное оборудование, размещается в оболочке, обеспечивающей давление в 1 атмосферу. Внутри эта оболочка заполнена сухим азотом. Его физические свойства достаточно близки к свойствам воздуха, что позволяет использовать стандартное электрическое оборудование.

Высоковольтные выключатели представляют собой протестированные устройства с воздушной изоляцией для напряжения 36 кВ. Эти выключатели также применяются в приложениях, связанных с дуговыми печами, характеризующимися тяжелыми нагрузками на выключатели.

К другим высоковольтным устройствам относятся протестированные трансформаторы класса 36 кВ, как токовые трансформаторы, так и трансформаторы напряжения. Поскольку к этому высоковольтному оборудованию нет доступа обслуживающего персонала, подводная оболочка эквивалентна наземной линии выключателей, и поэтому, как описывается ниже, эти устройства устанавливаются так же, как и в подстанциях на открытом воздухе. В качестве шин используется медные полосы без покрытия.

Низковольтное коммутационное оборудование состоит из протестированных выключателей, работающих с использованием моторов, защитных реле, замыкателей и предохранителей. Такое оборудование использовалось в морских приложениях много лет. Оно обладает хорошей устойчивостью к ударам и вибрации, и имеет очень длительную наработку на отказ. Выбранный класс напряжения для оборудования, обеспечивает корректное отключение в атмосфере сухого азота. Низковольтное коммутационное оборудование устанавливается в металлическом отсеке для снижения электромагнитных помех от высоковольтных выключателей. Если бы низковольтное оборудование размещалось в отдельной подводной оболочке, можно было бы воспользоваться монтажом в стойке.

Предохранители применялись для множества вспомогательных цепей, которые потребляют небольшое количество энергии, и не подвергаются условиям перегрузки. Единственными видами электрических отказов являются короткое напряжение или сбой заземления. Цепь, в которой возникло короткое напряжение, должна быть быстро изолирована, чтобы предотвратить распространение отказа, или ухудшение работы в остальных цепях. Так как связанный с такими отказами ремонт под водой производиться не может, то для таких цепей не возникает задач, связанных с повторным подключением к источнику энергии. Для решения задачи отключения цепи предохранители вполне подходят, и они не могут возобновить подачу тока в случае механических воздействий. Все низковольтные цепи, которые могут подвергнуться перегрузкам, защищаются устройствами, способными быть отключенными дистанционно, с последующим дистанционным включением.

Конструкция электрической системы подводного коммутационного оборудования

Система - это больше, чем простая сумма составляющих ее частей. Системные аспекты играют большую роль при выборе отдельных устройств, позволяя обеспечить их соответствие для целей любых условий эксплуатации. Для оценки некоторых из аспектов проектирования системы важно понимать ограничения, связанные с монтажом модуля выключателя.

Расположение электрического оборудования в подводной оболочке

Большинство соединений между оборудованием будут осуществляться через низковольтные отсеки коммутационного оборудования. Требование последовательного монтажа электрического оборудования внутри оболочки означает, что низковольтные отсеки должны монтироваться в последнюю очередь, чтобы дать возможность выполнить все остальные соединения. Это определяет их положение в обеих оконечностях оболочки. Чтобы ограничить длину высоковольтных шин и конструкцию их поддержки, было решено разместить все высоковольтное оборудование вместе. С обеих сторон, между низковольтными отсеками и высоковольтными выключателями были смонтированы трансформаторы. В результате получилась симметричная конструкция.

Соединения с оборудованием, расположенным вне модуля выключателя, выполняются через пенетраторы, расположенные в верхней части оболочки. Высоковольтные пенетраторы располагаются над точками соединения высоковольтного коммутационного оборудования, а низковольтные пенетраторы расположены вблизи низковольтных отсеков. Эти отсеки имеют горизонтальные стержни, служащие конкретным местом размещения всех низковольтных соединений, входящих в оболочку. Эти стержни гарантируют, что в данных условиях не будет возникать неприемлемых напряжений.

Электромагнитная совместимость

Для обеспечения избыточности вспомогательных источников питания, между обоими низковольтными отсеками устанавливается множество соединений. Поскольку низковольтные отсеки размещены на обоих концах оболочки, то эти кабели низкого напряжения, управления, и интерфейсов измерений, проходят через всю оболочку. Там же находятся все силовые высоковольтные кабели, и основные кабели низкого напряжения. Для обеспечения электромагнитной совместимости (ЕМС), прокладка кабелей через оболочку организована таким образом, чтобы добиться максимума расстояния между силовыми высоковольтными кабелями, и кабелями управления и измерения. Высоковольтные силовые кабели монтируются в нижней части оболочки, кабели низкого напряжения проходят вдоль нижней части стенок, а кабели вспомогательного питания, и кабели управления и измерения, прокладываются в кабельных каналах, идущих вдоль верхней части стенок.

