低壓抽屜柜遠(yuǎn)程控制改造方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張琳 王振輝

(1.中海油深圳分公司恩平油田作業(yè)區(qū);2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518000)

恩平油田群自控系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目以實(shí)現(xiàn)海上生產(chǎn)設(shè)施在人員撤臺(tái)后（設(shè)施處于無人狀態(tài)）到臺(tái)風(fēng)關(guān)停前這段時(shí)間內(nèi)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)正常、安全生產(chǎn)為主要目標(biāo)。通過對(duì)現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行適當(dāng)改造，以達(dá)到在陸地實(shí)現(xiàn)對(duì)各類海上生產(chǎn)設(shè)施（平臺(tái)、FPSO）的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作和安全關(guān)斷[1]。項(xiàng)目改造過程中，按設(shè)計(jì)要求，需對(duì)大量的MCC低壓抽屜的手動(dòng)開關(guān)進(jìn)行替換，改造成電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。由于受制于老舊盤柜空間尺寸、拆除抽屜柜手操機(jī)構(gòu)后，無法保證分合閘操作和MCC抽屜位置信號(hào)（抽出、實(shí)驗(yàn)、連接）安全互鎖問題，易產(chǎn)生一次拉弧現(xiàn)象，不符合相關(guān)安全規(guī)范。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 低壓抽屜柜介紹

低壓抽屜柜的一次進(jìn)線是通過一次插件同外部連接的，電流進(jìn)來后經(jīng)過一次線到達(dá)塑殼斷路器，塑殼斷路器通過導(dǎo)線到達(dá)接觸器，接觸器出來后經(jīng)過CT到達(dá)輸出插件同外部連接。二次控制回路用于控制接觸器的斷開與吸合，ESD 回路用于緊急情況下的斷路器脫扣。

低壓抽屜柜的一次回路、二次回路均通過插針的方式與外部線路相連，抽屜柜有連接/實(shí)驗(yàn)/抽出三種位置模式。在連接位置狀態(tài)下抽屜柜一次插針、二次插針均與外部回路緊密相連；實(shí)驗(yàn)位置狀態(tài)下一次插針與外部回路脫離，二次插針與外部回路連接，可對(duì)抽屜柜進(jìn)行二次控制的測(cè)試實(shí)驗(yàn)；抽出位置狀態(tài)下一次插針、二次插針均與外部回路斷開，此時(shí)抽屜柜不帶電，可對(duì)其進(jìn)行檢維修操作[2]。

抽屜前面板的手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，既起到抽屜柜搖進(jìn)搖出的功能，也起到抽屜柜內(nèi)塑殼斷路器分合閘功能，且兩種功能機(jī)械互鎖，通過抽屜柜進(jìn)入整體框架的行程位置，避免抽屜柜在合閘狀態(tài)一次插針的虛接和拉弧現(xiàn)象[3]。設(shè)備情況如圖1所示。

圖1 低壓配電抽屜柜形式

1.2 改造方案分析

基于《低壓成套開關(guān)設(shè)備以及控制設(shè)備組件（IEC 61439.2-2011）》標(biāo)準(zhǔn)8.5.2.102 章節(jié)要求：在抽屜柜抽出前必須先分?jǐn)嘀骰芈贰Ｓ捎诔閷瞎裨O(shè)計(jì)采用機(jī)械連鎖裝置，在抽屜柜在連接位置時(shí)，斷路器才具備手動(dòng)操作的條件，該次改造拆除手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)之后，連鎖丟失，無法滿足標(biāo)準(zhǔn)安全要求[4]。

而該次改造配電系統(tǒng)改造的主體設(shè)計(jì)功能：即斷路器增加電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，斷路器在增加電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)后，必然就沒有了機(jī)械操作機(jī)構(gòu)，原操作機(jī)械手桿位置被電操機(jī)構(gòu)覆蓋。為解決此問題，對(duì)各種類型抽屜柜操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了重新三維設(shè)計(jì)，增加輔助觸點(diǎn)，將原機(jī)械連鎖改為電氣連鎖，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的選擇

