固体柜国网标准化定制方案详解

△不同型号环网箱需求数量

|现状分析
固体绝缘环网柜（固体柜）目前主要以12kV电压等级产品为主，是国网固化的标准化产品，市场主要以国网系统、南网系统的招投标平台和用户工程为主，在石油、石化、铁路等系统的用量逐步提高。固体柜在两大电网系统的环网柜中占有量大约在10%-15%之间，每年全国的需求量约在4万单元左右。

近几年来固体环网柜技术发展缓慢，技术及工艺创新有限，生产企业也在市场变化的同时进行了洗牌，保存下了一批创新能力强、技术水平高、生产条件先进及管理规范的企业，使得产品质量的可靠性、环境适用性、便捷的运行与维护性得到了较大的提高，市场占有量也逐年在提升。

近几年固体绝缘环网柜技术发展缓慢，技术及工艺创新有限，在国家电网公司层面主要进行了以下工作：

1.固体柜国网标准化定制方案

标准化定制主要从典型结构方案（断路器、负荷开关、母线、PT）、一次设备接口、主母线扩展方式、三工位隔离/接地开关的配置等做了详细规定，同时对外露绝缘件接地方式、出线电缆的固定等做作了要求。

2.环网柜一二次融合技术方案

电流互感器配置：每间隔3只，600A/1A；零序电流互感器配置：每间隔1只，20A/1A。

电压互感器配置：三相五柱式电磁式1台，满足 供电、相、零序电压信号的采集。

电源输出要求：工作电源满足同时为终端核心单元、通信设备、线损模块、开关分合闸提供正常工作电源。

后备电源要求：后备电源应采用免维护阀控铅酸蓄电池或超级电容；电池寿命不少于3年， 应保证完成分-合-分操作并维持配电终端及通信模块至少运行4小时；超级电容寿命不少于6年；应保证分闸操作并维持配电终端及通信模块至少运行15分钟。

|创新设计理念与工艺

1.为适应物联网技术的一二次深度融合固体柜方案设计：

通过深度融合智能取电技术、电力信号及状态传感技术，实现环网柜自动化数据和状态感知数据本地集成和融合，达到物理设备和信息系统的有机集成；这里面包含：固体环网柜本体部分、状态感知部分和深度融合为一体部分。

设备本体部分：

智能电源的设计及设备取电方式的选择

绝缘结构设计与免维护结构工艺设计

插接式结构工艺设计

特性参数优化设计等

A. 本体部分的电源设计：

上述几种取电方式的配置都是目前使用的电源配置，满足不了智能配电设备的要求，需寻求一种全新技术的电源配置及新型取电技术，将它应用到固体柜中。

B.状态感知部分：

电气量与状态量的信号采集与处理系统；

电气量传感器的应用：电流、电压、零序等；

状态量传感器的应用：特性参数、分合闸、储能等；

在线监测传感器的应用：温度、局放、分合闸线圈动作电流、电机工作电流、储能簧参量等。

C.深度融合一体化设计部分：

怎样将本体部分和状态感知部分进行深度的融合，实现一体化结构，需要解决抗干扰问题、稳定性问题、传感器精度问题、绝缘问题等等。

2.绿色设计

材料设计；应尽量减少所用材料的种类，优先使用可回收、易分解、可循环利用、低污染的材料；

模块化、标准化设计；设计出一系列的功能模块，通过模块的插接构成不同的产品，达到快速高效以满足市场的不同需要；

面向制造和装配的工艺设计；采用合理的新型加工方法，提高零配件的标准化程度，形成专业化生产；

均衡的长寿命设计、可拆卸性和可回收性设计；

高电压、大电流产品的绝缘材料配方研究及合理散热结构与绝缘结构的工艺设计。

|发展趋势

运行状态的监测、分析与诊断技术的应用

1.适应智能电网的发展要求。

2.可以及早发现事故隐患，增加开关设备运行可靠性，并实现“状态维修”。更重要的是能判断其工作是否正常，给出寿命预测及失效率评估，及对其进行最佳运行调控，这样才能全面、有效地提高电网可靠性。

3.引入智能化意味着新的状态监测和诊断功能加入到传统的控制监测功能之中，这些功能的集成不仅使整个系统经济效益提高，而且可以提高设备的可靠性。

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主讲人：郭宏

EPTC开关专委会固体绝缘环网柜工作组专家成员、现任中海油研究总院电气首席工程师,担任全国石油和化工自动化协会专家委员会委员, 多次作为该协会优秀论文评选专家为参评论文把关，多次参加电气专业及设备的技术交流并做主题发言。

演讲主题

《固体绝缘开关柜在海上平台的技术研究及应用》

内容亮点解读

|发展现状

目前，海洋油气田项目10.5kV系统普遍采用传统空气绝缘气体柜，占地面积较大，22kV以上基本采用进口SF6气体柜，不利于环境保护，同时后期维护成本较大。随着海洋油气田建造规模不断扩大，电力系统也日趋庞大，同时未来海上平台将逐步由从传统管理模式向现代化、数字化、智能化跨越，利用“互联网+”技术推动产业转型，建设“智慧海油”。