Инженерные чертежи типичного интерфейса в процессе проектирования

были изменены. Обеспечивающая система для коммутационного оборудования

размещается на дне оболочки, а высоковольтные и низковольтные пенетраторы

размещены вдоль верхней части. Слева от оболочки показана одна стойка

коммутационного оборудования.

Близость высоковольтных цепей требует специально разработанной системы заземления, чтобы избежать взаимного влияния, возникающего в результате передачи электромагнитных возмущений на цепи управления и измерения. Чтобы определить меры, необходимые для уменьшения таких влияний, было выполнено концептуальное исследование заземления. Система заземления была выполнена на основе принципов, сформулированных в результате этого исследования.

Для обеспечения электромагнитной совместимости крайне важен выбор стали, используемой для поддерживающих конструкций. Углеродистая сталь для этих целей подходит намного лучше, чем нержавеющая сталь. Поскольку внутри оболочи отсутствует кислород, то углеродистая сталь не подвергнется воздействию коррозии. Нержавеющая сталь также может использоваться для этих целей, но она требует дополнительного экранирования и заземления, которые могут потребоваться для обеспечения той же самой электромагнитной совместимости, что и в случае углеродистой стали.

Вспомогательные источники питания

Вспомогательные источники питания являются ахиллесовой пятой электрических систем. Их высокая готовность может быть достигнута за счет избыточности. Этот подход не очень хорош, так как избыточность часто означает больше оборудования, а это привносит дополнительные виды отказов. Низковольтная система распределения энергии разрабатывается с учетом обеспечения отказоустойчивости при нормальных условиях функционирования, и на время плановых обслуживаний ИБП, когда их приходится отсоединять. В случае, когда в работе постоянно находится один или оба ИБП достигается отказоустойчивость, аналогичная Уровню 3 в центрах обработки данных. Избыточная защита также предоставляется и для высоковольтных цепей.

Система защиты

Анализ системы защиты начался с полного переопределения требований к функционированию. Типичные схемы защиты наземных систем не подходят для подводных систем, из-за недоступности последних для обслуживания. Основные функции системы защиты должны обеспечивать быстрое отключение оборудования, имеющего электрический отказ, и предотвращать условия перегрузки, с тем, чтобы не допустить повреждения такого чувствительного оборудования, как проводники. Перегрузка не является электрическим отказом, но она должна активировать выключатель. Поскольку одно и то же реле защиты будет активировать выключатель, как при электрических отказах, так и при возникновении перегрузок, оператор должен точно идентифицировать, что вызвало срабатывание выключателя. Если это связано с перегрузкой, то после устранения перегрузки на цепь должно быть подано питание. Если выключатель сработал из-за короткого замыкания, то цепь должна оставаться не под напряжением. Поскольку в данном случае не возникает необходимости в реализации специфической функциональности для защиты персонала, то система защиты может быть оптимизирована для селективного восстановления при отказах, и идентификации условий перегрузки.

Проектирование интерфейса

Тесное пространство и специфическая природа некоторых компонентов подводного монтажа, делают задачу конструирования интерфейса более сложной, чем для наземных установок. Это касается механических интерфейсов оболочки, как для установки оборудования, так и для электрических соединений.

Температурное проектирование

Температурное проектирование обеспечивает корректное рассеивание всего тепла, выделяемого внутри оболочки во время работы, через стенки оболочки в окружающую воду. При этом используется только естественная конвекция. Принудительное охлаждение не рассматривалось из-за того, что его присутствие может вызвать дополнительные виды отказов. Для всех основных условий нагрузки было проведено моделирование распределения температур, как для тестового варианта с температурой воды в 13° C, так и для реальной установки на морском дне при температуре воды в 4° C.

Различные режимы работы порождают различные потери тепла. Для проверки того, что ни при каких условиях работы нигде не появляются недопустимые горячие точки (включая и места внутри низковольтных секций) была использована наиболее тяжелая комбинация потерь тепла.

