CN106953304B - 自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统和方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
电容放电断路器串联连接在可关断整流器的输出滤波电容和可关断逆变器的输入滤波电容中。电容放电断路器的放电发射极关断晶闸管为滤波电容提供直流放电通路，与放电发射极关断晶闸管并联的二极管为滤波电容充电提供通路，放电发射极关断晶闸管和二极管与阻容缓冲电路并联，提升断路器开断能力。放电发射极关断晶闸管作为开关器件，控制滤波电容放电电路的通断。放电发射极关断晶闸管串联一个放电电流传感器；放电电流传感器实时监测滤波电容放电电流，并将信号传输到保护控制器。一旦滤波电容的放电电流超越设定的阈值，保护控制器立即向放电发射极关断晶闸管发出关断信号，迅速关断滤波电容的放电电路，保护滤波电容免遭大电流烧毁。
第一可关断整流器和第二可关断整流器都内置输出端电流传感器、电压传感器和输出端电容放电断路器。电压传感器和串联一个输出端滤波电容的输出端电容放电断路器并联，并且按顺时针方向依次串联三相全控整流电路、输出端电流传感器和隔离二极管。三相全控整流电路通过交流侧熔断器组连接三相交流电源。三相全控整流电路将交流电变换成直流电，经输出端滤波电容滤波后分别向第一直流母线和第二直流母线提供平稳的直流电。隔离二极管阻止直流母线向相应的关断整流器和第二可关断整流器倒灌电流。三相全控整流电路由三组三相全控整流电路组件并联而成。每组三相全控整流电路组件由两个二级三相全控整流电路组件串联而成。各个二级三相全控整流电路组件由IGBT整流开关元件串联一个二极管后与一个续流发射极关断晶闸管反向并联而成。每组三相全控整流电路组件连接交流侧熔断器组中的一个熔断器。输出端电流传感器和电压传感器分别实时监测三相全控整流电路与输出端电流传感器之间的整流输出电流和输出端电容放电断路器与输出端滤波电容之间的直流输出电压，并将这些信号传输至保护控制器。如果整流器直流侧发生故障，整流器输出电流超越设定的阈值，保护控制器瞬间关断各个IGBT整流开关元件，而各个续流发射极关断晶闸管继续保持导通，以区分短时过流或持续过流。如果直流输出电流在几十微秒内持续超越阈值，并且直流输出电压低于设定阈值，可以确定整流器的直流侧存在持续短路或过流故障，保护控制器再次动作关断各个续流发射极关断晶闸管，中断故障电流，隔离故障点，实现整流器直流输出侧的保护。如果整流器交流侧发生故障，交流输入电流将剧增，相应的输入端熔断器快速熔断，实现交流侧短路故障保护。当输出端的滤波电容出现大电流放电时，输出端电容放电断路器在保护控制器作用下被断开，避免大电流放电损坏输出端滤波电容。
可关断逆变器由三相全控逆变电路串联一个输入端电流传感器后与串联输入端滤波电容的输入端电容放电断路器并联而成。三相全控逆变电路的三相电流经过正弦波滤波器滤波后驱动钻井设备电机。三相全控逆变电路由三组三相全控逆变电路组件并联而成。每组三相全控逆变电路组件由两个二级三相全控逆变电路组件串联而成。各个二级三相全控逆变电路组件由一个续流二极管与一个逆变发射极关断晶闸管反向并联而成。每组三相全控逆变电路组件构成三相全控逆变电路的一相电流。可关断逆变器的输入端电流传感器实时监测输入端直流电流，并将信号传输至保护控制器。当可关断逆变器的输入端电流传感器监测到直流输入电流持续数十微秒超越阈值，认为可关断逆变器交流负荷侧存在短路或过电流故障，保护控制器将关断各个逆变发射极关断晶闸管，各个续流二极管为交流负载侧提供续流通路，交流电流将缓慢降至零，中断故障电流隔离故障点。输入端电容放电断路器用于输入端滤波电容保护，避免大电流放电损坏输入端滤波电容。
使用上述的自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统，本发明的自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护方法包括以下步骤：
