海上油气田移开式中压固体绝缘开关柜关键技术研究及样机测试*

王艳红 平朝春 郭 宏 郭江艳 王 伟 王晓智

(1. 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司建造公司 天津 300452)

目前海上石油平台使用的中压开关柜主要是以空气绝缘为主的户内固定式交流金属开关柜和真空开关柜，其开关设备体积较大，而海上石油平台受制于空间限制，须考虑采用占地空间更小、维修方便或免维护的电气设备来替换传统的开关柜。同时，由于海洋环境恶劣，传统开关柜易受高盐雾、霉菌、湿度的影响，导致机电设备故障率高、维护成本高，因此亟待研发适合在海上石油平台上使用的性能优异、安全稳定、占地空间较小的供电开关设备。

固体绝缘开关柜采用固体绝缘材料作为主绝缘介质，并辅以其他绝缘结构，在设计上将高压带电体固封并采取局部屏蔽等措施，提高其电气绝缘性能，弥补空气绝缘开关柜体积大的不足[1-4]。固体绝缘开关柜作为一项新型技术，在中压特别是陆上10 kV系统设备中已得到应用，但目前陆上应用的固体绝缘开关柜均为固定结构，且在容量、防护等级、结构形式等方面不适合海上石油平台的特殊环境及电力系统要求[5]。

本文针对海上油气田高盐雾、霉菌、潮湿的环境条件，考虑海上旋转设备震动、深水浮式平台随风浪流运动倾斜及海上设施对设备的空间限制等特点，开展了海上油气田移开式固体绝缘开关柜关键技术研究，提出了具有高可靠性、高防护等级、尺寸小型化且维修便利的移开式固体绝缘开关柜设计方案，并通过集成制造、型式试验、第三方船级社认证及现场调试，验证了样机在海上石油平台应用的可行性。本文研究成果对于实现海上石油平台电气设备向小型化、紧凑化发展及油田降本增效具有一定的指导意义。

1 海上油气田移开式固体绝缘开关柜关键技术研究

1.1 移开式固体绝缘开关柜设计参数

根据南海某油气田电力系统总体设计方案要求，确定移开式固体绝缘开关柜作为变压器的中压进线柜，其设计参数见表1。

1.2 模块化柜体结构设计

考虑到易于安装和维护的需求，开关柜按照4个独立结构模块进行设计，分别为开关室、母线室、电缆室及二次仪表室，如图1所示。

表1 南海某油气田移开式固体绝缘开关柜设计参数Table 1 Design parameters of withdrawable solid insulated switchgear for one offshore oil and gas field in the South China Sea

图1 海上油气田移开式固体绝缘开关柜各模块示意图Fig .1 Schematic diagram of each module of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

综合考虑开断容量、小型化及固封极柱表面金属化等因素，开关灭弧室采用成都旭光公司的产品，型号为TD-12/1250-31.5E2。

与传统触头盒相比，海上油气田移开式固体绝缘开关柜上触头盒采用一体化设计(图2)，分支母线固封在环氧树脂内，前端装有活门机构与手车组成动态密封，密封等级可达到IP67。梅花触头安装在静触开关的端部，外设高压屏蔽网。

图2 海上油气田移开式固体绝缘开关柜上触头盒示意图Fig .2 Schematic diagram of upper contact terminal box of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

下触头盒采用功能集成式设计(图3a)，实现与固封极柱的密封连接，与互感器的插拔式连接及与接地刀动触头密封连接。对导体形状进行电场分析(图3b)，并优化设计，采用高压屏蔽网改善电场分布，以满足外表面金属化的局部放电性能要求。

开关外绝缘介质采用环氧树脂或其他固体类绝缘材料，把真空灭弧室、隔离开关、接地开关及其所有连接导电体放置在模具中，采用高性能环氧树脂通过APG真空压注技术压注而成，满足电磁场均匀分布、温升低、全绝缘、防凝露要求。母线绝缘介质采用硅橡胶或环氧树脂等绝缘材料。

绝缘母线外包覆绝缘橡胶，最外层涂覆半导电层，并可靠接地；相与相、相与地的绝缘距离得到很好的保障；母线套靴斜对角平行排列，安装方便，通用互换性好；连接处采用母线套靴，套靴外表面有半导电层，实现一次部件的全密封，保证接地的连续性。绝缘母线结构如图4所示。

电流互感器采用三线圈设计——保护、计量、测量级或测量+双保护级；容量10～20VA，保护准确等级5P20；互感器外表面涂覆导电层；与下触头盒连接处有密封圈，以实现接地面的连续性。电流互感器安装位置及结构如图5所示。

图3 海上油气田移开式固体绝缘开关柜下触头盒及电场分析Fig .3 Lower contact terminal box and electric field analysis of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

图4 海上油气田移开式固体绝缘开关柜绝缘母线结构Fig .4 Insulated bus of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

接地开关选用直动插入式方案(图6)，触头采用特殊的材料；该方式连接的动静触头接合方式具有操作力较小的优点。接地开关预击穿点与导电面不在同一位置，利于实现大电流关合。采用分相绝缘，降低相间短路的概率；常带电部分密封在绝缘筒内，绝缘筒外表面可涂覆导电层，提高接地开关安全性。

图5 海上油气田移开式固体绝缘开关柜电流互感器 安装位置及结构示意图Fig .5 Installation and structure schematic diagram of current transformer of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

图6 海上油气田移开式固体绝缘开关柜 接地开关示意图Fig .6 Schematic diagram of earthing switch of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