Выбор горизонтальной конструкции облегчил температурное проектирование. Сегодня на рынке подводного оборудования распространена тенденция вертикального монтажа, позволяющая уменьшить размера основания, и упростить работы с полезной нагрузкой. Кроме того, для такого монтажа лучше всего приспособлены стандартные монтажные суда. Однако переход к вертикальному монтажу - это не такая простая задача, как это может показаться. Например, трансформаторы, которые имеют большой вес, должны устанавливаться на дно оболочки. Но при этом тепло, выделяемое при работе трансформаторов, будет нагревать все оборудование, смонтированное над ними. Установка более тяжелого оборудования внизу нарушает симметричность монтажа идентичных секций оборудования. Хотя вертикальный монтаж имеет свои преимущества, конструкция должна быть тщательно проработана.

Проектирование механических элементов

Проектирование механической части гарантировало, что модуль выключателя выдержит ограничения все фаз проекта. Эксплуатационные ограничения включают в себя механические толчки во время работы высоковольтных выключателей и вибрацию трансформаторов. Ограничения окружающей среды требовали, чтобы во время транспортировки и установки на морское дно, вся конструкция выдерживала наклон в 15° и перекат на 30°

Для лучшего обеспечения механического интерфейса, было решено, что оборудование будет крепиться к оболочке только в двух точках на дне. Это обеспечило максимальную гибкость конструкции коммутационного оборудования, не оказывая влияния на конструкцию оболочки.

Проектирование механической части также обеспечивает требования фактора динамического расширения, равного 1.5 g. Также принимались во внимание механические эффекты наиболее возможной величины тока короткого замыкания. Также учитывалась проектная величина тока, и проектная величина выдерживаемого тока короткого замыкания, а также импульсный класс коммутирующего оборудования. Одним из результатов этих рас четов стала конструкция системы круговой поддержки шин.

Проектирование процесса сборки

Основная проблема проектирования при производстве модуля была связана с тем, как устанавливать коммутационное оборудование в оболочку.

Высоковольтное коммутационное оборудование

во время приемных заводских испытаний

Было принято решение изготовить стойку для каждой функциональной единицы коммутационного оборудования: измерителей напряжения, высоковольтных выключателей, трансформаторов, и низковольтных отсеков. Это сделало возможным обеспечить целостность оборудования после приемных заводских испытаний. Для каждой стойки были выполнены расчеты механических элементов, гарантирующие, что при транспортировке и установке эти стойки и оболочка не будут соприкасаться.

Использование стоек дало возможность пошаговой установки, соединения и проверки электрического оборудования внутри оболочки. Каждая стойка коммутационного оборудования имеет колеса для выкатывания, которые двигаются по рельсам, смонтированным на дне оболочки. Каждая стойка может быть установлена без механического напряжения, и после того, как она занимает свое место, колеса втягиваются в стойку.

Все электрические соединения между стойками выполнены посредством гибких соединителей. Для подключения высоковольтных пенетраторов использовалась и специально спроектированная медная оплетка, позволяющая предотвратить передачу любых толчков или вибраций на пенетратор

Стойки были полностью индивидуально собраны и протестированы перед тем, как их собрали вместе для проведения приемных испытаний. Все соединения кабелей управления, измерения, и дополнительных источников питания изготавливались при помощи штыковых соединителей, чтобы предотвратить ошибки прокладки проводов во время окончательной сборки, и их провисание во время установки. Стойки, находящиеся в центре оболочки, устанавливались первыми, последними установленными стойками были низковольтные секции.

Исследования готовности

Основным конструкторским критерием для подводного распределения энергии является готовность подачи энергии на нагрузки. Очень важно не только выбрать те устройства, которые лучше всего соответствуют приложениям, связанным с подводными энергетическими системами. Необходимо также использовать оборудование, которое имеет хорошие показатели, и известные показатели наработки на отказ, . Показатели наработки на отказ для всех устройств, используемых для создания системы распределения электроэнергии, применяются в исследовании общей готовности системы.

Исследование готовности начинается с самого начала проекта вместе с решением первых инженерных задач. Все решения, принятые во время электрического, температурного и механического проектирования, во время оценки электромагнитной совместимости, и при проектировании процесса сборки и установки, пересматриваются, если они оказывают положительное или отрицательное влияние на готовность подачи энергии к производственным нагрузкам. Во время этого непрерывного итерационного процесса исследования готовности были интегрированы все аспекты конструирования. Готовность определяется, как

MTTF/MTTF+MTTR

где MTTF - это среднее время наработки на отказ, в MTTR - среднее время выполнения ремонта. Из-за сложностей извлечения подводного коммутационного оборудования, и связанного с этим отключения электроэнергии, необходимо было обеспечить MTTF настолько большим, насколько это возможным, поскольку для снижения MTTR мало что можно сделать.