固体绝缘开关柜具有占地面积小、性价比高、绝缘、安全及防护等级高、绿色、环保，可用于高海拔、高潮湿环境等优势。2016-2018年，中海油研究总院、北京双杰、海油工程共同完成了国内首套12kV移开式及35kV固体绝缘开关柜研制，其12kV开关柜已在海上平台安全投运1年时间。

|面临的技术挑战

1.绝缘材料开发：必须开发出完全超过已有环氧树脂特性的高性能可降解的环氧树脂，进一步提高绝缘材料机械强度及绝缘性能，具备耐热性、韧性、流动性高，线性膨胀率低等特点，实现直接浇注陶瓷真空灭弧室，也不会开裂的浇注件，提升固体绝缘开关柜电压等级及适用范围。

2.屏蔽及接地连续性技术：国内现有产品中很大一部分绝缘件表面均未做屏蔽与金属化处理，局放指标较高；运行中绝缘件受环境空气中灰尘和潮气侵入，绝缘件表面的电场受到破坏，出现泄露电流和表面放电现象，长时间运行会出现绝缘击穿和发生相间短路故障。同时，因表面未可靠接地在人触摸时会出现人身伤亡事故。

3.关键部件设计：主要包括固封极柱、真空断路器、隔离开关、接地开关等部件固封绝缘设计，要充分利用计算机辅助设计技术，如三维建模、有限元分析等，解决人工无法解决的一系列电场、温度场、机械强度分析问题，掌握关键部件设计制造的核心技术，才能使固体绝缘开关柜在更加环保、紧凑、安全、可靠。

|关键技术与框架设计

1. 12kV移开式固体绝缘开关柜

（1）基本参数

（2）手车式真空断路器技术：设计底盘车与断路器机构一体化设计，省去二者之间连接的螺栓，取消二者之间的插接件，既节省了装配时间，又减少了中间环节，增加了机构的可靠性、安全性。手车触臂外面与活门之间在试验、工作位置与柜体有动态密封，等级达到IP67，极大减小了外界环境对整体一次部件的影响。

真空灭弧室导电部件形状优化，外设高压屏蔽网，使电场均匀。应用ANSYS热电耦合分析，额定电流为1250A 的手车式断路器稳态温度场仿真。

（3）一体式电流互感器技术：为保证一次带电部件的全密封，电流互感器需要和断路器、触头实现一体化设计，带电部分用环氧树脂浇筑，采用定制方案，并通过严格的出厂检验，包括触头盒尺寸检验、互感器尺寸检验、绝缘缺陷X射线检测、直流电阻测量、伏安特性试验等，各项指标满足设计要求。

（4）直动式接地开关技术：首次突破直动式接地开关技术，采用分相绝缘，降低相间短路的概率；一次带电部分密封在绝缘筒内，绝缘筒外表面涂覆导电层，提高接地开关安全性。

（5）全绝缘活门机构设计：材料采用阻燃聚碳酸酯，绝缘性能更加 ，同时利用绝缘触臂与活门组成地动态密封，保证手车在试验、工作位置，柜内一次导电部分的防护等级都能达到IP67。

（6）移开式固体绝缘开关柜典型方案设计：

2. 40.5kV固体绝缘开关柜

（1）基本参数

（2）柜体特点

四室设计：开关室（隔离开关、断路器）、电缆室、低压室、母线室。

机械及电气联锁设计：防止带负荷分合隔离开关，防止误入带电间隔，防止一次带电时合接地开关，防止接地开关合闸时，合隔离开关，防止误分、误合断路器。

（3）一次回路设计

整柜绝缘模块和一次导电部件采用立式设计，主要考虑整柜烟筒作用，可以明显降低设备温升；整柜有隔离+断路器组成。

一次电流流动方式：

进线柜：下部进线电缆断路器隔离顶部母线。

出线柜：顶部母线断路器隔离下部进线电缆。

（4）真空断路器技术

◆ 动触头连接改为软连接：

有利于提高合、分闸速度；

对绝缘拉杆的同轴度要求降低，降低了制作难度；

软连接对大电流柜具有更好的适应能力。

◆ 绝缘筒端口设置了绝缘密封套，防止爬电和保证筒内清洁。

◆ 整柜所有绝缘模块均采用圆柱型设计，隔离开关采用了直动式方案，直动式隔离方案可以做到电场均匀分布。

◆隔离接地开关本体是由五部分组成，各段间的联接处加硅橡胶绝缘套。连接处的硅胶套压缩量要严格控制。

◆下部绝缘筒端口设置了绝缘密封套，保证筒内清洁。

◆隔离刀用铜管制作而成，通过导电杆的上下运动实现隔离开关的三个状态。

◆作为下进线柜时接地出线取消改为绝缘件。

|实际应用

2017年3月31日，国内首台12kV移开式固体绝缘开关柜在文昌项目中心平台主开关间成功上电测试，标志着固体绝缘开关柜首次在海油工程项目中成功试用，为后续项目推广提供了应用基础与实践经验。本次成功试用具有及其重要的意义，将直接推动固体绝缘开关柜在海洋石油领域发展，为油气田开发提供新的开关柜解决方案。

|发展展望

相比现有传统空气绝缘开关柜，固体柜占地面积最大可节省40%，重量减轻30%，同时在安全可靠性、油气田环境适用性等方面具有明显优势，可节约配电室面积及开关柜重量，降低生产建设投资及维护成本，同时实现快速复产。固体绝缘开关柜系列产品主要技术指标达到国际领先水平。