海上平台智能低压配电开关柜集成设计与研究

张永佳 吴长虎 魏晓丰

（中海油能源发展装备技术有限公司）

0 引言

在科技发展下，人类活动范围向海洋延伸，为开采石油、海洋风力发电、海洋监测及潮汐能发电等建设需求，需要建设海上平台设施，安装相关设备，提供信号中继、近场控制等功能。而海上平台通常安装多种电气设施，将信号线缆与电缆等，从路堤铺设至海上平台，或是从母平台铺设至子平台。为满足平台运行电气设施要求，应集成设计智能低压配电开关柜，优化电力系统输配电，保护、控制与开合用电设备。

1 智能开关柜功能需求

海上平台开关柜设置中，考虑平台使用特殊性，要求开关柜不仅能够便捷吊装、整体安装，加上环境恶劣，对其稳定性、照明提出更高要求，现有开关柜难以满足要求［1］。具体功能如下：

（1）智能化。开关柜拥有遥信、遥控、遥测功能。遥信功能是实时采集开关柜运行阐述，提前预警开关柜故障，或是发生故障后报警；遥测是采集开关柜系统各参数，进行合理分析；遥控是利用计算机对断路器分合闸遥控记录［2］。

（2）小型化。相比传统开关柜，固体绝缘技术、气体绝缘技术发展，开关柜体积也随之减小，应当综合电子式电流互感器、电压互感器、接地开关、隔离开关等，持续缩小开关柜体积。

（3）免维护。开关柜与断路器生产厂商需研发免维护产品，实现一体化设计，设计全绝缘、全密封气箱。保证配电网可靠安全。

通过智能开关柜设计，准确测得线路数据情况，作出反应判断，保证开关柜稳定、安全地长期运行。

2 智能开关柜集成设计

2.1 总体设计

开关柜集成设计中，正面柜门机柜，顶部设置顶部平台，内腔设置中部平台，顶部平台后补安装铜排母线。上部隔离开关组件有倾斜底板，底板安装前排/后排绝缘子，且顶部均安装上部连接线，包括带有上部前托叉的第二转轴、带有后托叉的第一转轴，及中间绝缘子［3］。绝缘子上端铰接安装上部电桥，下端铰接后托叉。下部隔离开关组件包括支架下排/上排绝缘子，且在前端安装下部连接板，包括带有下部上托叉第三转轴、带有下托叉第四转轴，及下部中间绝缘子。绝缘子前端铰接下部电桥，后端铰接下部上托叉。

2.2 核心硬件

2.2.1 断路器

高压断路器能够断开与接通线路，确保出现故障后能够叙述断开故障设备，其工作性能对系统运行影响较大。为此，断路器需安装灭弧装置，拥有灭弧能力，确保面对海上恶劣环境也能断开，保证工作可靠性。以往使用真空断路器，能够多次操作、开断性能好、维护简单，内部却是弹簧操动机构，结构较为复杂，可靠性不高［4］。为此，开关柜设计中，采取永磁操动机构断路器，考虑开关柜分合闸限制，时间在10~15ms内，参数见表1。

表1 断路器技术参数

永磁真空断路器具有以下特点：

（1）简单可靠、免维护。以往断路器使用弹簧操动机构，传动机构复杂，分合闸需要机械锁扣，每次分合操作均受到机械冲击，容易引发机械故障。而永磁真空断路器简化操作机构，使用3个单线圈永磁机构，做到每相1个，且开关元件轴对称布置，开展直线线性运动，可靠性高。

（2）无合闸弹挑，机械寿命150000次，分闸时间13ms，开断次数300次，选择永磁断路器，寿命高、体积小，特殊形状纵磁场能够均匀分布触头表面电弧，提高真空灭弧室性能。制造工艺上，单片焊接金属波纹管，有效缩小波纹管体积，延长机械寿命。

（3）新型连锁机构，断路器与连锁机构互相独立，连锁轴处于未闭锁位置，轴上键槽垂直，如果真空断路器处于分闸位置，即可开展合闸操作。该联锁机构让系统分合操作不受联锁机构制约，提高了断路器及配套设备可靠性。