步骤510，电流与电压实时监测：
各可关断逆变器的输入端电流传感器实时监测各可关断逆变器的直流输入电流，输入端电容放电断路器的放电电流传感器实时监测输入端滤波电容的放电电流；各整流器的输出端电流传感器实时监测各整流器的整流输出电流，输出端电容放电断路器的放电电流传感器实时监测其输出端滤波电容的放电电流，电压传感器实时监测其直流输出电压，以上实时信号被传输至保护控制器；
步骤520，交流负荷区过流判别：
如果可关断逆变器的输入端电流传感器监测的逆变电路直流输入电流超过设定阈值并且持续时间超过设定值，则保护控制器判定该逆变器的交流负荷区存在过流故障，进入步骤530进行交流负荷区过流保护处理；否则，直接进入步骤540；
步骤530，交流负荷区过流保护处理，包括步骤5301和步骤5303：
步骤5301，保护控制器设置交流负荷区过流内部标志，输出交流负荷区过流报警信号；
步骤5303，保护控制器向该三相全控逆变电路输出逆变元件强制关断信号，关断各个逆变发射极关断晶闸管，迅速中断故障电流隔离过流故障点；
步骤540，直流母线区过流判别：
如果由整流器输出端电流传感器监测的输出电流超过阈值，则保护控制器判定直流母线区存在过流故障，进入步骤550进行直流母线区过流保护处理；否则，直接进入步骤560；
步骤550，直流母线区过流保护处理，包括步骤5501-步骤5506：
步骤5501，保护控制器设置直流母线区过流标志；输出直流母线区过流故障报警信号；
步骤5502，保护控制器向该三相全控整流电路输出整流元件强制关断信号，关断各个IGBT整流开关元件，迅速减小整流器输出电流；
步骤5503，保护控制器根据电流与电压判断过流的严重性，如果过流的持续时间超过设定值并且直流母线电压低于阈值，则保护控制器判定直流母线区存在持续短路或过流故障，进入步骤5504；否则，直接进入步骤5505；
步骤5504，保护控制器向该三相全控整流电路输出续流元件强制关断信号，关断各个续流发射极关断晶闸管，中断故障电流，隔离故障点，实现整流器直流输出侧的保护；
步骤5505，保护控制器判断整流器输出端的滤波电容放电电流是否过大，如果滤波电容放电电流大于阈值，进入步骤5506；否则，转入步骤560；
步骤5506，保护控制器向该输出端电容放电断路器发出电容放电断路器强制关断信号，关断各个放电发射极关断晶闸管，断开输出端电容放电断路器，避免损坏输出端的滤波电容；
步骤560，交流输入区过流判别：
当整流器交流输入电流大于阈值，出现交流输入区过流故障，进入步骤570；否则，进入步骤580；
步骤570，交流输入区过流保护处理：
交流输入区过流保护处理由交流侧熔断器实现，熔断器具有反时限特性，通过的电流超过其熔断电流时，在数十毫秒至数秒内熔断，具体熔断时间取决于故障电流的数值。交流侧熔断器熔断后，中断故障电流，隔离整流器故障点；
当交流输入区出现故障后，该三相全控整流电路的直流输出电压下跌，使其隔离二极管截至，阻止直流母线向其倒灌电流，避免故障向直流侧蔓延；
排除交流输入区的故障后，更换交流输入端的交流侧熔断器，三相全控整流电路恢复正常工作，直流配电系统恢复正常供电；
步骤580，故障复位信号监测：
在过流故障排除后，操作人员人工输入故障复位信号。如果保护控制器监测到故障复位信号，进入步骤590；否则，进入步骤595；
步骤590，故障复位处理，包括步骤5901-步骤5905：
步骤5901，保护控制器监测到故障复位信号后，表示操作人员确认并排除过流故障，撤销由交流负荷区过流保护处理步骤530或直流母线区过流保护处理步骤550输出的过流报警信号；
步骤5902，保护控制器如果检测到交流负荷区过流标志，则表示存在过交流负荷区过流故障，进入步骤5903；否则，直接进入步骤5904；
步骤5903，保护控制器撤销交流负荷区过流标志，同时撤销逆变元件强制关断信号，恢复可关断逆变器的正常运行；
步骤5904，保护控制器如果检测到直流母线区过流标志，则表示存在过直流母线区过流故障，进入步骤5905；
