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國網(wǎng)固體柜標(biāo)準(zhǔn)化定制方案詳解:
固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜是隨著固體絕緣技術(shù)和絕緣材料的發(fā)展而誕生的產(chǎn)品,固體柜經(jīng)歷15年的發(fā)展已變成市場不可缺的一部分,固體柜目前產(chǎn)品市場主要以國網(wǎng)系統(tǒng)、南網(wǎng)系統(tǒng)和用戶工程為主,在石油、石化、鐵路等系統(tǒng)的用量逐步提高。從事研發(fā)和生產(chǎn)固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的企業(yè)也在市場的發(fā)展中進(jìn)行了洗牌,保存下了一批創(chuàng)新能力強(qiáng)、技術(shù)水平高、生產(chǎn)條件先進(jìn)及管理規(guī)范的企業(yè),使得產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性、環(huán)境適用性、便捷的運行與維護(hù)性得到了較大的提高,市場占有量也逐年在提升。
2019年國網(wǎng)公司1-9月份環(huán)網(wǎng)柜招標(biāo)統(tǒng)計,固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜占8%。
△不同型號環(huán)網(wǎng)箱需求數(shù)量
|現(xiàn)狀分析
固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜(固體柜)目前主要以12kV電壓等級產(chǎn)品為主,是國網(wǎng)固化的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,市場主要以國網(wǎng)系統(tǒng)、南網(wǎng)系統(tǒng)的招投標(biāo)平臺和用戶工程為主,在石油、石化、鐵路等系統(tǒng)的用量逐步提高。固體柜在兩大電網(wǎng)系統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)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(huán)網(wǎng)柜技術(shù)發(fā)展緩慢,技術(shù)及工藝創(chuàng)新有限,生產(chǎn)企業(yè)也在市場變化的同時進(jìn)行了洗牌,保存下了一批創(chuàng)新能力強(qiáng)、技術(shù)水平高、生產(chǎn)條件先進(jìn)及管理規(guī)范的企業(yè),使得產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性、環(huán)境適用性、便捷的運行與維護(hù)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(huán)網(wǎng)柜技術(shù)發(fā)展緩慢,技術(shù)及工藝創(chuàng)新有限,在國家電網(wǎng)公司層面主要進(jìn)行了以下工作:
1.固體柜國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化定制方案
標(biāo)準(zhǔn)化定制主要從典型結(jié)構(gòu)方案(斷路器、負(fù)荷開關(guān)、母線、PT)、一次設(shè)備接口、主母線擴(kuò)展方式、三工位隔離/接地開關(guān)的配置等做了詳細(xì)規(guī)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(huán)網(wǎng)柜一二次融合技術(shù)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(shè)備、線損模塊、開關(guān)分合閘提供正常工作電源。
后備電源要求:后備電源應(yīng)采用免維護(hù)閥控鉛酸蓄電池或超級電容;電池壽命不少于3年, 應(yīng)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(yīng)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(chuàng)新設(shè)計理念與工藝
1.為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一二次深度融合固體柜方案設(shè)計:
通過深度融合智能取電技術(shù)、電力信號及狀態(tài)傳感技術(shù),實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜自動化數(shù)據(jù)和狀態(tài)感知數(shù)據(jù)本地集成和融合,達(dá)到物理設(shè)備和信息系統(tǒng)的有機(jī)集成;這里面包含:固體環(huán)網(wǎng)柜本體部分、狀態(tài)感知部分和深度融合為一體部分。
設(shè)備本體部分:
智能電源的設(shè)計及設(shè)備取電方式的選擇
絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計與免維護(hù)結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計
插接式結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計
特性參數(shù)優(yōu)化設(shè)計等
