海上平臺智能低壓配電開關柜集成設計與研究

張永佳 吳長虎 魏曉豐

（中海油能源發展裝備技術有限公司）

0 引言

在科技發展下，人類活動范圍向海洋延伸，為開采石油、海洋風力發電、海洋監測及潮汐能發電等建設需求，需要建設海上平臺設施，安裝相關設備，提供信號中繼、近場控制等功能。而海上平臺通常安裝多種電氣設施，將信號線纜與電纜等，從路堤鋪設至海上平臺，或是從母平臺鋪設至子平臺。為滿足平臺運行電氣設施要求，應集成設計智能低壓配電開關柜，優化電力系統輸配電，保護、控制與開合用電設備。

1 智能開關柜功能需求

海上平臺開關柜設置中，考慮平臺使用特殊性，要求開關柜不僅能夠便捷吊裝、整體安裝，加上環境惡劣，對其穩定性、照明提出更高要求，現有開關柜難以滿足要求［1］。具體功能如下：

（1）智能化。開關柜擁有遙信、遙控、遙測功能。遙信功能是實時采集開關柜運行闡述，提前預警開關柜故障，或是發生故障后報警；遙測是采集開關柜系統各參數，進行合理分析；遙控是利用計算機對斷路器分合閘遙控記錄［2］。

（2）小型化。相比傳統開關柜，固體絕緣技術、氣體絕緣技術發展，開關柜體積也隨之減小，應當綜合電子式電流互感器、電壓互感器、接地開關、隔離開關等，持續縮小開關柜體積。

（3）免維護。開關柜與斷路器生產廠商需研發免維護產品，實現一體化設計，設計全絕緣、全密封氣箱。保證配電網可靠安全。

通過智能開關柜設計，準確測得線路數據情況，作出反應判斷，保證開關柜穩定、安全地長期運行。

2 智能開關柜集成設計

2.1 總體設計

開關柜集成設計中，正面柜門機柜，頂部設置頂部平臺，內腔設置中部平臺，頂部平臺后補安裝銅排母線。上部隔離開關組件有傾斜底板，底板安裝前排/后排絕緣子，且頂部均安裝上部連接線，包括帶有上部前托叉的第二轉軸、帶有后托叉的第一轉軸，及中間絕緣子［3］。絕緣子上端鉸接安裝上部電橋，下端鉸接后托叉。下部隔離開關組件包括支架下排/上排絕緣子，且在前端安裝下部連接板，包括帶有下部上托叉第三轉軸、帶有下托叉第四轉軸，及下部中間絕緣子。絕緣子前端鉸接下部電橋，后端鉸接下部上托叉。

2.2 核心硬件

2.2.1 斷路器

高壓斷路器能夠斷開與接通線路，確保出現故障后能夠敘述斷開故障設備，其工作性能對系統運行影響較大。為此，斷路器需安裝滅弧裝置，擁有滅弧能力，確保面對海上惡劣環境也能斷開，保證工作可靠性。以往使用真空斷路器，能夠多次操作、開斷性能好、維護簡單，內部卻是彈簧操動機構，結構較為復雜，可靠性不高［4］。為此，開關柜設計中，采取永磁操動機構斷路器，考慮開關柜分合閘限制，時間在10~15ms內，參數見表1。

表1 斷路器技術參數

永磁真空斷路器具有以下特點：

（1）簡單可靠、免維護。以往斷路器使用彈簧操動機構，傳動機構復雜，分合閘需要機械鎖扣，每次分合操作均受到機械沖擊，容易引發機械故障。而永磁真空斷路器簡化操作機構，使用3個單線圈永磁機構，做到每相1個，且開關元件軸對稱布置，開展直線線性運動，可靠性高。

（2）無合閘彈挑，機械壽命150000次，分閘時間13ms，開斷次數300次，選擇永磁斷路器，壽命高、體積小，特殊形狀縱磁場能夠均勻分布觸頭表面電弧，提高真空滅弧室性能。制造工藝上，單片焊接金屬波紋管，有效縮小波紋管體積，延長機械壽命。

（3）新型連鎖機構，斷路器與連鎖機構互相獨立，連鎖軸處于未閉鎖位置，軸上鍵槽垂直，如果真空斷路器處于分閘位置，即可開展合閘操作。該聯鎖機構讓系統分合操作不受聯鎖機構制約，提高了斷路器及配套設備可靠性。

