海上油氣田移開式中壓固體絕緣開關柜關鍵技術研究及樣機測試*

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)

目前海上石油平臺使用的中壓開關柜主要是以空氣絕緣為主的戶內固定式交流金屬開關柜和真空開關柜，其開關設備體積較大，而海上石油平臺受制于空間限制，須考慮采用占地空間更小、維修方便或免維護的電氣設備來替換傳統的開關柜。同時，由于海洋環境惡劣，傳統開關柜易受高鹽霧、霉菌、濕度的影響，導致機電設備故障率高、維護成本高，因此亟待研發適合在海上石油平臺上使用的性能優異、安全穩定、占地空間較小的供電開關設備。

固體絕緣開關柜采用固體絕緣材料作為主絕緣介質，并輔以其他絕緣結構，在設計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，彌補空氣絕緣開關柜體積大的不足[1-4]。固體絕緣開關柜作為一項新型技術，在中壓特別是陸上10 kV系統設備中已得到應用，但目前陸上應用的固體絕緣開關柜均為固定結構，且在容量、防護等級、結構形式等方面不適合海上石油平臺的特殊環境及電力系統要求[5]。

本文針對海上油氣田高鹽霧、霉菌、潮濕的環境條件，考慮海上旋轉設備震動、深水浮式平臺隨風浪流運動傾斜及海上設施對設備的空間限制等特點，開展了海上油氣田移開式固體絕緣開關柜關鍵技術研究，提出了具有高可靠性、高防護等級、尺寸小型化且維修便利的移開式固體絕緣開關柜設計方案，并通過集成制造、型式試驗、第三方船級社認證及現場調試，驗證了樣機在海上石油平臺應用的可行性。本文研究成果對于實現海上石油平臺電氣設備向小型化、緊湊化發展及油田降本增效具有一定的指導意義。

1 海上油氣田移開式固體絕緣開關柜關鍵技術研究

1.1 移開式固體絕緣開關柜設計參數

根據南海某油氣田電力系統總體設計方案要求，確定移開式固體絕緣開關柜作為變壓器的中壓進線柜，其設計參數見表1。

1.2 模塊化柜體結構設計

考慮到易于安裝和維護的需求，開關柜按照4個獨立結構模塊進行設計，分別為開關室、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柜設計參數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，開關滅弧室采用成都旭光公司的產品，型號為TD-12/1250-31.5E2。

與傳統觸頭盒相比，海上油氣田移開式固體絕緣開關柜上觸頭盒采用一體化設計(圖2)，分支母線固封在環氧樹脂內，前端裝有活門機構與手車組成動態密封，密封等級可達到IP67。梅花觸頭安裝在靜觸開關的端部，外設高壓屏蔽網。

圖2 海上油氣田移開式固體絕緣開關柜上觸頭盒示意圖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計(圖3a)，實現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觸頭密封連接。對導體形狀進行電場分析(圖3b)，并優化設計，采用高壓屏蔽網改善電場分布，以滿足外表面金屬化的局部放電性能要求。

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

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，套靴外表面有半導電層，實現一次部件的全密封，保證接地的連續性。絕緣母線結構如圖4所示。

電流互感器采用三線圈設計——保護、計量、測量級或測量+雙保護級；容量10～20VA，保護準確等級5P20；互感器外表面涂覆導電層；與下觸頭盒連接處有密封圈，以實現接地面的連續性。電流互感器安裝位置及結構如圖5所示。

圖3 海上油氣田移開式固體絕緣開關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柜絕緣母線結構Fig .4 Insulated bus of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

接地開關選用直動插入式方案(圖6)，觸頭采用特殊的材料；該方式連接的動靜觸頭接合方式具有操作力較小的優點。接地開關預擊穿點與導電面不在同一位置，利于實現大電流關合。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，絕緣筒外表面可涂覆導電層，提高接地開關安全性。

圖5 海上油氣田移開式固體絕緣開關柜電流互感器 安裝位置及結構示意圖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柜 接地開關示意圖Fig .6 Schematic diagram of earthing switch of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

在柜體外殼設計方面，外殼、側板均由覆鋁鋅鋼板折彎而成，豎邊采用U型雙折邊結構(圖7)，除儀表室外，各隔室設置有燃弧通道，隔室門采用密封圈密封，外殼防護等級達到IP42，各隔室間防護等級達到IP2X。

最終設計的海上油氣田移開式固體絕緣開關柜總體結構如圖8所示。

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

1.3 高防護等級固封極柱技術

通過真空滅弧室上下導電部件的形狀優化(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(相關分析結果見圖9b、c)，增強運行的安全性及對運行工況的環境適應性。通過與活門密封裝置的配合，實現試驗位置與工作位置的動態密封，達到IP67密封等級要求[6-10]。