Для проведения обслуживания необходимо извлекать модуль подводного распределения энергии полностью (что требует, как много времени, так и значительных затрат), поэтому величина MTTR велика по самой своей природе. Частичное обслуживание невозможно, поскольку все компоненты помещены в один модуль. При рассмотрении модульности, всегда приходится идти на компромисс. Небольшие модули, такие как независимые модули защиты и управления, облегчают восстановление оборудования, и снижают величину MTTR. При этом увеличивается готовность. Но использование более мелких модулей увеличивает количество пенетраторов и соединителей, что привносит дополнительные виды отказа. В то же время избыточность увеличивает готовность за счет увеличения MTTF, но требует большего количества компонентов и соединений.

Исследование готовности является ключевым для получения данных, необходимых инженерам, чтобы принять правильные решения. После тщательного рассмотрения, избыточность была применена к системам вспомогательного питания, защиты, управления, и связи. Более того, вспомогательные источники питания были сделаны избыточными безотносительно к количеству уже используемых модулей ИБП.

Принцип "ничего не оставлять на волю случая" был использован для оценки квалификации всего оборудования, устройств, и компонентов, от начальной стадии проектирования, и до окончательных испытаний. В процессе отбора были идентифицированы, и тщательно задокументированы все компоненты. Документировались также и причины принятия или отбраковки аналогичных компонентов. Правильная работа всех компонентов, оборудования и систем была подвергнута обширной проверке, согласно процедурам тестирования, разработанных для всех этапов интегрирования в модуль выключателя, включая производство, сборку, и приемные испытания. Работа модуля выключателя была продемонстрирована в течение всего времени работы.

Исследование готовности проводилось для модуля выключателя, как для независимой системы, являющейся частью общей системы распределения энергии. Результаты исследования готовности модуля выключателя были предоставлены специалистам, отвечающим за общее проектирование системы, от береговых станций до производственных нагрузок.

Заключение

Была спроектирована, изготовлена, и собрана подводная высоковольтная система распределения электроэнергии. Она прошла испытания на соответствие ограничениям конструкции, налагаемым размещением оборудования на морском дне, без доступа к нему людей для обслуживания и эксплуатации. Документирование оснований для выбора каждого используемого компонента, независимо от его размеров, является необходимым для достижения высокой готовности системы распределения энергии. Столь же необходимым является всесторонние температурное, механическое, и электрическое проектирование, анализ электромагнитной совместимости, а также проектирование процесса изготовления. Это позволяет проверить соответствие компонентов всем и каждой стадии общего проекта, включая сборку, транспортировку и перемещение, испытания, финальную установку, ввод в эксплуатацию, и коммерческую эксплуатацию устройства.

При проектировании системы во внимание должны приниматься как функционирование в штатных условиях, таи все возможные виды частичной эксплуатации. Для каждого вида частичной эксплуатации следует определять пределы готовности. Отбор компонентов и интеграция их в оборудование и системы должны допускать тщательные испытания на каждом шаге сборки. Это основная проблема при проектировании стоек для оборудования.

После завершения пилотного проекта, был выполнен ряд исследований для оценки слабых и сильных сторон системы. В результате были получены предложения по улучшению системы подводного распределения электроэнергии, как единого целого. Это исследование завершенности позволило оптимизировать архитектуру высоковольтных подстанций с воздушной изоляцией, и проложило дорогу для использования высоковольтных КРУЭ в подводном распределении энергии. Для лучшей адаптации конструкции к электрическому оборудованию в будущих проектах, использовались электрические и механические интерфейсы. Для увеличения общей готовности коммутационного оборудования была создана новая концепция специализированной системы мониторинга и управления.

Технологические достижения, связанные с пилотным проектом Ormen Lange, оказались очень полезными в проектировании и исполнении низковольтного модуля распределения электричества sgard. Недавние публикации показывают, как эти концепции могут интегрироваться для обеспечения полного эквивалента наземных систем для подводных подстанций (высоковольтных и низковольтных).

Сегодня подводные приложения основаны на системах радиального распределения. В грядущие годы такие приложения, вероятно, будут использовать другие архитектурные решения, такие как кольцевая архитектура, для адаптации к тому времени, когда системы распределения энергии будут соответствовать развитию подводных бассейнов.