2.2.2 電源設計

在開關柜單元設計中，采取TV輸出220VAC或低壓220VAC供電。工作時電池浮充，分合閘操作不會對電池能量造成消耗［5］。7Ah電池分合閘能夠達到200次以上。同時，斷路器智能模塊擁有獨立合閘儲能電容器與分閘儲能電容器，失去電池電源與外接電源后，仍能開展1次分閘，減少故障影響，確保設備安全可靠。

2.3 全密封氣箱

在海上平臺中，開關柜集成設計需要做到全密封、全絕緣、可拓展，滿足電氣設施運行要求。

（1）免維護性。為保證低壓開關柜帶電運行中，不會頻繁出現故障，外部箱體先用厚度在2.5mm以上的鋼板，將其密封焊接。柜內開關軸軸承部分，使用密封環，保證整體氣密性。而密封艙中，考慮其由硅橡膠與環氧樹脂構成，選擇高壓熔絲進行密封，以硅橡膠將母線沐風，以電纜附件將電纜密封。通過此種方法，減少停電維護時間，使其在海上平臺惡劣條件下也能安全穩定運行。

（2）易操作性。智能開關柜氣箱與操作機構一體化，操作位置1.3m，適用于人體高度。該裝置具備快分快合機構，任意模塊均可安裝電動操作，馬達直接在操作機構室安裝，無需改動柜體。而遙控繼電器、自動裝置、接線端子排等二次裝置安裝于控制箱內，操作性良好。

（3）可拓展性。開關柜預留一定擴展空間，可在630A母線電流范圍內無線擴展，擴展處于柜體中部，便于安裝。

（4）全密封性。海上平臺開關柜密封性是保證其長時間運行的基礎，開關軸利用氣箱上部軸承連接操作機構，且通過開關刀片轉動操作機構，軸承與套管使用特殊密封環，選用雙層特殊密封結構［6］。充氣工藝中，氣箱出廠前在真空室內抽真空，沖入干燥純凈的氮氣，且添加三氧化二鋁，吸收氣體微量水分，在切斷開關帶負荷后，復合氣體分子。

氣箱保證密封工藝后，真空室內開展嚴格密封測試，在450mbаr額定壓力下開展氣象防爆測試，抽真空至1mbаr壓力下，充入氮氣至1300mbаr，檢查氣體微量分子，確保氣體泄漏符合要求，能夠在4.5m水下運行。

3 智能開關柜智能控制設計

3.1 溫度監控設計

海上平臺開關柜運行中，連續工作狀態可能受到不同原因影響，出現裝置老化、故障的問題，溫度達到一定高度，將會設備閃絡，造成設備損壞。為確保電力設備運行安全，提高供電質量，選用CC2530單片機，采集、處理和傳輸數據，利用溫度傳感器，采集模擬信號，通過振蕩電路，獲得頻率值，進而顯示出來，與PC機通信。

3.1.1 電源模塊

電源作為單片機工作基礎，為保證系統不間斷工作，將采集數據實時傳輸至上位機，直接從開關柜母線引線，確保開關柜有電，單片機即可連續工作，無需電池供電。該電源電路確定電壓是220V，需經過變壓器進行降壓后，調節電壓穩壓器，降低輸出電壓，使其降低為3.3V，滿足單片機運行要求。

3.1.2 溫度采集

在以往溫度監測中，多選擇“溫度-電壓”轉換模式，由A/D轉換器決定了溫度測量精度，如果轉換器產生故障，將難以獲得準確溫度數據。該系統選用熱敏電阻傳感器，溫度不斷提升下，電阻隨之減小，和NE555共同構成震蕩電路，使其在監測開關柜內部元器件溫度后，能夠轉變溫度喜好為脈沖信號，結合溫度變化，輸出不同頻率的脈沖信號。并利用微處理器，獲取脈沖信號后，將其還原至相應溫度值，通過串口輸出測量結果。