在柜体外壳设计方面，外壳、侧板均由覆铝锌钢板折弯而成，竖边采用U型双折边结构(图7)，除仪表室外，各隔室设置有燃弧通道，隔室门采用密封圈密封，外壳防护等级达到IP42，各隔室间防护等级达到IP2X。

最终设计的海上油气田移开式固体绝缘开关柜总体结构如图8所示。

图7 海上油气田移开式固体绝缘开关柜外壳弯折示意图Fig .7 Schematic diagram of housing bending of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

1.3 高防护等级固封极柱技术

通过真空灭弧室上下导电部件的形状优化(图9a)，采用特殊固封工艺及电场集中部位采用高压屏蔽等措施，使固封极柱外表面金属化后能满足电场的均匀度与局部放电条件(相关分析结果见图9b、c)，增强运行的安全性及对运行工况的环境适应性。通过与活门密封装置的配合，实现试验位置与工作位置的动态密封，达到IP67密封等级要求[6-10]。

1.4 可移开式断路器技术

与传统手车相比，所设计的可移动开式断路器采用底盘车与断路器机构一体化设计，省去了二者之间连接的螺栓，取消了二者之间的插接件，既节省了装配时间，减少了中间环节，又增加了机构的可靠性、安全性。本文所研制的移开式固体绝缘开关设备是国内设计生产的第一类移开式固体绝缘开关设备(图10)，相较于传统的固定式固体绝缘开关设备而言，这种可移开的设计方案可以最快地排除主开关部分发生的故障，缩短停电检修的时间，避免断路器损坏时更换整套开关柜，从而节约了维修成本。

图8 海上油气田移开式固体绝缘开关柜总体结构(单位：mm)Fig .8 Overall structure of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields(unit：mm)

图9 海上油气田移开式固体绝缘开关柜固封极柱设计及分析结果Fig .9 Design and analysis result of embedded pole of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

图10 海上油气田移开式固体绝缘开关柜可移开式断路器Fig .10 Withdrawable circuit breaker of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

2 样机集成制造及测试认证

2.1 集成制造

基于上述设计方案，开展了海洋油气田移开式固体绝缘开关柜各模块的集成制造，研制了样机(图11)，主要包括各模块制造、通用元器件采办、总体装配等。

2.2 型式试验及第三方认证

在机械工业高压电器设备质量检测中心对该样机进行了绝缘试验、温升试验、燃弧试验、主回路电阻测量、关合开断能力试验、短时/峰值耐受电流测试、机械特性测试、机械寿命试验、局部放电试验等型式试验内容，试验环境为室内温度18.5℃，气压101.3 kPa，相对湿度10.0 g/m3，主要测试项目及结果如表2所示。

图11 海上油气田移开式固体绝缘开关柜样机Fig .11 Prototype of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

所研制样机在设计、制造、型式试验及FAT出厂测试等过程中均得到了第三方船级社的跟踪监督，各项结果符合IEC62271-200:2001、GB3906—2006、DL/T404—2007标准中关于绝缘试验、回路电阻测量、温升试验、防护等级测试、关合和开断能力验证、机械操作和机械性测量试验的要求，并符合IEC62271-100:2012、GB1984—2014、DL/T402—2016关于机械操作试验和基本短路试验方式的要求。已通过第三方船级社认证，符合《海上固定平台安全规则》要求[11]，表明所设计的海洋油气田移开式固体绝缘开关柜满足海上高盐雾高潮湿高霉菌环境使用要求。

表2 海洋油气田移开式固体绝缘开关柜部分型式试验项目及结果Table 2 Type test content and results of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

3 现场调试

现场调试内容包括外观检查、回路检查、绝缘测试、耐压试验、功能测试、连锁测试等。2017年3月31日，目标平台低压配电系统由固体绝缘开关柜经中压变压器首次配电成功，移开式固体绝缘开关柜样机各项参数及功能均满足项目要求。目前，随着该平台海上安装的完成，本样机已完成海上调试工作(图12)，结果表明所研制样机满足海上环境要求和目标平台电力系统设计要求。

表3对比了目标平台相同参数的不同柜型中压开关柜单台尺寸和质量，可见本文所研制的移开式固体绝缘开关柜占地面积减少约53%，并减小设备质量约43%。另外，工程应用中以该样机在某海上油田B为例，该油田开发建设2座综合平台，2座井口平台，共计有73面中压配电盘;据估算，若该油田全部采用移开式固体绝缘开关柜，将减少占地面积约100 m2，减少设备质量38 t，共可减少工程投资约150余万元，降本增效显著。

图12 目标平台海上安装现场及样机调试Fig .12 Offshore installation and prototype debugging of target platform表3 目标平台相同参数不同开关柜柜型对比Table 3 Comparison of different cabinet types for switchgear with same parameters in target platform

柜型宽×深×高/(mm×mm×mm)占地面积/m2质量/kg固体绝缘开关柜480×1160×22880.56680空气绝缘开关柜800×1500×23001.201200

4 结束语

集成制造、型式试验及第三方认证和现场调试结果表明，本文所提出的移开式中压固体绝缘开关柜方案具备在海上油田平台的应用可行性，能够减小电气房间面积，实现降本增效，提高油田开发效益。本文研究成果可以直接推动固体绝缘新技术在海上石油平台的推广应用，使得以高负荷、大容量、高电压等级、结构紧凑为特征的固体绝缘开关柜成为一种具有应用前景的新型海洋石油工程配电设备，满足海上石油平台电力系统的供电需求，并解决目前海上平台紧凑空间条件下的设备选型问题，为无人平台及相关改造项目提供新思路，也为研发更高电压等级、更大容量及室外型海洋油气田固体绝缘开关柜提供技术储备。