步骤5905，保护控制器撤销直流母线区过流标志、整流元件强制关断信号、续流元件强制关断信号以及电容放电断路器强制关断信号，恢复可关断整流器的正常运行；
经过故障复位处理步骤590，变频驱动直流配电系统恢复正常运行；
步骤595，如果保护控制器接收到终止运行指令，则停止运行；反之，返回至步骤510，重复以上流程。
本发明的自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护方法的参数整定方法按照如下原则：交流负荷区和直流母线区之间的选择性协调控制采用时间电流原则，逆变器保护动作的时间整定值小于整流器时间整定值，同时逆变器保护动作的电流整定值小于整流器电流整定值(逆变器容量远小于整流器容量)，确保逆变器保护先于整流器；直流母线区和交流输入区之间的选择性协调控制采用时间原则，直流母线区的电容放电断路器与整流器的保护动作时间仅为数十微秒，远小于整流器熔断器数十毫秒的熔断时间，确保直流母线区保护动作先于交流输入区整流器熔断器。
逆变器保护动作的时间整定为30微秒，电流整定为逆变器额定电流的150％；整流器保护动作的时间整定为50微秒，电流整定为整流器额定电流的150％；直流母线电压整定为额定电压的80％；电容放电断路器保护动作的电流整定为其正常值的300％；熔断器的熔断电流选择为整流器额定输入电流的120％，熔断时间选择40毫秒，熔断器具有反时限特性，当流过熔断器电流大于熔断电流，熔断时间与电流的平方成反比。
附图说明
图1是本发明自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统的拓扑结构图；
图2是本发明自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统的电容放电断路器示意图；
图3是本发明自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统的可关断整流器示意图；
图4是本发明自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统的三相全控整流电路结构示意图；
图5是本发明自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统的可关断逆变器示意图；
图6是本发明自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统的三相全控逆变电路结构示意图；
图7是本发明自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护方法的流程图；
图8是本发明自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护方法的交流负荷区过流保护处理步骤的流程图；
图9是本发明自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护方法的直流母线区过流保护处理步骤的流程图；
图10是本发明自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护方法的故障复位处理步骤的流程图。
附图标记如下：1表示第一可关断整流器、2表示第二可关断整流器、3～6表示可关断逆变器、7表示直流母线隔离开关、8表示第一直流母线、9表示第二直流母线、10表示保护控制器、M表示钻井设备电机、1501表示放电发射极关断晶闸管、1502表示放电电流传感器、D表示二极管、RC表示阻容缓冲电路、110表示熔断器组(由熔断器F1～F3组成)、120表示三相全控整流电路、130表示输出端电流传感器、DI表示隔离二极管、140表示电压传感器、150表示输出端电容放电断路器、160表示输出端滤波电容器、T1～T6表示IGBT整流开关元件、D1～D6表示二极管、Q1～Q6表示续流发射极关断晶闸管、210表示输入端电容放电断路器、220表示输入端电流传感器、230表示三相全控逆变电路、240表示正弦波滤波器、260表示输入端滤波电容器、E1～E6表示逆变发射极关断晶闸管、G1～G6表示续流二极管。
