固體柜國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化定制方案詳解

△不同型號(hào)環(huán)網(wǎng)箱需求數(shù)量

|現(xiàn)狀分析
固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜（固體柜）目前主要以12kV電壓等級(jí)產(chǎn)品為主，是國(guó)網(wǎng)固化的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，市場(chǎng)主要以國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)、南網(wǎng)系統(tǒng)的招投標(biāo)平臺(tái)和用戶工程為主，在石油、石化、鐵路等系統(tǒng)的用量逐步提高。固體柜在兩大電網(wǎng)系統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)柜中占有量大約在10%-15%之間，每年全國(guó)的需求量約在4萬(wàn)單元左右。

近幾年來(lái)固體環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)發(fā)展緩慢，技術(shù)及工藝創(chuàng)新有限，生產(chǎn)企業(yè)也在市場(chǎng)變化的同時(shí)進(jìn)行了洗牌，保存下了一批創(chuàng)新能力強(qiáng)、技術(shù)水平高、生產(chǎn)條件先進(jìn)及管理規(guī)范的企業(yè)，使得產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性、環(huán)境適用性、便捷的運(yùn)行與維護(hù)性得到了較大的提高，市場(chǎng)占有量也逐年在提升。

近幾年固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)發(fā)展緩慢，技術(shù)及工藝創(chuàng)新有限，在國(guó)家電網(wǎng)公司層面主要進(jìn)行了以下工作：

1.固體柜國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化定制方案

標(biāo)準(zhǔn)化定制主要從典型結(jié)構(gòu)方案（斷路器、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、母線、PT）、一次設(shè)備接口、主母線擴(kuò)展方式、三工位隔離/接地開(kāi)關(guān)的配置等做了詳細(xì)規(guī)定，同時(shí)對(duì)外露絕緣件接地方式、出線電纜的固定等做作了要求。

2.環(huán)網(wǎng)柜一二次融合技術(shù)方案

電流互感器配置：每間隔3只，600A/1A；零序電流互感器配置：每間隔1只，20A/1A。

電壓互感器配置：三相五柱式電磁式1臺(tái)，滿足 供電、相、零序電壓信號(hào)的采集。

電源輸出要求：工作電源滿足同時(shí)為終端核心單元、通信設(shè)備、線損模塊、開(kāi)關(guān)分合閘提供正常工作電源。

后備電源要求：后備電源應(yīng)采用免維護(hù)閥控鉛酸蓄電池或超級(jí)電容；電池壽命不少于3年， 應(yīng)保證完成分-合-分操作并維持配電終端及通信模塊至少運(yùn)行4小時(shí)；超級(jí)電容壽命不少于6年；應(yīng)保證分閘操作并維持配電終端及通信模塊至少運(yùn)行15分鐘。

|創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念與工藝

1.為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一二次深度融合固體柜方案設(shè)計(jì)：

通過(guò)深度融合智能取電技術(shù)、電力信號(hào)及狀態(tài)傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜自動(dòng)化數(shù)據(jù)和狀態(tài)感知數(shù)據(jù)本地集成和融合，達(dá)到物理設(shè)備和信息系統(tǒng)的有機(jī)集成；這里面包含：固體環(huán)網(wǎng)柜本體部分、狀態(tài)感知部分和深度融合為一體部分。

設(shè)備本體部分：

智能電源的設(shè)計(jì)及設(shè)備取電方式的選擇

絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與免維護(hù)結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

插接式結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

特性參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等

A. 本體部分的電源設(shè)計(jì)：

上述幾種取電方式的配置都是目前使用的電源配置，滿足不了智能配電設(shè)備的要求，需尋求一種全新技術(shù)的電源配置及新型取電技術(shù)，將它應(yīng)用到固體柜中。

B.狀態(tài)感知部分：

電氣量與狀態(tài)量的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)；

電氣量傳感器的應(yīng)用：電流、電壓、零序等；

狀態(tài)量傳感器的應(yīng)用：特性參數(shù)、分合閘、儲(chǔ)能等；

在線監(jiān)測(cè)傳感器的應(yīng)用：溫度、局放、分合閘線圈動(dòng)作電流、電機(jī)工作電流、儲(chǔ)能簧參量等。

C.深度融合一體化設(shè)計(jì)部分：

怎樣將本體部分和狀態(tài)感知部分進(jìn)行深度的融合，實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)，需要解決抗干擾問(wèn)題、穩(wěn)定性問(wèn)題、傳感器精度問(wèn)題、絕緣問(wèn)題等等。

2.綠色設(shè)計(jì)

材料設(shè)計(jì)；應(yīng)盡量減少所用材料的種類，優(yōu)先使用可回收、易分解、可循環(huán)利用、低污染的材料；

模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)出一系列的功能模塊，通過(guò)模塊的插接構(gòu)成不同的產(chǎn)品，達(dá)到快速高效以滿足市場(chǎng)的不同需要；

