王艷紅 平朝春 郭 宏 郭江艷 王 偉 王曉智

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司建造公司 天津 300452)

目前海上石油平臺(tái)使用的中壓開關(guān)柜主要是以空氣絕緣為主的戶內(nèi)固定式交流金屬開關(guān)柜和真空開關(guān)柜，其開關(guān)設(shè)備體積較大，而海上石油平臺(tái)受制于空間限制，須考慮采用占地空間更小、維修方便或免維護(hù)的電氣設(shè)備來替換傳統(tǒng)的開關(guān)柜。同時(shí)，由于海洋環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)開關(guān)柜易受高鹽霧、霉菌、濕度的影響，導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備故障率高、維護(hù)成本高，因此亟待研發(fā)適合在海上石油平臺(tái)上使用的性能優(yōu)異、安全穩(wěn)定、占地空間較小的供電開關(guān)設(shè)備。

固體絕緣開關(guān)柜采用固體絕緣材料作為主絕緣介質(zhì)，并輔以其他絕緣結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上將高壓帶電體固封并采取局部屏蔽等措施，提高其電氣絕緣性能，彌補(bǔ)空氣絕緣開關(guān)柜體積大的不足[1-4]。固體絕緣開關(guān)柜作為一項(xiàng)新型技術(shù)，在中壓特別是陸上10 kV系統(tǒng)設(shè)備中已得到應(yīng)用，但目前陸上應(yīng)用的固體絕緣開關(guān)柜均為固定結(jié)構(gòu)，且在容量、防護(hù)等級(jí)、結(jié)構(gòu)形式等方面不適合海上石油平臺(tái)的特殊環(huán)境及電力系統(tǒng)要求[5]。

本文針對(duì)海上油氣田高鹽霧、霉菌、潮濕的環(huán)境條件，考慮海上旋轉(zhuǎn)設(shè)備震動(dòng)、深水浮式平臺(tái)隨風(fēng)浪流運(yùn)動(dòng)傾斜及海上設(shè)施對(duì)設(shè)備的空間限制等特點(diǎn)，開展了海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜關(guān)鍵技術(shù)研究，提出了具有高可靠性、高防護(hù)等級(jí)、尺寸小型化且維修便利的移開式固體絕緣開關(guān)柜設(shè)計(jì)方案，并通過集成制造、型式試驗(yàn)、第三方船級(jí)社認(rèn)證及現(xiàn)場調(diào)試，驗(yàn)證了樣機(jī)在海上石油平臺(tái)應(yīng)用的可行性。本文研究成果對(duì)于實(shí)現(xiàn)海上石油平臺(tái)電氣設(shè)備向小型化、緊湊化發(fā)展及油田降本增效具有一定的指導(dǎo)意義。

1 海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 移開式固體絕緣開關(guān)柜設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)南海某油氣田電力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案要求，確定移開式固體絕緣開關(guān)柜作為變壓器的中壓進(jìn)線柜，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

1.2 模塊化柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到易于安裝和維護(hù)的需求，開關(guān)柜按照4個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為開關(guān)室、母線室、電纜室及二次儀表室，如圖1所示。

表1 南海某油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of withdrawable solid insulated switchgear for one offshore oil and gas field in the South China Sea

圖1 海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜各模塊示意圖Fig .1 Schematic diagram of each module of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

綜合考慮開斷容量、小型化及固封極柱表面金屬化等因素，開關(guān)滅弧室采用成都旭光公司的產(chǎn)品，型號(hào)為TD-12/1250-31.5E2。

與傳統(tǒng)觸頭盒相比，海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜上觸頭盒采用一體化設(shè)計(jì)(圖2)，分支母線固封在環(huán)氧樹脂內(nèi)，前端裝有活門機(jī)構(gòu)與手車組成動(dòng)態(tài)密封，密封等級(jí)可達(dá)到IP67。梅花觸頭安裝在靜觸開關(guān)的端部，外設(shè)高壓屏蔽網(wǎng)。

圖2 海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜上觸頭盒示意圖Fig .2 Schematic diagram of upper contact terminal box of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

下觸頭盒采用功能集成式設(shè)計(jì)(圖3a)，實(shí)現(xiàn)與固封極柱的密封連接，與互感器的插拔式連接及與接地刀動(dòng)觸頭密封連接。對(duì)導(dǎo)體形狀進(jìn)行電場分析(圖3b)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用高壓屏蔽網(wǎng)改善電場分布，以滿足外表面金屬化的局部放電性能要求。

開關(guān)外絕緣介質(zhì)采用環(huán)氧樹脂或其他固體類絕緣材料，把真空滅弧室、隔離開關(guān)、接地開關(guān)及其所有連接導(dǎo)電體放置在模具中，采用高性能環(huán)氧樹脂通過APG真空壓注技術(shù)壓注而成，滿足電磁場均勻分布、溫升低、全絕緣、防凝露要求。母線絕緣介質(zhì)采用硅橡膠或環(huán)氧樹脂等絕緣材料。

