中压柜智能化改造系统在海上某平台的应用

中海石油（中国）有限公司湛江分公司 刘汉文

海上石油平台的开关柜主要有高压柜、中压柜、低压柜、小功率盘、防爆箱等，其中中压柜有10.5kV、6.3kV等电压等级，传统的中压柜由若干个功能单元组成，主要包括断路器、接触器、互感器、避雷器、母线、保护装置、多功能表、按钮开关、二次线等，这种成套开关设备实现接受电能和分配电能等功能。而对传统的中压柜进行智能化改造是在原开关柜内增设智能化元器件，利用通讯联网技术、精密算法、大数据分析等前沿技术，实现中压开关柜的健康状况的实时监测及远程的可视化控制操作等功能，实现从传统的中压柜升级到智能化中压柜的蜕变。通过中压柜智能化改造，平台电气人员能对中压柜的各关键元器件的运行状态进行实时在线监测，及时发现故障并进行针对性的预防措施，为平台持续供电和持续生产保驾护航。

海上平台传统中压柜的问题主要表现在如下几个方面：平台电气专业人员现场操作劳动强度偏大，设备及人员的危险系数偏高。平台电气专业人员人工定期巡视效率低，而中压柜的人工巡检的质量因人而异，难以发现中压柜运行过程中的故障与隐患，传统情况下都是采用一年或两年的定期巡检，普遍存在过检或失检等现象。而海上平台中压柜的传统的综合自动化系统缺乏对中压柜运行数据纵、横维度、历史数据等的分析。因此，急需对传统的中压柜进行智能化升级改造，改造的主要方向为：

将电气专业人员就地操作升级为远程可视化一键顺序控制操作，通过在智能化客户端上进行一键操作中压柜进行合闸：按分开接地刀——电动底盘车进入工作位置——合闸断路器——弹簧进行储能的顺序；通过在智能化客户端上进行一键操作分闸：按分闸断路器——电动底盘车进入试验位置——合上接地刀[1]。其分闸、合闸的全过程都可以在智能化客户端通过视频观看其设备的运行轨迹。该功能有效解决了电气专业人员就地操作劳动强度大，同时可以避免突发电气故障对电气专业人员的伤害，向少人化、无人化的无人值守方式进行转变。

开关柜的人工定期巡检升级为开关柜的状态在线监测，通过采集中压柜各重要元器件如断路器、接触器、互感器、避雷器、母线、保护装置、多功能表等实时运行状态信息，对中压柜各重要元器件的健康状态进行分析，并根据不同的分析结果进行等级划分及给出相应的健康评分，从而输出不同级别的报警信号，报警信息提供详细的故障描述及相应的处理建议或维修建议，为电气专业人员根据处理建议或维修建议对故障进行相应的处理，并保存历史维修记录。从而将中压柜的人工定期巡检升级为开关柜的状态在线监测，提高电气专业人员的工作效率和维修效率，减少不必要的维修，避免过检、失检现象的发生[2]。

传统的综自系统升级为智能供配电管控系统，通过智能供配电管控系统实现中压柜在线监测、大数据分析、故障预测及处理、全生命周期管理等功能[3]。智能供配电管控系统以智能化、无人化、安全性为根本出发点，利用信号化、智能化、大数据分析等相关技术，在原有的传统的综自系统基础上配置数据采用器并对采集的运行数据进行综合自动化管理和控制，并按平台的实际需求进行模型分析、提供分析结果，满足平台对供电可靠性和效率提升的需求。智能供配电管控系统采用的主要智能化技术包含：大数据分析、历史存储、数据库存储、人机交互、通讯、温度采集、模型分析、融合、实时在线监测、离线数据分析。智能供配电管控系统的主要智能化功能块包括：主要元器件健康管理功能块、专家分析管理功能块、电能质量管理功能块、电能量管理功能块、温度在线监测功能块、运动轨迹管理功能块、日常运维管理功能块、环境管理功能块。

