用于海底缆线接地故障隔离的系统和方法 |
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| 申请号 | CN201580069563.9 | 申请日 | 2015-12-17 | 公开(公告)号 | CN107408811A | 公开(公告)日 | 2017-11-28 |
| 申请人 | 海德里尔美国配送有限责任公司; | 发明人 | W.J.哈特; R.D.布鲁克斯; | ||||
| 摘要 | 接地故障隔离系统（100）和接地故障隔离 电路 ，用于隔离电海底导体线中的接地故障。系统包含：主电 力 集线器、可操作地通过电海底导体线连接至主电力集线器的多个数字 控制器 以及接地故障隔离电路（100）。接地故障隔离电路包含多个连接至接地故障检测电路（12）的负载，每个负载包含一个在正电力 母线 （18）上的继电器（22）和一个在负电力母线（20）上的继电器（26）。接地故障检测电路连接至DC到DC隔离电路（10），其在负载中的一个上的接地故障的情况下 预防 主电力母线接地故障。继电器连接至另一端上的数字控制器（16），其当接地故障被检测到时隔离负载，但对剩余未受影响的负载供电。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种接地故障隔离电路，用于隔离电海底导体线中的接地故障，包括： |
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| 说明书全文 | 用于海底缆线接地故障隔离的系统和方法[0001] 相关申请的交叉引用该申请要求在2014年12月17号提交的US临时申请62/092,973的权益，其整个内容通过参考在本文中结合。 技术领域背景技术[0003] 与碳氢生产井相关联的海底控制系统通常包含不同数量的海底电力分配缆线。包含这样不同数量的电力分配缆线的电路能在调试海底接地故障方面具有显著的粒度。存在有通过在DC电力顶部上添加多路复用信号而能够检测接地故障的可用的现有装置，但是该技术将干扰换能器（transducer）仪表以及还将会是大体积。 [0004] 通常，浮在海洋表面上的主电力源连接至多控制舱（pod），其位于海洋表面以下几千米。这些连接可通过电海底电力线而实现，例如，压力平衡充油（PBOF）缆线。当前，存在有能够检测海底控制系统的主电力母线中的接地故障以及能够在短路情况中关掉整个系统或整个防喷器（BOP）的系统。然而，现存系统不能够隔离接地故障，或者不能隔离已经经历接地故障的特定舱。 [0005] 已经进行先前的尝试用于识别海底系统中的接地故障。然而，为了识别现存系统中的接地故障，电力必须从负载中去除以及继电器模块必须激活。这导致对负载的电力损失，以及因此不提供对连接至主电力源的所有负载的连续实时故障监测。 发明内容[0006] 在一个示例实施例中，接地故障隔离电路具有：从主电力母线接收仪表用电力和隔离仪表用电力的DC到DC隔离转换器，可操作地连接至DC到DC转换器和配置成检测可操作地连接至接地故障检测电路的一个或多个负载中的接地故障的接地故障检测电路，通过包含第一正电压电力母线和第一负电压电力母线的第一电力母线可操作地连接至接地故障检测电路和数字控制器的第一负载，可操作地连接至第一正电压电力母线的第一继电器，以及可操作地连接至第一负电压电力母线的第二继电器，其中，接地故障检测电路可操作地连接至第一继电器和第二继电器用于检测第一正电压电力母线或第一负电压电力母线上的接地故障，通过包含第二正电压电力母线和第二负电压电力母线的第二电力母线可操作地连接至接地故障检测电路和数字控制器的第二负载，可操作地连接至第二正电压电力母线的第三继电器，以及可操作地连接至第二负电压电力母线的第四继电器，其中，接地故障检测电路可操作地连接至第三继电器和第四继电器用于检测第二正电压电力母线或第二负电压电力母线上的接地故障。 [0007] 另一个示例实施例是用于隔离电海底导体线中接地故障的接地故障隔离系统。系统包含：主电力集线器，多个通过电海底导体线可操作地连接至主电力集线器的海底电子模块（SEM）控制器，以及接地故障隔离电路。