具体实施方式
本发明的自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统的拓扑结构如图1所示，第一可关断整流器1和第二可关断整流器2，分别位于第一直流母线8和第二直流母线9的一端，将交流电整流滤波后，向第一直流母线8和第二直流母线9提供平稳的直流电。可关断逆变器3和4连接在第一直流母线8上，可关断逆变器5和6连接在第二直流母线9上，将直流电逆变成交流电，驱动钻井设备电机M。整个自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统划分为3个保护区域，由下游向上游依次为：交流负荷区、直流母线区以及交流输入区。图1中的保护控制器10，应用电流与时间原则，协调控制可关断整流器与可关断逆变器以及电容放电断路器的开关元件的通断，实现直流配电快速而准确的过流保护。在正常运行期间，第一直流母线8和第二直流母线9之间的隔离开关7处于闭合状态，将两段第一直流母线8和第二直流母线9连接为一个整体；当其中一段母线出现故障不能继续运行时，直流母线隔离开关7断开，切除故障段母线，确保正常段母线继续运行，提高变频驱动系统的可靠性与生命力。
本发明的第一可关断整流器和第二可关断整流器以及四个可关断逆变器都分别内置一个电容放电断路器，结构原理如图2所示，它与滤波电容C串联连接，用来保护滤波电容C避免大电流放电。放电发射极关断晶闸管1501为滤波电容C提供直流放电通路，与其并联的二极管为滤波电容C充电提供通路，与其并联的电阻电容构成缓冲电路提升断路器开断能力。放电发射极关断晶闸管1501作为开关器件，控制滤波电容C放电电路的通断。放电电流传感器1502实时监测电容放电电流，并将信号传输到保护控制器10。一旦滤波电容C放电电流超越设定的阈值，保护控制器10立即向放电发射极关断晶闸管1501发出关断信号，迅速关断滤波电容C放电电路，保护滤波电容器C免遭大电流烧毁。
本发明的第一可关断整流器和第二可关断整流器的结构原理如图3所示，内置输出端电流传感器130、电压传感器140和输出端电容放电断路器150。它通过交流侧熔断器组110连接三相交流电源，三相全控整流电路120将交流电变换成直流电，经输出端滤波电容160滤波后向第一直流母线8和第二直流母线9提供平稳的直流电，隔离二极管DI阻止直流母线向整流器倒灌电流。三相全控整流电路120的内部结构如图4所示，采用IGBT作为整流开关元件T1～T6，续流发射极关断晶闸管Q1～Q6与IGBT整流开关元件T1～T6反向并联实现可控续流。输出端电流传感器130和电压传感器140实时监测整流输出电流Irec和输出电压Udc，并将这些信号传输至保护控制器10。如果整流器直流侧发生故障，整流输出电流Irec超越设定的阈值，保护控制器10瞬间关断该整流器的IGBT整流开关元件T1～T6，而续流发射极关断晶闸管Q1～Q6继续保持导通，以区分短时过流或持续过流。如果Irec在几十微秒内持续超越阈值，并且直流电压Udc低于设定阈值，可以确定整流器的直流侧存在持续短路或过流故障，保护控制器10再次动作关断续流发射极关断晶闸管Q1～Q6，中断故障电流，隔离故障点，实现整流器直流输出侧的保护。如果整流器交流侧发生故障，交流输入电流将剧增，输入端熔断器组110中的熔断器快速熔断，实现交流侧短路故障保护。当输出端滤波电容160出现大电流放电时，输出端电容放电断路器150在保护控制器10作用下被断开，避免大电流放电损坏输出端滤波电容160。