3.1.3 軟件設計

溫度監測軟件采取C語言編程，由主程序控制，啟動裝置，使得各參數程序開始初始化操作，根據編程信息，自動執行主程序，完成溫度采集，計算溫度信號，展示實時溫度信息，通過串口向PC端發送。單片機初始化進行配置，確定溫度采樣通道及輸出輸入串口引腳分別是PA6、PA9與PA10，控制波特率是9600，無校驗位。而在數據采集中，容易受到噪聲、電磁等多種因素影響，為消除干擾采取均值濾波進行處理，設置溫度1ms采集1次，每采集20次計算均值。

3.2 綜合監控設計

3.2.1 采集電壓電路

開關柜電壓220VAC，以單片機難以直接測量，需采取電壓變化，轉變大電壓為小電壓方能測量，可利用ZMPT101B互感器降壓。該電壓互感器是1：1輸入輸出互感器，和大電阻串聯，降低1次側電流，能夠采集毫安級電流，利用轉換電路，還原電流為電壓。由于電壓互感器輸入側電流較小，與空載運行相接近，具備良好線性關系，能夠提高采集精度。

3.2.2 采集電流電路

在低壓開關柜中，電流采集多使用電流互感器，轉換電流大小，確定電流數值，如果電流超限值，將會出現磁通與二次電流線性不增大情況，導致電流數值產生誤差，難以正常保護動作，加上磁通飽和將會引發鐵芯渦流過熱、過大，損壞電流互感器。為此，該開關柜采取無磁飽和分流器測量，優點在于無磁飽和現象、測量精度高、成本低。并且，為消除測量電流時溫度變化引發電阻變化，還需采集電流分流器溫度，選用紅外線溫度傳感器測量，測溫范圍是-20~1500℃，精度±2℃，能夠汲取單線通信線能量，消除外部電源限制。

3.2.3 開關量電路

該開關量電路中，考慮系統要求，選擇光電耦合器，型號TLP521，組合發光二極管與三極管，確定輸入回路是二極管，將電能向光能轉變；輸出回路為三極管，轉化光能為帶能能，整體回路實現了型號的“電-光-電”轉化，達到輸出輸入光電隔離效果。

3.3 監控組網設計

3.3.1 網絡拓撲結構

ZigBее可分為應用層、網絡層、訪問層與物理層。該協議標準定義3種網絡拓撲形式，包括網狀、簇狀、星狀。而無論哪種網絡拓撲結構，僅有1個協調器。其中，簇狀網絡分布范圍大，每個節點僅能與上下級節點通信，無法與其它節點通信；星狀網絡中，協調器擁有若干從設備，互相無法通信，僅能直接和網絡協調器通信；網狀結構能夠增強網絡可靠性，消除消息延遲。該系統中，采取網狀通信模式，每臺開關柜設置1臺路由器，其他節點為終端節點，將采集數據利用無線傳輸至開關柜路由器，由路由器向協調器發送，確保節點產生故障后，終端節點立即將數據發送出去，確保系統可靠安全。

3.3.2 網絡形成

組建ZigBее網絡中，主要流程如下：

（1）初始化網絡。ZigBее網絡在初始化中，由FFD發起，其擁有網絡協調性，未與網絡構建連接。

（2）網絡連接允許節點。路由器/協調器具備子節點，以某子節點為基本單元，連接路由器/協調器，要求網絡層根據接受指令及參數，規范連接時間。如果參數是0x00，確定MAC層進行FALSE設置。按照參數啟動定時器，進而允許設備連接。

（3）節點連接網絡。節點以請求連接方式進行網絡連接，任何設備接受連接命令，滿足條件時方能連接，即網絡地址空間有效、具備實際性能。通常1個終端節點不具備該能力，只有路由器/協調器方能接收請求命令。之后，節點通過父節點加入網絡，預先分配地址至子設備，開始流程后，網絡管理層確定網絡內是否有改地址，存在即可報告至上層；如果不存在，則為其分配地址，開始節點連接，保證完成系統通信工作，維護網絡運行。

4 結束語

綜上所述，在海上平臺建設中，電氣設施作為不可缺少的裝置，需安裝開關柜，以開關為主設計成套電路，為電氣設施運行提供保障。因此，智能低壓配電開關柜設計中，應當結合實際情況，從總體設計、核心硬件、全密封氣箱、智能控制設計這幾方面出發，引進計算機技術，提高開關柜集成效果的同時，實時采集開關狀態、電壓、電流等信息，促進電氣設施穩定運行。