电路包含：用于从主电力母线接收仪表用电力和隔离仪表用电力的DC到DC隔离转换器，可操作地连接至DC到DC转换器和配置成检测可操作地连接至接地故障检测电路的一个或多个负载中的接地故障的接地故障检测电路，通过包含第一正电压电力母线和第一负电压电力母线的第一电力母线可操作地连接至接地故障检测电路和数字控制器的第一负载，可操作地连接至第一正电压电力母线的第一继电器，以及可操作地连接至第一负电压电力母线的第二继电器，其中，接地故障检测电路可操作地连接至第一继电器和第二继电器用于检测第一正电压电力母线或第一负电压电力母线上的接地故障，通过包含第二正电压电力母线和第二负电压电力母线的第二电力母线可操作地连接至接地故障检测电路和数字控制器的第二负载，可操作地连接至第二正电压电力母线的第三继电器，以及可操作地连接至第二负电压电力母线的第四继电器，其中，接地故障检测电路可操作地连接至第三继电器和第四继电器用于检测第二正电压电力母线或第二负电压电力母线上的接地故障。 [0008] 另一个示例实施例是用于通过使用接地故障隔离系统来隔离电海底导体线中的接地故障的方法。方法包含：可操作地连接DC到DC隔离转换器至主电力母线，用于从主电力母线接收仪表用电力和隔离仪表用电力，可操作地连接接地故障检测电路至DC到DC转换器，其中，接地故障检测电路配置成检测可操作地连接至接地故障检测电路的一个或多个负载中的接地故障，通过包含第一正电压电力母线和第一负电压电力母线的第一电力母线来可操作地连接第一负载至接地故障检测电路和数字控制器，可操作地连接第一继电器至第一正电压电力母线，可操作地连接第二继电器至第一负电压电力母线，可操作地连接接地故障检测电路至第一继电器和第二继电器用于检测第一正电压电力母线或第一负电压电力母线上的接地故障，通过包含第二正电压电力母线和第二负电压电力母线的第二电力母线来可操作地连接第二负载至接地故障检测电路和数字控制器，可操作地连接第三继电器至第二正电压电力母线，可操作地连接第四继电器至第二负电压电力母线，以及可操作地连接接地故障检测电路至第三继电器和第四继电器用于检测第二正电压电力母线或第二负电压电力母线上的接地故障。附图说明 [0009] 为了获得使本发明中的特征、优势和目的还有其它可能显而易见的方面被获得以及可以以更多细节被理解这样的方式，可通过对其实施例的参考提供上文简要概括的本发明的更具体的描述，其中实施例图示在以下附图中，附图形成该说明书的部分。但是，将被注意的是，附图仅图示本发明的一个示例实施例，以及因此不被认为是限制它的范围，因为本发明可承认其它等同有效的实施例。 [0010] 图1是依照该公开的一个或多个示例实施例的接地故障隔离电路的概要图；图2是依照该公开的一个或多个示例实施例的接地故障隔离电路的概要图； 图3是依照该公开的一个或多个示例实施例的图1的接地故障检测电路的概要图。 具体实施方式[0011] 本公开的方法和系统现将以对附图（其中示出实施例）的参考在下文更充分地描述。本公开的方法和系统可在许多不同的形式中，以及不应该被理解为限制于本文提出的所图示的实施例；反而，提供这些实施例以便使该公开将是透彻和完整的，以及将充分地传达其范围至本领域技术人员。类似的数字在全文指的是类似的元素。 [0012] 在海上碳氢生产工业中要求高水平的电冗余。对比于某些现有系统，该公开的实施例提供额外水平的接地故障检测和隔离。该公开所述的实施例能在调试任何电的问题的时候减少停机时间，因为能够提供具体的关于在何处开始排解故障的反馈以便定位该电问题。因此，该公开的实施例提供的额外水平的接地故障检测和隔离能增加海底系统的生产力。该公开所描述的系统和方法要求对传统海底系统的极少电子设备的添加以及不要求显著额外的设备。 [0013] 图1图示依照该公开的一个或多个示例实施例的接地故障隔离电路100的概要图。电路100可包含DC到DC隔离转换器10，其用于通过线路2、4从主电力母线（未示出）接收仪表用电力以及将仪表用电力从主电力母线隔离在隔离的VDC线路6、8中。虽然+/-24 VDC图示在这些附图中，应该注意的是这些值纯粹是示例性的以及不以任何方式限制。