目前，海上低壓抽屜柜主流的塑殼斷路器包括西門子、ABB、施耐德、AGE 品牌的各系列塑殼斷路器。各廠家也針對(duì)各系列的塑殼斷路器開發(fā)了相應(yīng)的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)[5]。電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)是用于遠(yuǎn)距離自動(dòng)分合閘斷路器的一種附件，分電動(dòng)機(jī)操作機(jī)構(gòu)、電磁鐵操作機(jī)構(gòu)兩種，分別適用于400 A及以上和225 A及以下斷路器，且吸合及轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，保證斷路器可靠閉合。電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的選擇可根據(jù)原塑殼斷路器的品牌型號(hào)進(jìn)行適配。

1.4 復(fù)合安全聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

海上平臺(tái)常用的MNS低壓抽屜柜，柜內(nèi)斷路器合閘手動(dòng)開關(guān)和抽屜搖進(jìn)搖出把手集成在一個(gè)旋鈕上，安裝電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)后務(wù)必需要廢除原操作手柄，設(shè)計(jì)一個(gè)新的操作連鎖機(jī)構(gòu)，即可滿足抽屜柜的正常搖進(jìn)搖出，還能夠滿足抽屜柜位置與斷路器狀態(tài)的連鎖。

抽屜柜操作機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抽屜柜手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)樣式

1.4.1 原操作機(jī)構(gòu)的3D測(cè)繪

操作機(jī)構(gòu)控制抽屜柜的插入行程，行程過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致插入之后無法鎖緊，行程過短會(huì)導(dǎo)致一次插針?biāo)碗姇r(shí)產(chǎn)生發(fā)電拉弧，設(shè)計(jì)上抽屜柜操作機(jī)構(gòu)的行程誤差必須保證在±2 mm 以內(nèi)。考慮到新開發(fā)安全連鎖機(jī)構(gòu)對(duì)原設(shè)備行程的嚴(yán)苛要求，研發(fā)小組采用業(yè)界先進(jìn)的逆向工程——3D 掃描技術(shù)對(duì)原操作機(jī)構(gòu)行程機(jī)構(gòu)進(jìn)行3D 掃描建模，用以確保設(shè)計(jì)裝置的可用性與安全性。

3D掃描儀通過三維激光反射技術(shù)，將激光線照射到操作行程機(jī)構(gòu)上，由于物體表面的曲率不同，光線照射到物體上會(huì)發(fā)生反射和折射，然后這些信息會(huì)被多個(gè)相機(jī)捕捉傳輸?shù)慕馕鲕浖?gòu)建成3D 圖像。通過光線繞著機(jī)構(gòu)不斷移動(dòng)，3D軟件通過多角度分析來立體構(gòu)建準(zhǔn)確的三維模型。目前主流的3D 掃描儀已經(jīng)可以達(dá)到0.1 mm 的分辨率，通過240 000 次/s 的掃描速度，10 s之內(nèi)即可構(gòu)建物體模型。

1.4.2 復(fù)合安全聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)的3D制作

在保持操作機(jī)構(gòu)行程不變的情況下，該次設(shè)計(jì)研發(fā)通過對(duì)抽屜在不同行程位置的行程狀態(tài)增加機(jī)械觸點(diǎn)，指示抽屜柜行程狀態(tài)。同時(shí)觸點(diǎn)引出電氣干觸點(diǎn)用于連鎖電氣回路。以下是復(fù)合安全連鎖機(jī)構(gòu)的3D設(shè)計(jì)圖紙，具體如圖3、圖4所示。

圖3 I型推進(jìn)機(jī)構(gòu)3D建模視圖

圖4 Ⅱ型推進(jìn)機(jī)構(gòu)3D建模視圖

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則主要有以下幾點(diǎn)：（1）推進(jìn)行程機(jī)構(gòu)尺寸與原機(jī)構(gòu)保持一致；（2）機(jī)械指示抽屜柜的行程狀態(tài)：連接/試驗(yàn)/分離；（3）所有行程狀態(tài)均有相應(yīng)的電氣觸點(diǎn)；（4）結(jié)構(gòu)可靠耐用。