A. 本體部分的電源設(shè)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(shè)備的要求,需尋求一種全新技術(shù)的電源配置及新型取電技術(shù),將它應(yīng)用到固體柜中。
B.狀態(tài)感知部分:
電氣量與狀態(tài)量的信號采集與處理系統(tǒng);
電氣量傳感器的應(yīng)用:電流、電壓、零序等;
狀態(tài)量傳感器的應(yīng)用:特性參數(shù)、分合閘、儲能等;
在線監(jiān)測傳感器的應(yīng)用:溫度、局放、分合閘線圈動作電流、電機(jī)工作電流、儲能簧參量等。
C.深度融合一體化設(shè)計部分:
怎樣將本體部分和狀態(tài)感知部分進(jìn)行深度的融合,實現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu),需要解決抗干擾問題、穩(wěn)定性問題、傳感器精度問題、絕緣問題等等。
2.綠色設(shè)計
材料設(shè)計;應(yīng)盡量減少所用材料的種類,優(yōu)先使用可回收、易分解、可循環(huán)利用、低污染的材料;
模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計;設(shè)計出一系列的功能模塊,通過模塊的插接構(gòu)成不同的產(chǎn)品,達(dá)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(shè)計;采用合理的新型加工方法,提高零配件的標(biāo)準(zhǔn)化程度,形成專業(yè)化生產(chǎn);
均衡的長壽命設(shè)計、可拆卸性和可回收性設(shè)計;
高電壓、大電流產(chǎn)品的絕緣材料配方研究及合理散熱結(jié)構(gòu)與絕緣結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計。
|發(fā)展趨勢
運行狀態(tài)的監(jiān)測、分析與診斷技術(shù)的應(yīng)用
1.適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展要求。
2.可以及早發(fā)現(xiàn)事故隱患,增加開關(guān)設(shè)備運行可靠性,并實現(xiàn)“狀態(tài)維修”。更重要的是能判斷其工作是否正常,給出壽命預(yù)測及失效率評估,及對其進(jìn)行最佳運行調(diào)控,這樣才能全面、有效地提高電網(wǎng)可靠性。
3.引入智能化意味著新的狀態(tài)監(jiān)測和診斷功能加入到傳統(tǒng)的控制監(jiān)測功能之中,這些功能的集成不僅使整個系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益提高,而且可以提高設(shè)備的可靠性。
3
主講人:郭宏
EPTC開關(guān)專委會固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜工作組專家成員、現(xiàn)任中海油研究總院電氣首席工程師,擔(dān)任全國石油和化工自動化協(xié)會專家委員會委員, 多次作為該協(xié)會優(yōu)秀論文評選專家為參評論文把關(guān),多次參加電氣專業(yè)及設(shè)備的技術(shù)交流并做主題發(fā)言。
演講主題
《固體絕緣開關(guān)柜在海上平臺的技術(shù)研究及應(yīng)用》
內(nèi)容亮點解讀
|發(fā)展現(xiàn)狀
目前,海洋油氣田項目10.5kV系統(tǒng)普遍采用傳統(tǒng)空氣絕緣氣體柜,占地面積較大,22kV以上基本采用進(jìn)口SF6氣體柜,不利于環(huán)境保護(hù),同時后期維護(hù)成本較大。隨著海洋油氣田建造規(guī)模不斷擴(kuò)大,電力系統(tǒng)也日趨龐大,同時未來海上平臺將逐步由從傳統(tǒng)管理模式向現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化跨越,利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型,建設(shè)“智慧海油”。
固體絕緣開關(guān)柜具有占地面積小、性價比高、絕緣、安全及防護(hù)等級高、綠色、環(huán)保,可用于高海拔、高潮濕環(huán)境等優(yōu)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(nèi)首套12kV移開式及35kV固體絕緣開關(guān)柜研制,其12kV開關(guān)柜已在海上平臺安全投運1年時間。
|面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
1.絕緣材料開發(fā):必須開發(fā)出完全超過已有環(huán)氧樹脂特性的高性能可降解的環(huán)氧樹脂,進(jìn)一步提高絕緣材料機(jī)械強(qiáng)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(xiàn)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(guān)柜電壓等級及適用范圍。
2.屏蔽及接地連續(xù)性技術(shù):國內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)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(biāo)較高;運行中絕緣件受環(huán)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(xiàn)泄露電流和表面放電現(xiàn)象,長時間運行會出現(xiàn)絕緣擊穿和發(fā)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(xiàn)人身傷亡事故。
