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        固體柜國網標準化定制方案詳解

        | | | | 2021-3-20 17:48

        國網固體柜標準化定制方案詳解:
        固體絕緣環網柜是隨著固體絕緣技術和絕緣材料的發展而誕生的產品,固體柜經歷15年的發展已變成市場不可缺的一部分,固體柜目前產品市場主要以國網系統、南網系統和用戶工程為主,在石油、石化、鐵路等系統的用量逐步提高。從事研發和生產固體絕緣環網柜的企業也在市場的發展中進行了洗牌,保存下了一批創新能力強、技術水平高、生產條件先進及管理規范的企業,使得產品質量的可靠性、環境適用性、便捷的運行與維護性得到了較大的提高,市場占有量也逐年在提升。
        2019年國網公司1-9月份環網柜招標統計,固體絕緣環網柜占8%。


        △不同型號環網箱需求數量

        |現狀分析
        固體絕緣環網柜固體柜)目前主要以12kV電壓等級產品為主,是國網固化的標準化產品,市場主要以國網系統、南網系統的招投標平臺和用戶工程為主,在石油、石化、鐵路等系統的用量逐步提高。固體柜在兩大電網系統的環網柜中占有量大約在10%-15%之間,每年全國的需求量約在4萬單元左右。

        近幾年來固體環網柜技術發展緩慢,技術及工藝創新有限,生產企業也在市場變化的同時進行了洗牌,保存下了一批創新能力強、技術水平高、生產條件先進及管理規范的企業,使得產品質量的可靠性、環境適用性、便捷的運行與維護性得到了較大的提高,市場占有量也逐年在提升。

        近幾年固體絕緣環網柜技術發展緩慢,技術及工藝創新有限,在國家電網公司層面主要進行了以下工作:

        1.固體柜國網標準化定制方案

        標準化定制主要從典型結構方案(斷路器、負荷開關、母線、PT)、一次設備接口、主母線擴展方式、三工位隔離/接地開關的配置等做了詳細規定,同時對外露絕緣件接地方式、出線電纜的固定等做作了要求。

        2.環網柜一二次融合技術方案

        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,滿足 供電、相、零序電壓信號的采集。

        電源輸出要求:工作電源滿足同時為終端核心單元、通信設備、線損模塊、開關分合閘提供正常工作電源。

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

        |創新設計理念與工藝

        1.為適應物聯網技術的一二次深度融合固體柜方案設計:

        通過深度融合智能取電技術、電力信號及狀態傳感技術,實現環網柜自動化數據和狀態感知數據本地集成和融合,達到物理設備和信息系統的有機集成;這里面包含:固體環網柜本體部分、狀態感知部分和深度融合為一體部分。

        設備本體部分:

        智能電源的設計及設備取電方式的選擇

        絕緣結構設計與免維護結構工藝設計

        插接式結構工藝設計

        特性參數優化設計等

        A. 本體部分的電源設計:

        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備的要求,需尋求一種全新技術的電源配置及新型取電技術,將它應用到固體柜中。

        B.狀態感知部分:

        電氣量與狀態量的信號采集與處理系統;

        電氣量傳感器的應用:電流、電壓、零序等;

        狀態量傳感器的應用:特性參數、分合閘、儲能等;

        在線監測傳感器的應用:溫度、局放、分合閘線圈動作電流、電機工作電流、儲能簧參量等。

        C.深度融合一體化設計部分:

        怎樣將本體部分和狀態感知部分進行深度的融合,實現一體化結構,需要解決抗干擾問題、穩定性問題、傳感器精度問題、絕緣問題等等。

        2.綠色設計

        材料設計;應盡量減少所用材料的種類,優先使用可回收、易分解、可循環利用、低污染的材料;

        模塊化、標準化設計;設計出一系列的功能模塊,通過模塊的插接構成不同的產品,達到快速高效以滿足市場的不同需要;

        面向制造和裝配的工藝設計;采用合理的新型加工方法,提高零配件的標準化程度,形成專業化生產;

        均衡的長壽命設計、可拆卸性和可回收性設計;

        高電壓、大電流產品的絕緣材料配方研究及合理散熱結構與絕緣結構的工藝設計。

        |發展趨勢

        運行狀態的監測、分析與診斷技術的應用

        1.適應智能電網的發展要求。

        2.可以及早發現事故隱患,增加開關設備運行可靠性,并實現“狀態維修”。更重要的是能判斷其工作是否正常,給出壽命預測及失效率評估,及對其進行最佳運行調控,這樣才能全面、有效地提高電網可靠性。

        3.引入智能化意味著新的狀態監測和診斷功能加入到傳統的控制監測功能之中,這些功能的集成不僅使整個系統經濟效益提高,而且可以提高設備的可靠性。

        3

        主講人:郭宏

        EPTC開關專委會固體絕緣環網柜工作組專家成員、現任中海油研究總院電氣首席工程師,擔任全國石油和化工自動化協會專家委員會委員, 多次作為該協會優秀論文評選專家為參評論文把關,多次參加電氣專業及設備的技術交流并做主題發言。

        演講主題

        《固體絕緣開關柜在海上平臺的技術研究及應用》

        內容亮點解讀

        |發展現狀

        目前,海洋油氣田項目10.5kV系統普遍采用傳統空氣絕緣氣體柜,占地面積較大,22kV以上基本采用進口SF6氣體柜,不利于環境保護,同時后期維護成本較大。隨著海洋油氣田建造規模不斷擴大,電力系統也日趨龐大,同時未來海上平臺將逐步由從傳統管理模式向現代化、數字化、智能化跨越,利用“互聯網+”技術推動產業轉型,建設“智慧海油”。