1 系统介绍

中压柜的智能化系统的主要功能包括远程可视化一键顺序控制、开关柜状态在线监测，由电动底盘车、电动接地刀闸、一体化测温模块、可视化摄像头、红外位移传感器、霍尔传感器等组成，再通过智能采集模块将数据传输给智能化客户端及智能供配电管控系统进行算法诊断和数据分析、输出诊断和分析结果、保存历史数据[4]。

2 系统组成

中压柜的智能化改造系统主要设备包含：智能采集模块、电动接地刀闸、电动底盘车、可视化摄像头、红外位移传感器、霍尔传感器、一体化测温模块等。

各设备的主要功能如下：

（1）智能采集模块：智能采集模块是中压柜智能化改造的神经中枢，通过接入各类传感器如电动接地刀闸、电动底盘车、可视化摄像头、红外位移传感器、霍尔传感器、一体化测温模块完成对开关柜的机械特性分析、电气特性分析、温度特性进行分析，并将数据分析结果传输给智能供配电管控系统。

（2）电动接地刀闸：电动接地刀闸是实现远程可视化一键顺序控制接地刀分闸、合闸的关键元器件。

（3）电动底盘车：电动底盘车是实现远程可视化一键顺序控制底盘车分闸、合闸的关键元器件。

（4）可视化摄像头：通过可视化摄像头实现对中压柜柜内电动底盘车、电动接地刀闸的动作轨迹进行远程查看，配合实现远程一键顺序控制分闸、合闸的可视化。

（5）红外位移传感器：通过红外位移传感器实时监测断路器的机械特性如分闸速度与时间、分闸反弹、合闸速度与时间、合闸超程、合闸反弹、三相是否同期、触头开距等。

（6）霍尔传感器：通过霍尔传感器实时监测分合闸线圈、储能电机、电动底盘车电机、电动接地刀的电机电流和时间。

（7）一体化测温模块：实时监测断路器动静触头、铜排搭接处、铜排与电缆接头、铜排与电流互感器接头等易发热点的温度实时监测。

3 中压柜智能化改造的主要内容

中压柜的智能化改造主要包含如下3个部分：

3.1 二次室改造

拆除原有二次元器件及二次室门板，更换原有电流端子、电压端子、二次接线等保留原航插对上接线。安装二次元器件及新的门板、电流端子、电压端子、重新配线接线。

3.2 断路器室改造

航空插头增加备用插针8针，其中4针用于位移传感器，2针用于电动底盘车，另外2针备用。断路器室加装红外位移传感器及可视化摄像头。底盘车的改造需要将旧款底盘车拆卸，按照原有安装孔安装电动底盘车，更换时需要将断路器吊起后进行底盘车的更换，经过反复测试，做到与断路器一体化后才能进行电动操作及实验操作。

3.3 电缆室改造内容

电缆室需在柜底安装一体化测温模块，并在电缆室加装可视化摄像头。将原有接地刀拆除后安装电动接地刀。一体化测温模块主要包含断路器室6个动触头、母排室铜排搭接处及铜排接头配置无线测温传感器，全金属材质，频率433MHz，工作电源为无源、启动电流5A，温度测量精度±1℃，温度测量范围-25℃～+155℃，柜体内部有效通讯距离≥100m。电缆室的一体化测温模块具备红外热成像镜头、高清可见光镜头、补光灯及无线接收器天线。红外热成像镜头用于红外实时测温，分辨率160×120；高清可见光镜头用于实时视频监测及监视负载柜的地刀分合状态、超温报警与温升报警及异常情况下的自动抓拍，分辨率1920×1080。补光灯用于柜内昏暗及黑暗光线情况下的红外图像和高清可见光镜头的补光。无线接收器天线用做无线测温传感器的无线信号的接收，频率433MHz，其网络架构如图1所示。

图1 网络架构图Fig.1 Network architecture diagram

4 中压柜智能化系统的主要功能

通过中压柜智能化改造，实现中压柜的一、二次设备管理的智能化监视、管理和分析，实现如健康状态管理、远程控制的集中化可视化，实现可视化远程操作、综保多功能表等设备的数字化，实现全面掌控关键二次设备。