本发明的可关断逆变器的结构原理如图5所示，它通过输入端滤波电容260及其输入端放电断路器210连接第一直流母线8或者第二直流母线9，三相全控逆变电路230将直流电变换成三相交流电，经正弦波滤波器240后驱动钻井设备电机。三相全控逆变电路230的内部结构如图6所示，采用逆变发射极关断晶闸管E1～E6作为逆变开关元件，以提升开关元件的开关频率和过流能力，G1～G6为续流二极管。输入端电流传感器220实时监测输入端直流电流Idc，并将信号传输至保护控制器10。当输入端电流传感器220监测到输入端直流电流Idc持续数十微秒超越阈值，认为逆变器交流负荷侧存在短路或过电流故障，保护控制器10将关断开关元件逆变发射极关断晶闸管E1～E6，续流二极管G1～G6为交流负载侧提供续流通路，交流电流将缓慢降至零，中断故障电流隔离故障点。输入端电容放电断路器210用于滤波电容260保护，避免大电流放电损坏输入端滤波电容260。
由图1可知，本发明的自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统分为3个保护区，交流负荷区、直流母线区和流输入区，在保护控制器10的统一协调下，实现快速准确的过流保护，过流保护主流程如图7所示。
使用上述的自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统，本发明的自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护方法包括以下步骤：
步骤510，电流与电压实时监测：
各逆变器的输入端电流传感器220实时监测其输入端直流电流Idc，输入端电容放电断路器210的放电电流传感器实时监测输入端滤波电容的放电电流；各整流器的输出端电流传感器130实时监测其整流输出电流Irec，输出端电容放电断路器150的放电电流传感器实时监测其输出端滤波电容的放电电流，电压传感器140实时监测其直流电压Udc，这些实时信号被传输至保护控制器10；
步骤520，交流负荷区过流判别：
如果由可关断逆变器的输入端电流传感器220监测的输入端直流电流Idc超过阈值(如150％额定电流)并且持续时间超过设定值(如30微秒)，则保护控制器10判定该逆变器的交流负荷区存在过流故障，进入步骤530进行交流负荷区过流保护处理；否则，直接进入步骤540；
步骤530，交流负荷区过流保护处理(如图8所示)，包括步骤5301和步骤5303：
步骤5301，保护控制器10设置交流负荷区过流标志，输出交流负荷区过流报警信号；
步骤5303，保护控制器10向该三相全控逆变电路230输出逆变元件强制关断信号，关断逆变发射极关断晶闸管E1～E6(见图6)，迅速中断故障电流隔离过流故障点；
步骤540，直流母线区过流判别：
如果由整流器输出端电流传感器130监测的整流输出电流Irec超过阈值(如150％额定电流)，则保护控制器10判定直流母线区存在过流故障，进入步骤550进行直流母线区过流保护处理；否则，直接进入步骤560；
步骤550，直流母线区过流保护处理(如图9所示)，包括步骤5501-步骤5506：
步骤5501，保护控制器10设置直流母线区过流标志；输出直流母线区过流故障报警信号；
步骤5502，保护控制器10向该三相全控整流电路120输出整流元件强制关断信号，关断整流IGBT开关元件T1～T6(见图4)，迅速减小整流器输出电流；
步骤5503，保护控制器10根据电流与电压判断过流的严重性，如果过流的持续时间超过设定值(如50微秒)并且直流母线电压低于阈值(如80％额定电压)，则保护控制器10判定直流母线区存在持续短路或过流故障，进入步骤5504；否则，直接进入步骤5505；
步骤5504，保护控制器10向该三相全控整流电路120输出续流元件强制关断信号，关断续流发射极关断晶闸管Q1～Q6(见图4)，中断故障电流，隔离故障点，实现整流器直流输出侧的保护；
步骤5505，保护控制器10判断滤波电容放电电流是否过大，如果放电电流大于阈值(如300％正常电流)，进入步骤5506；否则，转入步骤560；
步骤5506，保护控制器10向该电容放电断路器发出电容放电断路器强制关断信号，关断放电发射极关断晶闸管1501(见图2)，断开电容放电断路器，避免损坏滤波电容；
步骤560，交流输入区过流判别：
当整流器交流输入电流大于阈值(如120％额定电流)，出现交流输入区过流故障，进入步骤570；否则进入步骤580；