        固體絕緣開關柜具有占地面積小、性價比高、絕緣、安全及防護等級高、綠色、環保,可用于高海拔、高潮濕環境等優勢。2016-2018年,中海油研究總院、北京雙杰、海油工程共同完成了國內首套12kV移開式及35kV固體絕緣開關柜研制,其12kV開關柜已在海上平臺安全投運1年時間。

        |面臨的技術挑戰

        1.絕緣材料開發:必須開發出完全超過已有環氧樹脂特性的高性能可降解的環氧樹脂,進一步提高絕緣材料機械強度及絕緣性能,具備耐熱性、韌性、流動性高,線性膨脹率低等特點,實現直接澆注陶瓷真空滅弧室,也不會開裂的澆注件,提升固體絕緣開關柜電壓等級及適用范圍。

        2.屏蔽及接地連續性技術:國內現有產品中很大一部分絕緣件表面均未做屏蔽與金屬化處理,局放指標較高;運行中絕緣件受環境空氣中灰塵和潮氣侵入,絕緣件表面的電場受到破壞,出現泄露電流和表面放電現象,長時間運行會出現絕緣擊穿和發生相間短路故障。同時,因表面未可靠接地在人觸摸時會出現人身傷亡事故。

        3.關鍵部件設計:主要包括固封極柱、真空斷路器、隔離開關、接地開關等部件固封絕緣設計,要充分利用計算機輔助設計技術,如三維建模、有限元分析等,解決人工無法解決的一系列電場、溫度場、機械強度分析問題,掌握關鍵部件設計制造的核心技術,才能使固體絕緣開關柜在更加環保、緊湊、安全、可靠。

        |關鍵技術與框架設計

        1. 12kV移開式固體絕緣開關柜

        (1)基本參數

        (2)手車式真空斷路器技術:設計底盤車與斷路器機構一體化設計,省去二者之間連接的螺栓,取消二者之間的插接件,既節省了裝配時間,又減少了中間環節,增加了機構的可靠性、安全性。手車觸臂外面與活門之間在試驗、工作位置與柜體有動態密封,等級達到IP67,極大減小了外界環境對整體一次部件的影響。

        真空滅弧室導電部件形狀優化,外設高壓屏蔽網,使電場均勻。應用ANSYS熱電耦合分析,額定電流為1250A 的手車式斷路器穩態溫度場仿真。

        (3)一體式電流互感器技術:為保證一次帶電部件的全密封,電流互感器需要和斷路器、觸頭實現一體化設計,帶電部分用環氧樹脂澆筑,采用定制方案,并通過嚴格的出廠檢驗,包括觸頭盒尺寸檢驗、互感器尺寸檢驗、絕緣缺陷X射線檢測、直流電阻測量、伏安特性試驗等,各項指標滿足設計要求。

        (4)直動式接地開關技術:首次突破直動式接地開關技術,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,絕緣筒外表面涂覆導電層,提高接地開關安全性。

        (5)全絕緣活門機構設計:材料采用阻燃聚碳酸酯,絕緣性能更加 ,同時利用絕緣觸臂與活門組成地動態密封,保證手車在試驗、工作位置,柜內一次導電部分的防護等級都能達到IP67。

        (6)移開式固體絕緣開關柜典型方案設計:

        2. 40.5kV固體絕緣開關柜

        (1)基本參數

        (2)柜體特點

        四室設計:開關室(隔離開關、斷路器)、電纜室、低壓室、母線室。

        機械及電氣聯鎖設計:防止帶負荷分合隔離開關,防止誤入帶電間隔,防止一次帶電時合接地開關,防止接地開關合閘時,合隔離開關,防止誤分、誤合斷路器。

        (3)一次回路設計

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

        一次電流流動方式:

        進線柜:下部進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線電纜。

        (4)真空斷路器技術

        ◆ 動觸頭連接改為軟連接:

        有利于提高合、分閘速度;

        對絕緣拉桿的同軸度要求降低,降低了制作難度;

        軟連接對大電流柜具有更好的適應能力。

        ◆ 絕緣筒端口設置了絕緣密封套,防止爬電和保證筒內清潔。

        ◆ 整柜所有絕緣模塊均采用圓柱型設計,隔離開關采用了直動式方案,直動式隔離方案可以做到電場均勻分布。

        ◆隔離接地開關本體是由五部分組成,各段間的聯接處加硅橡膠絕緣套。連接處的硅膠套壓縮量要嚴格控制。

        ◆下部絕緣筒端口設置了絕緣密封套,保證筒內清潔。

        ◆隔離刀用銅管制作而成,通過導電桿的上下運動實現隔離開關的三個狀態。

        ◆作為下進線柜時接地出線取消改為絕緣件。

        |實際應用

        2017年3月31日,國內首臺12kV移開式固體絕緣開關柜在文昌項目中心平臺主開關間成功上電測試,標志著固體絕緣開關柜首次在海油工程項目中成功試用,為后續項目推廣提供了應用基礎與實踐經驗。本次成功試用具有及其重要的意義,將直接推動固體絕緣開關柜在海洋石油領域發展,為油氣田開發提供新的開關柜解決方案。

        |發展展望

        相比現有傳統空氣絕緣開關柜,固體柜占地面積最大可節省40%,重量減輕30%,同時在安全可靠性、油氣田環境適用性等方面具有明顯優勢,可節約配電室面積及開關柜重量,降低生產建設投資及維護成本,同時實現快速復產。固體絕緣開關柜系列產品主要技術指標達到國際領先水平。

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