电路100还可包含接地故障检测电路12，其可以可操作地连接至DC到DC隔离转换器10。接地故障检测电路12从DC到DC隔离转换器10接收隔离的VDC以及分配其至一个或多个可连接至该接地故障检测电路12的负载14、28、38。接地故障检测电路12可配置成检测一个或多个可操作地连接至接地故障检测电路12的负载14、28、38中的接地故障24。本文所述的负载可包含传感器（sensor）、换能器、螺线管或者其它负载。本文所述的接地故障可包含2mA-10mA或更大的电流漏泄。在一个实施例中，接地故障检测电路12可接地至底座接地50。 [0014] 电路100可包含第一负载14，其通过包含第一正电压电力母线18和第一负电压电力母线20的第一电力母线可操作地连接至接地故障检测电路12和数字控制器16。数字控制器16可包含例如海底电子模块（SEM），或任何通用数字控制器。第一继电器22可以可操作地连接至第一正电压电力母线18，以及第二继电器26可以可操作地连接至第一负电压电力母线20。接地故障检测电路12可以可操作地连接至第一继电器22和第二继电器26，其用于检测可发生在第一正电压电力母线18或第一负电压电力母线20上的接地故障24。电路100还可包含第二负载28，其通过包含第二正电压电力母线30和第二负电压电力母线32的第二电力母线来可操作地连接至接地故障检测电路12和数字控制器16。第三继电器34可以可操作地连接至第二正电压电力母线30，以及第四继电器36可以可操作地连接至第二负电压电力母线32。接地故障检测电路12可以可操作地连接至第三继电器34和第四继电器36，其用于检测第二正电压电力母线30或第二负电压电力母线32上的接地故障。电路100可包含额外的负载38，其可通过电力母线40、42连接至接地故障检测电路12。继电器44、46可以分别可操作地连接至线路40、42，用于检测电力母线40、42上的接地故障。 [0015] 第一电力母线和第二电力母线可包含，例如压力平衡充油（PBOF）缆线。第一继电器22、第二继电器26、第三继电器34、第四继电器36以及继电器44、46可包含正常闭合继电器（NCR）或者固态继电器（SSR）。正常闭合继电器一般默认具有闭合配置。然而，固态继电器一般默认具有断开（open）配置。接地故障检测电路12可配置成当在第一负载14上检测到接地故障时隔离第一负载14，以及通过激励第一和第二继电器34、36和从第一负载断开电力和给第二负载28供电，来减缓对主母线的进一步接地故障。 [0016] 在一个示例实施例中，随着继电器去激励以及其接触是正常闭合类型，这允许电力应用于负载。一旦接地故障被检测到，所有在那个电力母线上的继电器一次一个地激励。激励继电器使得从负载中移除电力。具有接地故障的负载当其继电器激励时则被识别，这将从负载中移除电力以及促使接地故障不再被检测到。对应地，上文所述的示例实施例在负载仍被供电时提供连续实时监测。本文所述的示例实施例无需额外的组件也能够识别双极性故障。所公开的示例实施例能区分正电压电力母线上的故障与共有或返回母线上的故障，因为正电压电力母线和共有或返回母线二者的每个具有继电器，以及它们能独立控制。 这本质上允许识别哪个母线受接地故障影响。 [0017] 一个示例实施例是用于隔离电海底导体线中的接地故障的接地故障隔离系统。系统包含主电力集线器、多个数字控制器（通过电海底导体线可操作地连接至主电力集线器），以及如上文实施例中的一个所述的接地故障隔离电路。DC电力系统可包含海底防喷器（BOP）堆叠（其可包含浮动底座系统）。即DC电力母线的正或者负端子都不涉及底座接地。每个舱可包含两个或多个表示为SEM A和SEM B的海底电子模块（SEM）。SEM A和SEM B可由来自电力和通信集线器或者仅仅主电力集线器的完全分离的电力供应母线来供电。每个SEM可完全与另一个隔离以及可具有其自身的传感器和螺线管的并联集合。在SEM中的接地故障情况下，该接地故障能通过隔离接地故障或者对受影响SEM电力母线断电来减缓。剩余的SEM能保持供电以及将不受损失影响。