3.關(guān)鍵部件設(shè)計:主要包括固封極柱、真空斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等部件固封絕緣設(shè)計,要充分利用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù),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(jī)械強(qiáng)度分析問題,掌握關(guān)鍵部件設(shè)計制造的核心技術(shù),才能使固體絕緣開關(guān)柜在更加環(huán)保、緊湊、安全、可靠。
|關(guān)鍵技術(shù)與框架設(shè)計
1. 12kV移開式固體絕緣開關(guān)柜
(1)基本參數(shù)
(2)手車式真空斷路器技術(shù):設(shè)計底盤車與斷路器機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計,省去二者之間連接的螺栓,取消二者之間的插接件,既節(jié)省了裝配時間,又減少了中間環(huán)節(jié),增加了機(jī)構(gòu)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(tài)密封,等級達(dá)到IP67,極大減小了外界環(huán)境對整體一次部件的影響。
真空滅弧室導(dǎo)電部件形狀優(yōu)化,外設(shè)高壓屏蔽網(wǎng),使電場均勻。應(yīng)用ANSYS熱電耦合分析,額定電流為1250A 的手車式斷路器穩(wěn)態(tài)溫度場仿真。
(3)一體式電流互感器技術(shù):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(xiàn)一體化設(shè)計,帶電部分用環(huán)氧樹脂澆筑,采用定制方案,并通過嚴(yán)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(biāo)滿足設(shè)計要求。
(4)直動式接地開關(guān)技術(shù):首次突破直動式接地開關(guān)技術(shù),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(nèi),絕緣筒外表面涂覆導(dǎo)電層,提高接地開關(guān)安全性。
(5)全絕緣活門機(jī)構(gòu)設(shè)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(tài)密封,保證手車在試驗、工作位置,柜內(nèi)一次導(dǎo)電部分的防護(hù)等級都能達(dá)到IP67。
(6)移開式固體絕緣開關(guān)柜典型方案設(shè)計:
2. 40.5kV固體絕緣開關(guān)柜
(1)基本參數(shù)
(2)柜體特點
四室設(shè)計:開關(guān)室(隔離開關(guān)、斷路器)、電纜室、低壓室、母線室。
機(jī)械及電氣聯(lián)鎖設(shè)計:防止帶負(fù)荷分合隔離開關(guān),防止誤入帶電間隔,防止一次帶電時合接地開關(guān),防止接地開關(guān)合閘時,合隔離開關(guān),防止誤分、誤合斷路器。
(3)一次回路設(shè)計
整柜絕緣模塊和一次導(dǎo)電部件采用立式設(shè)計,主要考慮整柜煙筒作用,可以明顯降低設(shè)備溫升;整柜有隔離+斷路器組成。
一次電流流動方式:
進(jìn)線柜:下部進(jìn)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(jìn)線電纜。
(4)真空斷路器技術(shù)
◆ 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(yīng)能力。
◆ 絕緣筒端口設(shè)置了絕緣密封套,防止爬電和保證筒內(nèi)清潔。
◆ 整柜所有絕緣模塊均采用圓柱型設(shè)計,隔離開關(guān)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(guān)本體是由五部分組成,各段間的聯(lián)接處加硅橡膠絕緣套。連接處的硅膠套壓縮量要嚴(yán)格控制。
◆下部絕緣筒端口設(shè)置了絕緣密封套,保證筒內(nèi)清潔。
◆隔離刀用銅管制作而成,通過導(dǎo)電桿的上下運動實現(xiàn)隔離開關(guān)的三個狀態(tài)。
◆作為下進(jìn)線柜時接地出線取消改為絕緣件。
|實際應(yīng)用
2017年3月31日,國內(nèi)首臺12kV移開式固體絕緣開關(guān)柜在文昌項目中心平臺主開關(guān)間成功上電測試,標(biāo)志著固體絕緣開關(guān)柜首次在海油工程項目中成功試用,為后續(xù)項目推廣提供了應(yīng)用基礎(chǔ)與實踐經(jīng)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(guān)柜在海洋石油領(lǐng)域發(fā)展,為油氣田開發(fā)提供新的開關(guān)柜解決方案。
|發(fā)展展望
相比現(xiàn)有傳統(tǒng)空氣絕緣開關(guān)柜,固體柜占地面積最大可節(jié)省40%,重量減輕30%,同時在安全可靠性、油氣田環(huán)境適用性等方面具有明顯優(yōu)勢,可節(jié)約配電室面積及開關(guān)柜重量,降低生產(chǎn)建設(shè)投資及維護(hù)成本,同時實現(xiàn)快速復(fù)產(chǎn)。固體絕緣開關(guān)柜系列產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
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