步骤570，交流输入区过流保护处理：
交流输入区过流保护处理由交流侧熔断器组110实现，熔断器具有反时限特性，通过的电流超过其熔断电流时，在数十毫秒至数秒内熔断，具体熔断时间取决于故障电流的数值。交流侧熔断器组110熔断后，中断故障电流，隔离整流器故障点；
当交流输入区出现故障后，该三相全控整流电路120的直流输出电压下跌，使其隔离二极管DI截至，阻止直流母线向其倒灌电流，避免故障向直流侧蔓延；
排除交流输入区的故障后，更换交流输入端的熔断器组110的熔断器，三相全控整流电路120恢复正常工作，直流配电系统恢复正常供电；
步骤580，故障复位信号监测：
在过流故障排除后，操作人员必须人工输入故障复位信号。如果保护控制器10监测到故障复位信号，则进入步骤590；否则，进入步骤595；
步骤590，故障复位处理(如图10所示)，包括步骤5901-步骤5905：
步骤5901，保护控制器10监测到故障复位信号后，表示操作人员确认并排除过流故障，撤销由交流负荷区过流保护处理步骤530或直流母线区过流保护处理步骤550输出的过流报警信号；
步骤5902，保护控制器10如果检测到交流负荷区过流标志，则表示存在过交流负荷区过流故障，进入步骤5903；否则，直接进入步骤5904；
步骤5903，保护控制器10撤销交流负荷区过流标志，同时撤销逆变元件强制关断信号，恢复可关断逆变器的正常运行；
步骤5904，保护控制器10如果检测到直流母线区过流标志，则表示存在过直流母线区过流故障，进入步骤5905；
步骤5905，保护控制器10撤销直流母线区过流标志、整流元件强制关断信号、续流元件强制关断信号以及电容放电断路器强制关断信号，恢复可关断整流器的正常运行；
经过故障复位处理步骤590，变频驱动直流配电系统恢复正常运行；
步骤595，如果保护控制器10接收到终止运行指令，则停止运行；反之，返回至步骤510，重复以上流程。
本发明的自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护方法的参数整定方法按照如下原则：
为了增强变频驱动直流配电保护系统的选择性，必须合理整定各区域保护的电流、电压与时间，确保在故障期间下游保护先于上游动作，实现上下游保护区的协调控制。
交流负荷区和直流母线区之间的选择性协调控制采用时间与电流原则，逆变器保护动作的时间整定值小于整流器时间整定值，同时逆变器保护动作的电流整定值小于整流器电流整定值(逆变器容量远小于整流器容量)，确保逆变器保护先于整流器；直流母线区和交流输入区之间的选择性协调控制采用时间原则，直流母线区的电容放电断路器与整流器的保护动作时间仅为数十微秒，远小于整流器熔断器数十毫秒的熔断时间，确保直流母线区保护动作先于交流输入区整流器熔断器。
逆变器保护动作的时间整定为30微秒，电流整定为逆变器额定电流的150％；整流器保护动作的时间整定为50微秒，电流整定为整流器额定电流的150％；直流母线电压整定为额定电压的80％；电容放电断路器保护动作的电流整定为其正常值的300％；熔断器的熔断电流选择为整流器额定输入电流的120％，熔断时间选择为40毫秒，熔断器具有反时限特性，当流过熔断器电流大于熔断电流，熔断时间与电流的平方成反比。
遵循上述的参数整定方法，上游保护还可以兼作下游保护的后备，如果故障发生在下游设备而其保护无法动作时，上游设备的保护将动作，有效切除故障点，增强保护的可靠性。
Claims (3)
1.一种自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统，包括第一可关断整流器、第二可关断整流器、第一直流母线、第二直流母线、4个可关断逆变器、以及直流母线隔离开关；其特征在于，第一可关断整流器和第二可关断整流器分别位于第一直流母线和第二直流母线的一端；4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；每个可关断逆变器驱动一台钻井设备电机；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