剩余的SEM能执行所有关联的SEM功能以及受影响的舱能保持与冗余舱一起是活动的。结果，单个接地故障将不会停止正常BOP操作。 [0018] 在一个示例实施例中，SEM控制电力、螺线管阀电力以及换能器仪表的标准电压可以是例如24 VDC。电力系统可分成用于每个子系统的单独电力母线。每个主电力母线可具有其本身单独的接地故障检测电路，位于电力和通信集线器中，比如主电力集线器。主电力母线上的接地故障可在主电力集线器中检测以及通过例如专用光纤链路来报告至海面控制（surface control）。主电力集线器和SEM电子设备可以在单独一个大气压外壳中以及通过一组压力平衡充油缆线例如PBOF缆线来连接。 [0019] 在一个示例实施例中，数字控制器16可包含两个模块，SEM A和SEM B。可以有四个或四个以上的接地故障检测板12，其安装在SEM A中，以及四个接地故障检测板12在SEM B中。这些板可供应隔离的24 VDC至SEM 外壳外的任何装置。每个板可具有单独的接地故障检测电路，并且该电路可发送接地故障警报至两个SEM。此外，每个板可对两个SEM提供电流和电压测量。在接地故障的情况下，任一个SEM都能对受影响装置断电。隔离的电力还可使得在板上的DC到DC隔离转换器中建立短路保护。 [0020] 图2图示依照该公开的一个或多个示例实施例的接地故障隔离电路200的概要图。电路200可包含DC到DC隔离转换器210，其相似于关于图1所述的DC到DC隔离转换器10。电路 200还可包含：接地故障检测电路212（相似于图1中的接地故障检测12）以及继电器222、226（相似于图1中的继电器22、26）。此外，电路200可包含分流电阻器256，其用于测量通过线路 232连接至数字控制器的负电压电力母线228上的电流。此外，断路器260可通过二极管266、 258可操作地连接至DC到DC隔离转换器210，用于在DC到DC隔离转换器失效的情况下隔离主母线。电容262和264可以可操作地安装在线路218和236之间。在正常操作之下，DC到DC隔离转换器210可通过线路218、236从主电力母线中接收仪表用电力（例如24VDC）以及通过线路 224、228分配该电力至一个或多个负载（未示出）。电路200还可包含5V的DC到DC转换器214，其可以可操作地耦合至接地故障检测电路212。电路212可接地至底座接地250。 [0021] 接地故障检测电路212可通过逻辑门或非反相缓冲放大器254来可操作地连接至继电器252以驱动继电器252，以及从252的输出可发送至控制器数字输入230。电路200还可包含仪表放大器电路220，其用于从分流电阻器256中接收信号以及作为控制器模拟输入电流232来发送信号。控制器数字输出234可通过线路234从数字控制器中发送至继电器222、226，相似于图1所图示的数字控制器16。电路200还可包含电阻器238、240，其可包含例如2k hom和4k ohm的电阻器，以及可以可操作地连接在连接至负载（未示出）的电力母线224、228之间以监测跨负载的电压。继电器222、226和252基于应用而可以是NCR或者SSR。 [0022] 在一个示例实施例中，可以有两个固态配置继电器，以并联形式在仪表A电力和仪表B电力的正母线上。每个母线上的一个配置继电器可连接至SEM A控制器以及每个母线上的第二继电器可连接至SEM B控制器。这意味主SEM能确定哪个仪表母线将供电24VDC隔离的电力至PBOF缆线。在两个配置继电器后可以有远程可重置断路器，其在仪表A和仪表B的正母线上。这些断路器可以在5安培跳闸以及保持跳闸直到仪表电力再循环。这些断路器用于在隔离DC/DC转换器失效的情况下保护仪表母线。在两个DC/DC隔离转换器后，输出可以是彼此耦合的二极管。电流通过读取跨分流电阻器的电压来测量以及然后被转换成用于两个SEM的4到20mA电流环路信号。还提供接地故障检测电路，其当接地故障状况存在时，可发送警报至SEM A和SEM B。任一个SEM则能关断从板输出的输出电力。当输出电力被移除时，接地故障应该清除。 [0023] 最后，如果发现输出上的短路，DC/DC转换器可简单地关断以及保持断开直到故障被清除。