絕緣母線外包覆絕緣橡膠，最外層涂覆半導(dǎo)電層，并可靠接地；相與相、相與地的絕緣距離得到很好的保障；母線套靴斜對(duì)角平行排列，安裝方便，通用互換性好；連接處采用母線套靴，套靴外表面有半導(dǎo)電層，實(shí)現(xiàn)一次部件的全密封，保證接地的連續(xù)性。絕緣母線結(jié)構(gòu)如圖4所示。

電流互感器采用三線圈設(shè)計(jì)——保護(hù)、計(jì)量、測量級(jí)或測量+雙保護(hù)級(jí)；容量10～20VA，保護(hù)準(zhǔn)確等級(jí)5P20；互感器外表面涂覆導(dǎo)電層；與下觸頭盒連接處有密封圈，以實(shí)現(xiàn)接地面的連續(xù)性。電流互感器安裝位置及結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖3 海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜下觸頭盒及電場分析Fig .3 Lower contact terminal box and electric field analysis of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

圖4 海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜絕緣母線結(jié)構(gòu)Fig .4 Insulated bus of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

接地開關(guān)選用直動(dòng)插入式方案(圖6)，觸頭采用特殊的材料；該方式連接的動(dòng)靜觸頭接合方式具有操作力較小的優(yōu)點(diǎn)。接地開關(guān)預(yù)擊穿點(diǎn)與導(dǎo)電面不在同一位置，利于實(shí)現(xiàn)大電流關(guān)合。采用分相絕緣，降低相間短路的概率；常帶電部分密封在絕緣筒內(nèi)，絕緣筒外表面可涂覆導(dǎo)電層，提高接地開關(guān)安全性。

圖5 海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜電流互感器 安裝位置及結(jié)構(gòu)示意圖Fig .5 Installation and structure schematic diagram of current transformer of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

圖6 海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜 接地開關(guān)示意圖Fig .6 Schematic diagram of earthing switch of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

在柜體外殼設(shè)計(jì)方面，外殼、側(cè)板均由覆鋁鋅鋼板折彎而成，豎邊采用U型雙折邊結(jié)構(gòu)(圖7)，除儀表室外，各隔室設(shè)置有燃弧通道，隔室門采用密封圈密封，外殼防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP42，各隔室間防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP2X。

最終設(shè)計(jì)的海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜外殼彎折示意圖Fig .7 Schematic diagram of housing bending of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

1.3 高防護(hù)等級(jí)固封極柱技術(shù)

通過真空滅弧室上下導(dǎo)電部件的形狀優(yōu)化(圖9a)，采用特殊固封工藝及電場集中部位采用高壓屏蔽等措施，使固封極柱外表面金屬化后能滿足電場的均勻度與局部放電條件(相關(guān)分析結(jié)果見圖9b、c)，增強(qiáng)運(yùn)行的安全性及對(duì)運(yùn)行工況的環(huán)境適應(yīng)性。通過與活門密封裝置的配合，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)位置與工作位置的動(dòng)態(tài)密封，達(dá)到IP67密封等級(jí)要求[6-10]。

1.4 可移開式斷路器技術(shù)

與傳統(tǒng)手車相比，所設(shè)計(jì)的可移動(dòng)開式斷路器采用底盤車與斷路器機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，省去了二者之間連接的螺栓，取消了二者之間的插接件，既節(jié)省了裝配時(shí)間，減少了中間環(huán)節(jié)，又增加了機(jī)構(gòu)的可靠性、安全性。本文所研制的移開式固體絕緣開關(guān)設(shè)備是國內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的第一類移開式固體絕緣開關(guān)設(shè)備(圖10)，相較于傳統(tǒng)的固定式固體絕緣開關(guān)設(shè)備而言，這種可移開的設(shè)計(jì)方案可以最快地排除主開關(guān)部分發(fā)生的故障，縮短停電檢修的時(shí)間，避免斷路器損壞時(shí)更換整套開關(guān)柜，從而節(jié)約了維修成本。

圖8 海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜總體結(jié)構(gòu)(單位：mm)Fig .8 Overall structure of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields(unit：mm)

圖9 海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜固封極柱設(shè)計(jì)及分析結(jié)果Fig .9 Design and analysis result of embedded pole of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

圖10 海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜可移開式斷路器Fig .10 Withdrawable circuit breaker of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

2 樣機(jī)集成制造及測試認(rèn)證

2.1 集成制造

基于上述設(shè)計(jì)方案，開展了海洋油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜各模塊的集成制造，研制了樣機(jī)(圖11)，主要包括各模塊制造、通用元器件采辦、總體裝配等。