該次項(xiàng)目的設(shè)備制造穩(wěn)定性和實(shí)效性，使用基于3D設(shè)計(jì)圖紙采用工業(yè)級(jí)3D金屬打印技術(shù)對(duì)零部件進(jìn)行加工[6]。該技術(shù)又稱為金屬激光造型復(fù)合加工，通過高功率激光照射金屬粉末，使零部件融化凝固，激光照射的沉積造型后，進(jìn)行高速切屑加工，最終部件成型。應(yīng)用此技術(shù)大大縮短了部件加工周期，且一次成型完整度好，適應(yīng)了項(xiàng)目的時(shí)限要求。

1.5 抽屜柜電氣連鎖回路設(shè)計(jì)

根據(jù)前期設(shè)計(jì)規(guī)劃電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)替代手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)之后，依然保留原有連鎖功能，將機(jī)械連鎖改為電氣連鎖：（1）推進(jìn)機(jī)構(gòu)的連接位置信號(hào)，常閉干觸點(diǎn)接入電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)合閘回路，在抽屜沒有到達(dá)連接位置時(shí)禁止合閘；（2）推進(jìn)機(jī)構(gòu)連接位置信號(hào)，常開觸點(diǎn)接入斷路器脫扣線圈，抽屜離開連接位置立即跳閘；（3）推進(jìn)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)位置接入實(shí)驗(yàn)回路，在實(shí)驗(yàn)位置可對(duì)斷路器進(jìn)行測(cè)試；改造設(shè)計(jì)電氣連鎖圖紙具體見圖5。

圖5 電動(dòng)操作低壓抽屜的電氣連鎖圖紙

1.6 抽屜柜遠(yuǎn)程控制改造現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

現(xiàn)場(chǎng)改造拆除原操作機(jī)構(gòu)、安裝復(fù)合安全聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)、塑殼斷路器安裝電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、增加電操機(jī)構(gòu)控制回路、增加電操機(jī)構(gòu)供電回路、電氣連鎖改造，改造完成之后使用效果良好，達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)，其具體情況見圖6、圖7。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)改造電氣接線

圖7 抽屜裝配前照片

2 總結(jié)

該文基于恩平油田群自控系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目電控改造工程，通過對(duì)恩平油田群各種品牌類型的低壓配電柜的遠(yuǎn)程控制改造應(yīng)用結(jié)果可知，目前低壓配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制改造可行性高。利用對(duì)低壓配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制改造可以有效支撐海油無人化技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)后續(xù)對(duì)電氣設(shè)備新增智能化監(jiān)測(cè)設(shè)備也可以更好地確保遠(yuǎn)程控制的安全性和設(shè)備的遠(yuǎn)程透明化管理，是后續(xù)的配電系統(tǒng)改造的發(fā)展方向。

3 展望

中海油有限公司的智能油氣田建設(shè)工作是推動(dòng)油氣田生產(chǎn)運(yùn)營從傳統(tǒng)模式向智能化轉(zhuǎn)型的重要舉措，對(duì)于有限公司應(yīng)對(duì)“低油價(jià)”挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

該次項(xiàng)目利用逆向工程思維，采用3D掃描、3D打印技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)改造關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，是電氣無人化改造項(xiàng)目中一次有效嘗試。

隨著電氣智能化技術(shù)的發(fā)展，后續(xù)會(huì)有更多的新技術(shù)投用，如何在新技術(shù)投用時(shí)保證原有設(shè)備的安全穩(wěn)定性，是后續(xù)項(xiàng)目執(zhí)行的重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)。逆向工程思維可作為工業(yè)場(chǎng)景下電氣改造的一種新思路，對(duì)其他項(xiàng)目也有一定的借鑒意義。