面向制造和裝配的工藝設(shè)計(jì)；采用合理的新型加工方法，提高零配件的標(biāo)準(zhǔn)化程度，形成專業(yè)化生產(chǎn)；

均衡的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)、可拆卸性和可回收性設(shè)計(jì)；

高電壓、大電流產(chǎn)品的絕緣材料配方研究及合理散熱結(jié)構(gòu)與絕緣結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)。

|發(fā)展趨勢(shì)

運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、分析與診斷技術(shù)的應(yīng)用

1.適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展要求。

2.可以及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，增加開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行可靠性，并實(shí)現(xiàn)“狀態(tài)維修”。更重要的是能判斷其工作是否正常，給出壽命預(yù)測(cè)及失效率評(píng)估，及對(duì)其進(jìn)行最佳運(yùn)行調(diào)控，這樣才能全面、有效地提高電網(wǎng)可靠性。

3.引入智能化意味著新的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷功能加入到傳統(tǒng)的控制監(jiān)測(cè)功能之中，這些功能的集成不僅使整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益提高，而且可以提高設(shè)備的可靠性。

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主講人：郭宏

EPTC開(kāi)關(guān)專委會(huì)固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜工作組專家成員、現(xiàn)任中海油研究總院電氣首席工程師,擔(dān)任全國(guó)石油和化工自動(dòng)化協(xié)會(huì)專家委員會(huì)委員, 多次作為該協(xié)會(huì)優(yōu)秀論文評(píng)選專家為參評(píng)論文把關(guān)，多次參加電氣專業(yè)及設(shè)備的技術(shù)交流并做主題發(fā)言。

演講主題

《固體絕緣開(kāi)關(guān)柜在海上平臺(tái)的技術(shù)研究及應(yīng)用》

內(nèi)容亮點(diǎn)解讀

|發(fā)展現(xiàn)狀

目前，海洋油氣田項(xiàng)目10.5kV系統(tǒng)普遍采用傳統(tǒng)空氣絕緣氣體柜，占地面積較大，22kV以上基本采用進(jìn)口SF6氣體柜，不利于環(huán)境保護(hù)，同時(shí)后期維護(hù)成本較大。隨著海洋油氣田建造規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)也日趨龐大，同時(shí)未來(lái)海上平臺(tái)將逐步由從傳統(tǒng)管理模式向現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化跨越，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，建設(shè)“智慧海油”。

固體絕緣開(kāi)關(guān)柜具有占地面積小、性價(jià)比高、絕緣、安全及防護(hù)等級(jí)高、綠色、環(huán)保，可用于高海拔、高潮濕環(huán)境等優(yōu)勢(shì)。2016-2018年，中海油研究總院、北京雙杰、海油工程共同完成了國(guó)內(nèi)首套12kV移開(kāi)式及35kV固體絕緣開(kāi)關(guān)柜研制，其12kV開(kāi)關(guān)柜已在海上平臺(tái)安全投運(yùn)1年時(shí)間。

|面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

1.絕緣材料開(kāi)發(fā)：必須開(kāi)發(fā)出完全超過(guò)已有環(huán)氧樹(shù)脂特性的高性能可降解的環(huán)氧樹(shù)脂，進(jìn)一步提高絕緣材料機(jī)械強(qiáng)度及絕緣性能，具備耐熱性、韌性、流動(dòng)性高，線性膨脹率低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)直接澆注陶瓷真空滅弧室，也不會(huì)開(kāi)裂的澆注件，提升固體絕緣開(kāi)關(guān)柜電壓等級(jí)及適用范圍。

2.屏蔽及接地連續(xù)性技術(shù)：國(guó)內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品中很大一部分絕緣件表面均未做屏蔽與金屬化處理，局放指標(biāo)較高；運(yùn)行中絕緣件受環(huán)境空氣中灰塵和潮氣侵入，絕緣件表面的電場(chǎng)受到破壞，出現(xiàn)泄露電流和表面放電現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)絕緣擊穿和發(fā)生相間短路故障。同時(shí)，因表面未可靠接地在人觸摸時(shí)會(huì)出現(xiàn)人身傷亡事故。

3.關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)：主要包括固封極柱、真空斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)等部件固封絕緣設(shè)計(jì)，要充分利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，如三維建模、有限元分析等，解決人工無(wú)法解決的一系列電場(chǎng)、溫度場(chǎng)、機(jī)械強(qiáng)度分析問(wèn)題，掌握關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)制造的核心技術(shù)，才能使固體絕緣開(kāi)關(guān)柜在更加環(huán)保、緊湊、安全、可靠。

|關(guān)鍵技術(shù)與框架設(shè)計(jì)

1. 12kV移開(kāi)式固體絕緣開(kāi)關(guān)柜

（1）基本參數(shù)

（2）手車式真空斷路器技術(shù)：設(shè)計(jì)底盤車與斷路器機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，省去二者之間連接的螺栓，取消二者之間的插接件，既節(jié)省了裝配時(shí)間，又減少了中間環(huán)節(jié)，增加了機(jī)構(gòu)的可靠性、安全性。手車觸臂外面與活門之間在試驗(yàn)、工作位置與柜體有動(dòng)態(tài)密封，等級(jí)達(dá)到IP67，極大減小了外界環(huán)境對(duì)整體一次部件的影響。