DC/DC转换器可以是充分地自我保护。短路的征兆可以限定为例如几乎零电流以及几乎零电压。 [0024] 现在转到图3，所图示的是图1所示的示例接地故障检测电路12的详细视图。如本文所述的接地故障可以是由来自正DC母线6或负DC母线8的主电力母线到底座接地的2mA或更大电流漏泄。如本文所述的接地故障不一定是短路但是是短路的先驱。如果正和负电力母线6、8都发生接地故障，这可变成短路。在一个示例实施例中，接地故障电路12可包含跨光电二极管58的电阻器66，以及两个高值电阻器54、56，其用于限制电流但仍允许足够的电流流动以“开”启逻辑隔离电路中的LED 60。逻辑隔离电路可包含可操作地连接至二极管60的数字逻辑门62，以及上拉电阻器64，其可连接至来自5V DC/DC转换器214的+5 VDC。电阻器54、56将电力供应电压分成合适的值。进而，通过包含四个二极管52的二极管桥48，该电压施加在底座接地50上。所有电力供应被隔离以及不绑定在底座接地50。当电力供应母线（不论正母线还是返回母线）实现与底座接地50相接触时，底座接地上所施加的电压促使限制的电流流动从而“开”启指示“接地故障”状况的LED。 [0025] 对应地，接地故障检测电路12可检测隔离的电力上的接地故障以及通过线路216发送数字输入至海底电子模块。当接地故障被检测到时，海面操作方将基于该离散信号接收警报，以及然后将具有选择以通过以下方式来消除接地故障：通过使用来自海底电子模块的离散输出来接通海底接地故障隔离电路，从而消除接地故障。 [0026] 包含发明内容、附图说明和具体实施方式的本说明书以及附加的权利要求涉及本公开的特定特征（包含过程或方法步骤）。本领域技术人员理解本发明包含本说明书中描述的特定特征的所有可能的组合和使用。本领域技术人员理解本公开不限制于本说明书中所给的实施例描述或不被其所限制。 [0027] 本领域技术人员还理解描述特定实施例所使用的术语不限制本公开的范围或宽度。在解释本说明书和附加的权利要求时，所有术语应该以符合每个术语上下文的最宽可能方式来解释。所有使用在本说明书和附加的权利要求中的技术和科学术语具有与由该发明所属领域的普通技术人员中的一个所通常理解的相同意思，除非另外有定义。 [0028] 如使用在本说明书和附加的权利要求中，单数形式“一”和“该”包含多种参考，除非上下文清楚地指示其它方面。动词“包括”及其共生的形式应该解释为以非排他方式引用元件、组件或者步骤。引用的元件、组件或步骤可以是现状的、被利用的或者与其它未专门引用的元件、组件或步骤组合的。动词“可操作地连接”及其共生的形式意味完成任何类型所须的结合，包含电、机械或者流体，以形成两个或多个之前未结合的对象之间的连接。如果第一装置可操作地连接至第二装置，连接可直接发生或者通过共有连接器发生。“可选择地”及其各种形式意味接下来所描述的事件或者环境可发生或者可不发生。本描述包含事件或环境发生的实例以及其不发生的实例。 [0029] 条件性语言，比如“能”、“能够”、“可能”“可”以及其他，除非另外具体地声明或者另外在所用上下文中理解，否则通常计划表达某些实现可能包含某些特征、元件和/或操作而其它实现不包含这样的某些特征、元件和/或操作。因此，该条件性语言通常不计划暗示特征、元件和/或操作在任何方式中被要求用于一个或多个实现，或者一个或多个实现必须包含用于在具有或没有用户输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或操作是否在任何特定实现中被包括或执行的逻辑。 [0030] 因此，本文所述的系统和方法很好地适配于实现这些目的和获得所提及的目标和优势，以及本文固有的其它方面。虽然系统和方法的示例实施例出于公开的目的给出，多种变化存在在过程的细节中以实现期望的结果。这些和其他相似的更改对本领域技术人员可以是显而易见的，以及计划包括在本文公开的系统和方法的精髓和附加的权利要求的范围之中。 |
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