2.2.2 电源设计

在开关柜单元设计中，采取TV输出220VAC或低压220VAC供电。工作时电池浮充，分合闸操作不会对电池能量造成消耗［5］。7Ah电池分合闸能够达到200次以上。同时，断路器智能模块拥有独立合闸储能电容器与分闸储能电容器，失去电池电源与外接电源后，仍能开展1次分闸，减少故障影响，确保设备安全可靠。

2.3 全密封气箱

在海上平台中，开关柜集成设计需要做到全密封、全绝缘、可拓展，满足电气设施运行要求。

（1）免维护性。为保证低压开关柜带电运行中，不会频繁出现故障，外部箱体先用厚度在2.5mm以上的钢板，将其密封焊接。柜内开关轴轴承部分，使用密封环，保证整体气密性。而密封舱中，考虑其由硅橡胶与环氧树脂构成，选择高压熔丝进行密封，以硅橡胶将母线沐风，以电缆附件将电缆密封。通过此种方法，减少停电维护时间，使其在海上平台恶劣条件下也能安全稳定运行。

（2）易操作性。智能开关柜气箱与操作机构一体化，操作位置1.3m，适用于人体高度。该装置具备快分快合机构，任意模块均可安装电动操作，马达直接在操作机构室安装，无需改动柜体。而遥控继电器、自动装置、接线端子排等二次装置安装于控制箱内，操作性良好。

（3）可拓展性。开关柜预留一定扩展空间，可在630A母线电流范围内无线扩展，扩展处于柜体中部，便于安装。

（4）全密封性。海上平台开关柜密封性是保证其长时间运行的基础，开关轴利用气箱上部轴承连接操作机构，且通过开关刀片转动操作机构，轴承与套管使用特殊密封环，选用双层特殊密封结构［6］。充气工艺中，气箱出厂前在真空室内抽真空，冲入干燥纯净的氮气，且添加三氧化二铝，吸收气体微量水分，在切断开关带负荷后，复合气体分子。

气箱保证密封工艺后，真空室内开展严格密封测试，在450mbаr额定压力下开展气象防爆测试，抽真空至1mbаr压力下，充入氮气至1300mbаr，检查气体微量分子，确保气体泄漏符合要求，能够在4.5m水下运行。

3 智能开关柜智能控制设计

3.1 温度监控设计

海上平台开关柜运行中，连续工作状态可能受到不同原因影响，出现装置老化、故障的问题，温度达到一定高度，将会设备闪络，造成设备损坏。为确保电力设备运行安全，提高供电质量，选用CC2530单片机，采集、处理和传输数据，利用温度传感器，采集模拟信号，通过振荡电路，获得频率值，进而显示出来，与PC机通信。

3.1.1 电源模块

电源作为单片机工作基础，为保证系统不间断工作，将采集数据实时传输至上位机，直接从开关柜母线引线，确保开关柜有电，单片机即可连续工作，无需电池供电。该电源电路确定电压是220V，需经过变压器进行降压后，调节电压稳压器，降低输出电压，使其降低为3.3V，满足单片机运行要求。

3.1.2 温度采集

在以往温度监测中，多选择“温度-电压”转换模式，由A/D转换器决定了温度测量精度，如果转换器产生故障，将难以获得准确温度数据。该系统选用热敏电阻传感器，温度不断提升下，电阻随之减小，和NE555共同构成震荡电路，使其在监测开关柜内部元器件温度后，能够转变温度喜好为脉冲信号，结合温度变化，输出不同频率的脉冲信号。并利用微处理器，获取脉冲信号后，将其还原至相应温度值，通过串口输出测量结果。

