張永佳 吳長虎 魏曉豐

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司）

0 引言

在科技發(fā)展下，人類活動(dòng)范圍向海洋延伸，為開采石油、海洋風(fēng)力發(fā)電、海洋監(jiān)測及潮汐能發(fā)電等建設(shè)需求，需要建設(shè)海上平臺(tái)設(shè)施，安裝相關(guān)設(shè)備，提供信號(hào)中繼、近場控制等功能。而海上平臺(tái)通常安裝多種電氣設(shè)施，將信號(hào)線纜與電纜等，從路堤鋪設(shè)至海上平臺(tái)，或是從母平臺(tái)鋪設(shè)至子平臺(tái)。為滿足平臺(tái)運(yùn)行電氣設(shè)施要求，應(yīng)集成設(shè)計(jì)智能低壓配電開關(guān)柜，優(yōu)化電力系統(tǒng)輸配電，保護(hù)、控制與開合用電設(shè)備。

1 智能開關(guān)柜功能需求

海上平臺(tái)開關(guān)柜設(shè)置中，考慮平臺(tái)使用特殊性，要求開關(guān)柜不僅能夠便捷吊裝、整體安裝，加上環(huán)境惡劣，對(duì)其穩(wěn)定性、照明提出更高要求，現(xiàn)有開關(guān)柜難以滿足要求［1］。具體功能如下：

（1）智能化。開關(guān)柜擁有遙信、遙控、遙測功能。遙信功能是實(shí)時(shí)采集開關(guān)柜運(yùn)行闡述，提前預(yù)警開關(guān)柜故障，或是發(fā)生故障后報(bào)警；遙測是采集開關(guān)柜系統(tǒng)各參數(shù)，進(jìn)行合理分析；遙控是利用計(jì)算機(jī)對(duì)斷路器分合閘遙控記錄［2］。

（2）小型化。相比傳統(tǒng)開關(guān)柜，固體絕緣技術(shù)、氣體絕緣技術(shù)發(fā)展，開關(guān)柜體積也隨之減小，應(yīng)當(dāng)綜合電子式電流互感器、電壓互感器、接地開關(guān)、隔離開關(guān)等，持續(xù)縮小開關(guān)柜體積。

（3）免維護(hù)。開關(guān)柜與斷路器生產(chǎn)廠商需研發(fā)免維護(hù)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)全絕緣、全密封氣箱。保證配電網(wǎng)可靠安全。

通過智能開關(guān)柜設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確測得線路數(shù)據(jù)情況，作出反應(yīng)判斷，保證開關(guān)柜穩(wěn)定、安全地長期運(yùn)行。

2 智能開關(guān)柜集成設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

開關(guān)柜集成設(shè)計(jì)中，正面柜門機(jī)柜，頂部設(shè)置頂部平臺(tái)，內(nèi)腔設(shè)置中部平臺(tái)，頂部平臺(tái)后補(bǔ)安裝銅排母線。上部隔離開關(guān)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(zhuǎn)軸、帶有后托叉的第一轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)軸、帶有下托叉第四轉(zhuǎn)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(xiàn)故障后能夠敘述斷開故障設(shè)備，其工作性能對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(duì)海上惡劣環(huán)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(hù)簡單，內(nèi)部卻是彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可靠性不高［4］。為此，開關(guān)柜設(shè)計(jì)中，采取永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器，考慮開關(guān)柜分合閘限制，時(shí)間在10~15ms內(nèi)，參數(shù)見表1。

表1 斷路器技術(shù)參數(shù)

永磁真空斷路器具有以下特點(diǎn)：

（1）簡單可靠、免維護(hù)。以往斷路器使用彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，分合閘需要機(jī)械鎖扣，每次分合操作均受到機(jī)械沖擊，容易引發(fā)機(jī)械故障。而永磁真空斷路器簡化操作機(jī)構(gòu)，使用3個(gè)單線圈永磁機(jī)構(gòu)，做到每相1個(gè)，且開關(guān)元件軸對(duì)稱布置，開展直線線性運(yùn)動(dòng)，可靠性高。

（2）無合閘彈挑，機(jī)械壽命150000次，分閘時(shí)間13ms，開斷次數(shù)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(jī)械壽命。

（3）新型連鎖機(jī)構(gòu)，斷路器與連鎖機(jī)構(gòu)互相獨(dú)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(lián)鎖機(jī)構(gòu)讓系統(tǒng)分合操作不受聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)制約，提高了斷路器及配套設(shè)備可靠性。

2.2.2 電源設(shè)計(jì)

在開關(guān)柜單元設(shè)計(jì)中，采取TV輸出220VAC或低壓220VAC供電。工作時(shí)電池浮充，分合閘操作不會(huì)對(duì)電池能量造成消耗［5］。7Ah電池分合閘能夠達(dá)到200次以上。同時(shí)，斷路器智能模塊擁有獨(dú)立合閘儲(chǔ)能電容器與分閘儲(chǔ)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(shè)備安全可靠。