；第一可关断整流器和第二可关断整流器都内置输出端电流传感器、电压传感器和输出端电容放电断路器；电压传感器和串联一个输出端滤波电容的输出端电容放电断路器并联，并且按顺时针方向依次串联三相全控整流电路、输出端电流传感器和隔离二极管；三相全控整流电路通过交流侧熔断器组连接三相交流电源；三相全控整流电路将交流电变换成直流电，经输出端滤波电容滤波后分别向第一直流母线和第二直流母线提供直流电；三相全控整流电路由三组三相全控整流电路组件并联而成；每组三相全控整流电路组件由两个二级三相全控整流电路组件串联而成；各个二级三相全控整流电路组件由IGBT整流开关元件串联一个二极管后与一个续流发射极关断晶闸管反向并联而成；每组三相全控整流电路组件连接交流侧熔断器组中的一个熔断器；输出端电流传感器和电压传感器分别实时监测三相全控整流电路与输出端电流传感器之间的整流输出电流和输出端电容放电断路器与输出端滤波电容串联支路两端的直流输出电压，并将所述整流输出电流和直流输出电压传输至保护控制器；可关断逆变器由三相全控逆变电路串联一个输入端电流传感器后与串联输入端滤波电容的输入端电容放电断路器并联而成；三相全控逆变电路的三相电流经过正弦波滤波器滤波后驱动钻井设备电机；三相全控逆变电路由三组三相全控逆变电路组件并联而成；每组三相全控逆变电路组件由两个二级三相全控逆变电路组件串联而成；各个二级三相全控逆变电路组件由一个续流二极管与一个逆变发射极关断晶闸管反向并联而成；每组三相全控逆变电路组件构成三相全控逆变电路的一相电流；输入端电流传感器实时监测输入端直流电流，并将信号传输至保护控制器；
电容放电断路器串联连接在可关断整流器的输出端滤波电容和可关断逆变器的输入端滤波电容中；电容放电断路器的放电发射极关断晶闸管为滤波电容提供直流放电通路，与放电发射极关断晶闸管并联的二极管为滤波电容充电提供通路，放电发射极关断晶闸管和二极管与阻容缓冲电路并联，提升断路器开断能力；放电发射极关断晶闸管作为开关器件，控制滤波电容放电电路的通断；放电发射极关断晶闸管串联一个放电电流传感器；放电电流传感器实时监测滤波电容放电电流，并将信号传输到保护控制器；一旦滤波电容的放电电流超越设定的阈值，保护控制器立即向放电发射极关断晶闸管发出关断信号，迅速关断滤波电容的放电电路，保护滤波电容免遭大电流烧毁。
2.一种自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护方法，使用如权利要求1所述的自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤510，电流与电压实时监测：
各可关断逆变器的输入端电流传感器实时监测所述各可关断逆变器的直流输入电流，输入端电容放电断路器的放电电流传感器实时监测输入端滤波电容的放电电流；各整流器的输出端电流传感器实时监测所述各整流器的整流输出电流，输出端电容放电断路器的放电电流传感器实时监测输出端滤波电容的放电电流，电压传感器实时监测直流输出电压，直流输入电流、输入端滤波电容的放电电流、整流输出电流、以及输出端滤波电容的放电电流被传输至保护控制器；
步骤520，交流负荷区过流判别：
如果其中一个可关断逆变器的输入端电流传感器监测的直流输入电流超过设定阈值并且持续时间超过设定值，则保护控制器判定该可关断逆变器的交流负荷区存在过流故障，进入步骤530进行交流负荷区过流保护处理；否则，直接进入步骤540；
步骤530，交流负荷区过流保护处理，包括步骤5301和步骤5303：
步骤5301，保护控制器设置交流负荷区过流标志，输出交流负荷区过流报警信号；
步骤5303，保护控制器向相应三相全控逆变电路输出逆变元件强制关断信号，关断各个逆变发射极关断晶闸管，迅速中断故障电流隔离过流故障点；
步骤540，直流母线区过流判别：
如果由整流器输出端电流传感器监测的整流输出电流超过阈值，则保护控制器判定直流母线区存在过流故障，进入步骤550进行直流母线区过流保护处理；否则，直接进入步骤560；