1.4 可移開式斷路器技術

與傳統手車相比，所設計的可移動開式斷路器采用底盤車與斷路器機構一體化設計，省去了二者之間連接的螺栓，取消了二者之間的插接件，既節省了裝配時間，減少了中間環節，又增加了機構的可靠性、安全性。本文所研制的移開式固體絕緣開關設備是國內設計生產的第一類移開式固體絕緣開關設備(圖10)，相較于傳統的固定式固體絕緣開關設備而言，這種可移開的設計方案可以最快地排除主開關部分發生的故障，縮短停電檢修的時間，避免斷路器損壞時更換整套開關柜，從而節約了維修成本。

圖8 海上油氣田移開式固體絕緣開關柜總體結構(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柜固封極柱設計及分析結果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 樣機集成制造及測試認證

2.1 集成制造

基于上述設計方案，開展了海洋油氣田移開式固體絕緣開關柜各模塊的集成制造，研制了樣機(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 型式試驗及第三方認證

在機械工業高壓電器設備質量檢測中心對該樣機進行了絕緣試驗、溫升試驗、燃弧試驗、主回路電阻測量、關合開斷能力試驗、短時/峰值耐受電流測試、機械特性測試、機械壽命試驗、局部放電試驗等型式試驗內容，試驗環境為室內溫度18.5℃，氣壓101.3 kPa，相對濕度10.0 g/m3，主要測試項目及結果如表2所示。

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

所研制樣機在設計、制造、型式試驗及FAT出廠測試等過程中均得到了第三方船級社的跟蹤監督，各項結果符合IEC62271-200:2001、GB3906—2006、DL/T404—2007標準中關于絕緣試驗、回路電阻測量、溫升試驗、防護等級測試、關合和開斷能力驗證、機械操作和機械性測量試驗的要求，并符合IEC62271-100:2012、GB1984—2014、DL/T402—2016關于機械操作試驗和基本短路試驗方式的要求。已通過第三方船級社認證，符合《海上固定平臺安全規則》要求[11]，表明所設計的海洋油氣田移開式固體絕緣開關柜滿足海上高鹽霧高潮濕高霉菌環境使用要求。

表2 海洋油氣田移開式固體絕緣開關柜部分型式試驗項目及結果Table 2 Type test content and results of withdrawable solid insulated switchgear for offshore oil and gas fields

3 現場調試

現場調試內容包括外觀檢查、回路檢查、絕緣測試、耐壓試驗、功能測試、連鎖測試等。2017年3月31日，目標平臺低壓配電系統由固體絕緣開關柜經中壓變壓器首次配電成功，移開式固體絕緣開關柜樣機各項參數及功能均滿足項目要求。目前，隨著該平臺海上安裝的完成，本樣機已完成海上調試工作(圖12)，結果表明所研制樣機滿足海上環境要求和目標平臺電力系統設計要求。

表3對比了目標平臺相同參數的不同柜型中壓開關柜單臺尺寸和質量，可見本文所研制的移開式固體絕緣開關柜占地面積減少約53%，并減小設備質量約43%。另外，工程應用中以該樣機在某海上油田B為例，該油田開發建設2座綜合平臺，2座井口平臺，共計有73面中壓配電盤;據估算，若該油田全部采用移開式固體絕緣開關柜，將減少占地面積約100 m2，減少設備質量38 t，共可減少工程投資約150余萬元，降本增效顯著。

圖12 目標平臺海上安裝現場及樣機調試Fig .12 Offshore installation and prototype debugging of target platform表3 目標平臺相同參數不同開關柜柜型對比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質量/kg固體絕緣開關柜480×1160×22880.56680空氣絕緣開關柜800×1500×23001.201200

4 結束語

集成制造、型式試驗及第三方認證和現場調試結果表明，本文所提出的移開式中壓固體絕緣開關柜方案具備在海上油田平臺的應用可行性，能夠減小電氣房間面積，實現降本增效，提高油田開發效益。本文研究成果可以直接推動固體絕緣新技術在海上石油平臺的推廣應用，使得以高負荷、大容量、高電壓等級、結構緊湊為特征的固體絕緣開關柜成為一種具有應用前景的新型海洋石油工程配電設備，滿足海上石油平臺電力系統的供電需求，并解決目前海上平臺緊湊空間條件下的設備選型問題，為無人平臺及相關改造項目提供新思路，也為研發更高電壓等級、更大容量及室外型海洋油氣田固體絕緣開關柜提供技術儲備。