2.3 全密封氣箱

在海上平臺(tái)中，開關(guān)柜集成設(shè)計(jì)需要做到全密封、全絕緣、可拓展，滿足電氣設(shè)施運(yùn)行要求。

（1）免維護(hù)性。為保證低壓開關(guān)柜帶電運(yùn)行中，不會(huì)頻繁出現(xiàn)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(nèi)開關(guān)軸軸承部分，使用密封環(huán)，保證整體氣密性。而密封艙中，考慮其由硅橡膠與環(huán)氧樹脂構(gòu)成，選擇高壓熔絲進(jìn)行密封，以硅橡膠將母線沐風(fēng)，以電纜附件將電纜密封。通過此種方法，減少停電維護(hù)時(shí)間，使其在海上平臺(tái)惡劣條件下也能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）易操作性。智能開關(guān)柜氣箱與操作機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)，任意模塊均可安裝電動(dòng)操作，馬達(dá)直接在操作機(jī)構(gòu)室安裝，無需改動(dòng)柜體。而遙控繼電器、自動(dòng)裝置、接線端子排等二次裝置安裝于控制箱內(nèi)，操作性良好。

（3）可拓展性。開關(guān)柜預(yù)留一定擴(kuò)展空間，可在630A母線電流范圍內(nèi)無線擴(kuò)展，擴(kuò)展處于柜體中部，便于安裝。

（4）全密封性。海上平臺(tái)開關(guān)柜密封性是保證其長時(shí)間運(yùn)行的基礎(chǔ)，開關(guān)軸利用氣箱上部軸承連接操作機(jī)構(gòu)，且通過開關(guān)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，軸承與套管使用特殊密封環(huán)，選用雙層特殊密封結(jié)構(gòu)［6］。充氣工藝中，氣箱出廠前在真空室內(nèi)抽真空，沖入干燥純凈的氮?dú)?，且添加三氧化二鋁，吸收氣體微量水分，在切斷開關(guān)帶負(fù)荷后，復(fù)合氣體分子。

氣箱保證密封工藝后，真空室內(nèi)開展嚴(yán)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?dú)庵?300mbаr，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(yùn)行。

3 智能開關(guān)柜智能控制設(shè)計(jì)

3.1 溫度監(jiān)控設(shè)計(jì)

海上平臺(tái)開關(guān)柜運(yùn)行中，連續(xù)工作狀態(tài)可能受到不同原因影響，出現(xiàn)裝置老化、故障的問題，溫度達(dá)到一定高度，將會(huì)設(shè)備閃絡(luò)，造成設(shè)備損壞。為確保電力設(shè)備運(yùn)行安全，提高供電質(zhì)量，選用CC2530單片機(jī)，采集、處理和傳輸數(shù)據(jù)，利用溫度傳感器，采集模擬信號(hào)，通過振蕩電路，獲得頻率值，進(jìn)而顯示出來，與PC機(jī)通信。

3.1.1 電源模塊

電源作為單片機(jī)工作基礎(chǔ)，為保證系統(tǒng)不間斷工作，將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)，直接從開關(guān)柜母線引線，確保開關(guān)柜有電，單片機(jī)即可連續(xù)工作，無需電池供電。該電源電路確定電壓是220V，需經(jīng)過變壓器進(jìn)行降壓后，調(diào)節(jié)電壓穩(wěn)壓器，降低輸出電壓，使其降低為3.3V，滿足單片機(jī)運(yùn)行要求。

3.1.2 溫度采集

在以往溫度監(jiān)測中，多選擇“溫度-電壓”轉(zhuǎn)換模式，由A/D轉(zhuǎn)換器決定了溫度測量精度，如果轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生故障，將難以獲得準(zhǔn)確溫度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)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(gòu)成震蕩電路，使其在監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)部元器件溫度后，能夠轉(zhuǎn)變溫度喜好為脈沖信號(hào)，結(jié)合溫度變化，輸出不同頻率的脈沖信號(hào)。并利用微處理器，獲取脈沖信號(hào)后，將其還原至相應(yīng)溫度值，通過串口輸出測量結(jié)果。

3.1.3 軟件設(shè)計(jì)

溫度監(jiān)測軟件采取C語言編程，由主程序控制，啟動(dòng)裝置，使得各參數(shù)程序開始初始化操作，根據(jù)編程信息，自動(dòng)執(zhí)行主程序，完成溫度采集，計(jì)算溫度信號(hào)，展示實(shí)時(shí)溫度信息，通過串口向PC端發(fā)送。單片機(jī)初始化進(jìn)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(yàn)位。而在數(shù)據(jù)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(jìn)行處理，設(shè)置溫度1ms采集1次，每采集20次計(jì)算均值。