步骤550，直流母线区过流保护处理，包括步骤5501-步骤5506：
步骤5501，保护控制器设置直流母线区过流标志；输出直流母线区过流报警信号；
步骤5502，保护控制器向所述相应三相全控整流电路输出整流元件强制关断信号，关断各个IGBT整流开关元件，迅速减小整流器输出电流；
步骤5503，保护控制器根据电流与电压判断过流的严重性，如果过流的持续时间超过设定值并且直流母线电压低于阈值，则保护控制器判定直流母线区存在持续短路或过流故障，进入步骤5504；否则，直接进入步骤5505；
步骤5504，保护控制器向所述相应三相全控整流电路输出续流元件强制关断信号，关断各个续流发射极关断晶闸管，中断故障电流，隔离故障点，实现整流器直流输出侧的保护；
步骤5505，保护控制器判断整流器输出端的滤波电容放电电流是否过大，如果滤波电容放电电流大于阈值，进入步骤5506；否则，转入步骤560；
步骤5506，保护控制器向该输出端电容放电断路器发出电容放电断路器强制关断信号，关断各个放电发射极关断晶闸管，断开输出端电容放电断路器，避免损坏输出端的滤波电容；
步骤560，交流输入区过流判别：
当整流器交流输入电流大于阈值，出现交流输入区过流故障，进入步骤570；否则，进入步骤580；
步骤570，交流输入区过流保护处理：
交流输入区过流保护处理由交流侧熔断器实现；交流侧熔断器熔断后，中断故障电流，隔离整流器故障点；当交流输入区出现故障后，所述相应三相全控整流电路的直流输出电压下跌，使对应的隔离二极管截至，阻止直流母线向所述相应三相全控整流电路倒灌电流，避免故障向直流侧蔓延；排除交流输入区的故障后，更换交流输入端的交流侧熔断器，三相全控整流电路恢复正常工作，直流配电系统恢复正常供电；
步骤580，故障复位信号监测：
在过流故障排除后，操作人员人工输入故障复位信号；如果保护控制器监测到故障复位信号，进入步骤590；否则，进入步骤595；
步骤590，故障复位处理，包括步骤5901-步骤5905：
步骤5901，保护控制器监测到故障复位信号后，表示操作人员确认并排除过流故障，撤销由交流负荷区过流保护处理步骤530或直流母线区过流保护处理步骤550输出的过流报警信号；
步骤5902，保护控制器如果检测到交流负荷区过流标志，则表示存在过交流负荷区过流故障，进入步骤5903；否则，直接进入步骤5904；
步骤5903，保护控制器撤销交流负荷区过流标志，同时撤销逆变元件强制关断信号，恢复可关断逆变器的正常运行；
步骤5904，保护控制器如果检测到直流母线区过流标志，则表示存在过直流母线区过流故障，进入步骤5905；
步骤5905，保护控制器撤销直流母线区过流标志、整流元件强制关断信号、续流元件强制关断信号以及电容放电断路器强制关断信号，恢复可关断整流器的正常运行；
经过故障复位处理步骤590，变频驱动直流配电系统恢复正常运行；
步骤595，如果保护控制器接收到终止运行指令，则停止运行；反之，返回至步骤510。
3.如权利要求2所述的自升式平台钻井变频驱动直流配电过流保护方法，其特征在于，参数整定按照如下原则：交流负荷区和直流母线区之间的选择性协调控制采用时间电流原则，逆变器保护动作的时间整定值小于整流器时间整定值，同时逆变器保护动作的电流整定值小于整流器电流整定值，确保逆变器保护先于整流器；直流母线区和交流输入区之间的选择性协调控制采用时间原则，直流母线区的输出端电容放电断路器与整流器的保护动作时间为50微秒，远小于交流侧熔断器数十毫秒的熔断时间，确保直流母线区保护动作先于交流输入区交流侧熔断器；逆变器保护动作的时间整定为30微秒，电流整定为逆变器额定电流的150％；整流器保护动作的时间整定为50微秒，电流整定为整流器额定电流的150％；直流母线电压整定为额定电压的80％；输出端电容放电断路器保护动作的电流整定为其正常值的300％；熔断器的熔断电流选择为整流器额定输入电流的120％，熔断时间选择为数十毫秒。
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