真空滅弧室導(dǎo)電部件形狀優(yōu)化，外設(shè)高壓屏蔽網(wǎng)，使電場(chǎng)均勻。應(yīng)用ANSYS熱電耦合分析，額定電流為1250A 的手車式斷路器穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真。

（3）一體式電流互感器技術(shù)：為保證一次帶電部件的全密封，電流互感器需要和斷路器、觸頭實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，帶電部分用環(huán)氧樹(shù)脂澆筑，采用定制方案，并通過(guò)嚴(yán)格的出廠檢驗(yàn)，包括觸頭盒尺寸檢驗(yàn)、互感器尺寸檢驗(yàn)、絕緣缺陷X射線檢測(cè)、直流電阻測(cè)量、伏安特性試驗(yàn)等，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）直動(dòng)式接地開(kāi)關(guān)技術(shù)：首次突破直動(dòng)式接地開(kāi)關(guān)技術(shù)，采用分相絕緣，降低相間短路的概率；一次帶電部分密封在絕緣筒內(nèi)，絕緣筒外表面涂覆導(dǎo)電層，提高接地開(kāi)關(guān)安全性。

（5）全絕緣活門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：材料采用阻燃聚碳酸酯，絕緣性能更加 ，同時(shí)利用絕緣觸臂與活門組成地動(dòng)態(tài)密封，保證手車在試驗(yàn)、工作位置，柜內(nèi)一次導(dǎo)電部分的防護(hù)等級(jí)都能達(dá)到IP67。

（6）移開(kāi)式固體絕緣開(kāi)關(guān)柜典型方案設(shè)計(jì)：

2. 40.5kV固體絕緣開(kāi)關(guān)柜

（1）基本參數(shù)

（2）柜體特點(diǎn)

四室設(shè)計(jì)：開(kāi)關(guān)室（隔離開(kāi)關(guān)、斷路器）、電纜室、低壓室、母線室。

機(jī)械及電氣聯(lián)鎖設(shè)計(jì)：防止帶負(fù)荷分合隔離開(kāi)關(guān)，防止誤入帶電間隔，防止一次帶電時(shí)合接地開(kāi)關(guān)，防止接地開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，合隔離開(kāi)關(guān)，防止誤分、誤合斷路器。

（3）一次回路設(shè)計(jì)

整柜絕緣模塊和一次導(dǎo)電部件采用立式設(shè)計(jì)，主要考慮整柜煙筒作用，可以明顯降低設(shè)備溫升；整柜有隔離+斷路器組成。

一次電流流動(dòng)方式：

進(jìn)線柜：下部進(jìn)線電纜斷路器隔離頂部母線。

出線柜：頂部母線斷路器隔離下部進(jìn)線電纜。

（4）真空斷路器技術(shù)

◆ 動(dòng)觸頭連接改為軟連接：

有利于提高合、分閘速度；

對(duì)絕緣拉桿的同軸度要求降低，降低了制作難度；

軟連接對(duì)大電流柜具有更好的適應(yīng)能力。

◆ 絕緣筒端口設(shè)置了絕緣密封套，防止爬電和保證筒內(nèi)清潔。

◆ 整柜所有絕緣模塊均采用圓柱型設(shè)計(jì)，隔離開(kāi)關(guān)采用了直動(dòng)式方案，直動(dòng)式隔離方案可以做到電場(chǎng)均勻分布。

◆隔離接地開(kāi)關(guān)本體是由五部分組成，各段間的聯(lián)接處加硅橡膠絕緣套。連接處的硅膠套壓縮量要嚴(yán)格控制。

◆下部絕緣筒端口設(shè)置了絕緣密封套，保證筒內(nèi)清潔。

◆隔離刀用銅管制作而成，通過(guò)導(dǎo)電桿的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)的三個(gè)狀態(tài)。

◆作為下進(jìn)線柜時(shí)接地出線取消改為絕緣件。

|實(shí)際應(yīng)用

2017年3月31日，國(guó)內(nèi)首臺(tái)12kV移開(kāi)式固體絕緣開(kāi)關(guān)柜在文昌項(xiàng)目中心平臺(tái)主開(kāi)關(guān)間成功上電測(cè)試，標(biāo)志著固體絕緣開(kāi)關(guān)柜首次在海油工程項(xiàng)目中成功試用，為后續(xù)項(xiàng)目推廣提供了應(yīng)用基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本次成功試用具有及其重要的意義，將直接推動(dòng)固體絕緣開(kāi)關(guān)柜在海洋石油領(lǐng)域發(fā)展，為油氣田開(kāi)發(fā)提供新的開(kāi)關(guān)柜解決方案。

|發(fā)展展望

相比現(xiàn)有傳統(tǒng)空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜，固體柜占地面積最大可節(jié)省40%，重量減輕30%，同時(shí)在安全可靠性、油氣田環(huán)境適用性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，可節(jié)約配電室面積及開(kāi)關(guān)柜重量，降低生產(chǎn)建設(shè)投資及維護(hù)成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)產(chǎn)。固體絕緣開(kāi)關(guān)柜系列產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。