3.2 綜合監(jiān)控設(shè)計(jì)

3.2.1 采集電壓電路

開關(guān)柜電壓220VAC，以單片機(jī)難以直接測量，需采取電壓變化，轉(zhuǎn)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(lián)，降低1次側(cè)電流，能夠采集毫安級(jí)電流，利用轉(zhuǎn)換電路，還原電流為電壓。由于電壓互感器輸入側(cè)電流較小，與空載運(yùn)行相接近，具備良好線性關(guān)系，能夠提高采集精度。

3.2.2 采集電流電路

在低壓開關(guān)柜中，電流采集多使用電流互感器，轉(zhuǎn)換電流大小，確定電流數(shù)值，如果電流超限值，將會(huì)出現(xiàn)磁通與二次電流線性不增大情況，導(dǎo)致電流數(shù)值產(chǎn)生誤差，難以正常保護(hù)動(dòng)作，加上磁通飽和將會(huì)引發(fā)鐵芯渦流過熱、過大，損壞電流互感器。為此，該開關(guān)柜采取無磁飽和分流器測量，優(yōu)點(diǎn)在于無磁飽和現(xiàn)象、測量精度高、成本低。并且，為消除測量電流時(shí)溫度變化引發(fā)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(guān)量電路

該開關(guān)量電路中，考慮系統(tǒng)要求，選擇光電耦合器，型號(hào)TLP521，組合發(fā)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(zhuǎn)變；輸出回路為三極管，轉(zhuǎn)化光能為帶能能，整體回路實(shí)現(xiàn)了型號(hào)的“電-光-電”轉(zhuǎn)化，達(dá)到輸出輸入光電隔離效果。

3.3 監(jiān)控組網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBее可分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、訪問層與物理層。該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，包括網(wǎng)狀、簇狀、星狀。而無論哪種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅有1個(gè)協(xié)調(diào)器。其中，簇狀網(wǎng)絡(luò)分布范圍大，每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅能與上下級(jí)節(jié)點(diǎn)通信，無法與其它節(jié)點(diǎn)通信；星狀網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器擁有若干從設(shè)備，互相無法通信，僅能直接和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性，消除消息延遲。該系統(tǒng)中，采取網(wǎng)狀通信模式，每臺(tái)開關(guān)柜設(shè)置1臺(tái)路由器，其他節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn)，將采集數(shù)據(jù)利用無線傳輸至開關(guān)柜路由器，由路由器向協(xié)調(diào)器發(fā)送，確保節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生故障后，終端節(jié)點(diǎn)立即將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，確保系統(tǒng)可靠安全。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)形成

組建ZigBее網(wǎng)絡(luò)中，主要流程如下：

（1）初始化網(wǎng)絡(luò)。ZigBее網(wǎng)絡(luò)在初始化中，由FFD發(fā)起，其擁有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)性，未與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建連接。

（2）網(wǎng)絡(luò)連接允許節(jié)點(diǎn)。路由器/協(xié)調(diào)器具備子節(jié)點(diǎn)，以某子節(jié)點(diǎn)為基本單元，連接路由器/協(xié)調(diào)器，要求網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)接受指令及參數(shù)，規(guī)范連接時(shí)間。如果參數(shù)是0x00，確定MAC層進(jìn)行FALSE設(shè)置。按照參數(shù)啟動(dòng)定時(shí)器，進(jìn)而允許設(shè)備連接。

（3）節(jié)點(diǎn)連接網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)以請求連接方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，任何設(shè)備接受連接命令，滿足條件時(shí)方能連接，即網(wǎng)絡(luò)地址空間有效、具備實(shí)際性能。通常1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)不具備該能力，只有路由器/協(xié)調(diào)器方能接收請求命令。之后，節(jié)點(diǎn)通過父節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，預(yù)先分配地址至子設(shè)備，開始流程后，網(wǎng)絡(luò)管理層確定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)是否有改地址，存在即可報(bào)告至上層；如果不存在，則為其分配地址，開始節(jié)點(diǎn)連接，保證完成系統(tǒng)通信工作，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

綜上所述，在海上平臺(tái)建設(shè)中，電氣設(shè)施作為不可缺少的裝置，需安裝開關(guān)柜，以開關(guān)為主設(shè)計(jì)成套電路，為電氣設(shè)施運(yùn)行提供保障。因此，智能低壓配電開關(guān)柜設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況，從總體設(shè)計(jì)、核心硬件、全密封氣箱、智能控制設(shè)計(jì)這幾方面出發(fā)，引進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，提高開關(guān)柜集成效果的同時(shí)，實(shí)時(shí)采集開關(guān)狀態(tài)、電壓、電流等信息，促進(jìn)電氣設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行。