3.1.3 软件设计

温度监测软件采取C语言编程，由主程序控制，启动装置，使得各参数程序开始初始化操作，根据编程信息，自动执行主程序，完成温度采集，计算温度信号，展示实时温度信息，通过串口向PC端发送。单片机初始化进行配置，确定温度采样通道及输出输入串口引脚分别是PA6、PA9与PA10，控制波特率是9600，无校验位。而在数据采集中，容易受到噪声、电磁等多种因素影响，为消除干扰采取均值滤波进行处理，设置温度1ms采集1次，每采集20次计算均值。

3.2 综合监控设计

3.2.1 采集电压电路

开关柜电压220VAC，以单片机难以直接测量，需采取电压变化，转变大电压为小电压方能测量，可利用ZMPT101B互感器降压。该电压互感器是1：1输入输出互感器，和大电阻串联，降低1次侧电流，能够采集毫安级电流，利用转换电路，还原电流为电压。由于电压互感器输入侧电流较小，与空载运行相接近，具备良好线性关系，能够提高采集精度。

3.2.2 采集电流电路

在低压开关柜中，电流采集多使用电流互感器，转换电流大小，确定电流数值，如果电流超限值，将会出现磁通与二次电流线性不增大情况，导致电流数值产生误差，难以正常保护动作，加上磁通饱和将会引发铁芯涡流过热、过大，损坏电流互感器。为此，该开关柜采取无磁饱和分流器测量，优点在于无磁饱和现象、测量精度高、成本低。并且，为消除测量电流时温度变化引发电阻变化，还需采集电流分流器温度，选用红外线温度传感器测量，测温范围是-20~1500℃，精度±2℃，能够汲取单线通信线能量，消除外部电源限制。

3.2.3 开关量电路

该开关量电路中，考虑系统要求，选择光电耦合器，型号TLP521，组合发光二极管与三极管，确定输入回路是二极管，将电能向光能转变；输出回路为三极管，转化光能为带能能，整体回路实现了型号的“电-光-电”转化，达到输出输入光电隔离效果。

3.3 监控组网设计

3.3.1 网络拓扑结构

ZigBее可分为应用层、网络层、访问层与物理层。该协议标准定义3种网络拓扑形式，包括网状、簇状、星状。而无论哪种网络拓扑结构，仅有1个协调器。其中，簇状网络分布范围大，每个节点仅能与上下级节点通信，无法与其它节点通信；星状网络中，协调器拥有若干从设备，互相无法通信，仅能直接和网络协调器通信；网状结构能够增强网络可靠性，消除消息延迟。该系统中，采取网状通信模式，每台开关柜设置1台路由器，其他节点为终端节点，将采集数据利用无线传输至开关柜路由器，由路由器向协调器发送，确保节点产生故障后，终端节点立即将数据发送出去，确保系统可靠安全。

3.3.2 网络形成

组建ZigBее网络中，主要流程如下：

（1）初始化网络。ZigBее网络在初始化中，由FFD发起，其拥有网络协调性，未与网络构建连接。

（2）网络连接允许节点。路由器/协调器具备子节点，以某子节点为基本单元，连接路由器/协调器，要求网络层根据接受指令及参数，规范连接时间。如果参数是0x00，确定MAC层进行FALSE设置。按照参数启动定时器，进而允许设备连接。

（3）节点连接网络。节点以请求连接方式进行网络连接，任何设备接受连接命令，满足条件时方能连接，即网络地址空间有效、具备实际性能。通常1个终端节点不具备该能力，只有路由器/协调器方能接收请求命令。之后，节点通过父节点加入网络，预先分配地址至子设备，开始流程后，网络管理层确定网络内是否有改地址，存在即可报告至上层；如果不存在，则为其分配地址，开始节点连接，保证完成系统通信工作，维护网络运行。

4 结束语

综上所述，在海上平台建设中，电气设施作为不可缺少的装置，需安装开关柜，以开关为主设计成套电路，为电气设施运行提供保障。因此，智能低压配电开关柜设计中，应当结合实际情况，从总体设计、核心硬件、全密封气箱、智能控制设计这几方面出发，引进计算机技术，提高开关柜集成效果的同时，实时采集开关状态、电压、电流等信息，促进电气设施稳定运行。