中压柜的实时状态监测包含中压柜的闭锁状态监测，如断路器实时监测如机械特性实时监测及健康状态监测；隔离室门板闭锁、活门闭锁、断路器手车闭锁、地刀的闭锁等；电动手车和电动地刀的电动驱动实时在线监测；温度在线监测如实时监测断路器动静触头、铜排搭接处、铜排与电缆接头、铜排与电流互感器接头等部位的运行温度。

断路器的实时状态监测与诊断，通过不影响控制回路的电压电流采量，通过霍尔传感器全面监测合闸线圈、分闸线圈和储能电机，监视其储能时间、储能电流、分闸线圈动作电流、合闸线圈动作电流，而其电流曲线反馈二次元器件的运行情况、也能反馈当前电机的健康状态，当电机的齿轮有磨损时，其储能电流曲线会有抖动现象，其储能时间也会变长，这些都会在软件里展示和提醒。

中压柜闭锁在线监测全面感知位置状态，包括断路器室的门闩、断路器室门、电缆室门、电缆事门、上下活门、手车闭锁、电动手车位置、电动地刀位置、电动地刀闭锁，通过位置传感器，实现关键位置的位置感应，通过闭锁逻辑实现联闭锁报警。

电动手车和电动地刀的电动驱动在线监测包括断路器电动手车和电动接地刀的实时状态监测。可以自主切换手车和接地刀闸的电动状态和手动状态，满足现场实际应用需求。同时监测手车和接地刀的电动机的运转电流和运行时间，预测其故障，实现状态检修，使电机的驱动系统始终处于健康状态。

中压柜长期经受电、热、机械应力的作用，以及海洋运行环境如高湿度、高盐雾、高腐蚀等的影响，极易引起老化、磨损甚至短路，从而发生故障，而大部分中压柜故障的征兆表现为异常高温，一体化测温模块实现动静触头、铜排搭接处、铜排与电缆接头、铜排与电流互感器接头等测温区域全覆盖，有效避免断路器动静触头、铜排搭接处、铜排与电缆接头、铜排与电流互感器接头等部位发热、异常高温、冒烟、火灾等情况发生，一体化测温系统全面覆盖中压柜的易发热元器件。

基于安全性、智能型的中压柜智能化改造，最大限度的保障设备安全和电气运行专业人员的安全，通过完善的五防连锁功能，确保所有的远程操作及就地人工操作都只能在断路器的各个门关闭之后才能进行，如断路器室的门打开后，其配套的金属活门可以预防电气运行专业人员防止误碰柜内带电体。配套的紧急分闸机构，确保二次电源失电情况下开门分闸断路器。通过中压柜的智能化改造，提升中压柜的长期稳定运行，防止中压柜出现绝缘故障，避免中压柜的事故发生。具备开合功能的电动手车和电动地刀，避免恶意操作时发生中压柜故障。

5 结语

该平台通过中压柜进行智能化改造，打破了原有的传统中压柜的信息孤岛、解放平台电气人员的人力，通过分类采集中压柜各关键设备的电气数据、温度数据、断路器机械特性数据、红外热成像数据、运动轨迹视频数据等，自动完成从数据采集到状态判断、状态分析、输出结果的全判断过程，实现对中压柜的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电度量等电参数进行监测以及对断路器的分合状态、故障信息进行监视、对断路器的分合状态进行控制，从而实现中压柜的智能化监视和管理，缩短了平台电气专业人员查找故障点的时间、提高了工作效率、实现定期检修升级到状态检修。

引用

[1]白明,张悦.智能变电站智能化中压开关柜应用研究与分析[J].电气传动自动化,2019,41(4):38-40.

[2]肖永,王少晖,白如冰.智能变电站中压开关柜智能化解决方案[J].电气应用,2013,32(24):74-76+84.

[3]李娟.中压开关柜的智能化方案分析[J].甘肃冶金,2020,42(3): 66-68.

[4]吴燕.基于嵌入式操作系统的智能开关柜操控装置[D].厦门:理工学院,2016.