2.2 型式試驗(yàn)及第三方認(rèn)證

在機(jī)械工業(yè)高壓電器設(shè)備質(zhì)量檢測中心對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行了絕緣試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、燃弧試驗(yàn)、主回路電阻測量、關(guān)合開斷能力試驗(yàn)、短時(shí)/峰值耐受電流測試、機(jī)械特性測試、機(jī)械壽命試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)等型式試驗(yàn)內(nèi)容，試驗(yàn)環(huán)境為室內(nèi)溫度18.5℃，氣壓101.3 kPa，相對(duì)濕度10.0 g/m3，主要測試項(xiàng)目及結(jié)果如表2所示。

圖11 海上油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜樣機(jī)Fig .11 Prototype of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

所研制樣機(jī)在設(shè)計(jì)、制造、型式試驗(yàn)及FAT出廠測試等過程中均得到了第三方船級(jí)社的跟蹤監(jiān)督，各項(xiàng)結(jié)果符合IEC62271-200:2001、GB3906—2006、DL/T404—2007標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于絕緣試驗(yàn)、回路電阻測量、溫升試驗(yàn)、防護(hù)等級(jí)測試、關(guān)合和開斷能力驗(yàn)證、機(jī)械操作和機(jī)械性測量試驗(yàn)的要求，并符合IEC62271-100:2012、GB1984—2014、DL/T402—2016關(guān)于機(jī)械操作試驗(yàn)和基本短路試驗(yàn)方式的要求。已通過第三方船級(jí)社認(rèn)證，符合《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》要求[11]，表明所設(shè)計(jì)的海洋油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜滿足海上高鹽霧高潮濕高霉菌環(huán)境使用要求。

表2 海洋油氣田移開式固體絕緣開關(guān)柜部分型式試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果Table 2 Type test content and results of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

3 現(xiàn)場調(diào)試

現(xiàn)場調(diào)試內(nèi)容包括外觀檢查、回路檢查、絕緣測試、耐壓試驗(yàn)、功能測試、連鎖測試等。2017年3月31日，目標(biāo)平臺(tái)低壓配電系統(tǒng)由固體絕緣開關(guān)柜經(jīng)中壓變壓器首次配電成功，移開式固體絕緣開關(guān)柜樣機(jī)各項(xiàng)參數(shù)及功能均滿足項(xiàng)目要求。目前，隨著該平臺(tái)海上安裝的完成，本樣機(jī)已完成海上調(diào)試工作(圖12)，結(jié)果表明所研制樣機(jī)滿足海上環(huán)境要求和目標(biāo)平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

表3對(duì)比了目標(biāo)平臺(tái)相同參數(shù)的不同柜型中壓開關(guān)柜單臺(tái)尺寸和質(zhì)量，可見本文所研制的移開式固體絕緣開關(guān)柜占地面積減少約53%，并減小設(shè)備質(zhì)量約43%。另外，工程應(yīng)用中以該樣機(jī)在某海上油田B為例，該油田開發(fā)建設(shè)2座綜合平臺(tái)，2座井口平臺(tái)，共計(jì)有73面中壓配電盤;據(jù)估算，若該油田全部采用移開式固體絕緣開關(guān)柜，將減少占地面積約100 m2，減少設(shè)備質(zhì)量38 t，共可減少工程投資約150余萬元，降本增效顯著。

圖12 目標(biāo)平臺(tái)海上安裝現(xiàn)場及樣機(jī)調(diào)試Fig .12 Offshore installation and prototype debugging of target platform表3 目標(biāo)平臺(tái)相同參數(shù)不同開關(guān)柜柜型對(duì)比Table 3 Comparison of different cabinet types for switchgear with same parameters in target platform

柜型寬×深×高/(mm×mm×mm)占地面積/m2質(zhì)量/kg固體絕緣開關(guān)柜480×1160×22880.56680空氣絕緣開關(guān)柜800×1500×23001.201200

4 結(jié)束語

集成制造、型式試驗(yàn)及第三方認(rèn)證和現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果表明，本文所提出的移開式中壓固體絕緣開關(guān)柜方案具備在海上油田平臺(tái)的應(yīng)用可行性，能夠減小電氣房間面積，實(shí)現(xiàn)降本增效，提高油田開發(fā)效益。本文研究成果可以直接推動(dòng)固體絕緣新技術(shù)在海上石油平臺(tái)的推廣應(yīng)用，使得以高負(fù)荷、大容量、高電壓等級(jí)、結(jié)構(gòu)緊湊為特征的固體絕緣開關(guān)柜成為一種具有應(yīng)用前景的新型海洋石油工程配電設(shè)備，滿足海上石油平臺(tái)電力系統(tǒng)的供電需求，并解決目前海上平臺(tái)緊湊空間條件下的設(shè)備選型問題，為無人平臺(tái)及相關(guān)改造項(xiàng)目提供新思路，也為研發(fā)更高電壓等級(jí)、更大容量及室外型海洋油氣田固體絕緣開關(guān)柜提供技術(shù)儲(chǔ)備。