低壓抽屜柜遠程控制改造方案的設計與應用

張 琳，王振輝

(1.中海油深圳分公司恩平油田作業區，廣東 深圳 518000； 2.中海油能源發展裝備技術有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

恩平油田群自控系統建設項目以實現海上生產設施在人員撤臺后(設施處于無人狀態)到臺風關停前這段時間內，通過遠程監控實現正常、安全生產為主要目標，通過對現有設施進行適當改造，實現在陸地對各類海上生產設施(平臺、FPSO)的遠程監控，實現實時監控、遠程操作和安全關斷。

項目建設過程中，按設計要求，須對大量的MCC低壓抽屜的手動開關進行替換，改造成電動操作機構。由于受制于老舊盤柜空間尺寸，拆除抽屜柜手操機構后，無法保證分合閘操作和MCC抽屜位置信號(抽出、實驗、連接)安全互鎖問題，容易產生一次拉弧現象，不符合相關安全規范。

1 方案設計

1.1 低壓抽屜柜介紹

低壓抽屜柜的一次進線是通過一次插件同外部連接的，電流進來后經過一次線到達塑殼斷路器，塑殼斷路器通過導線到達接觸器，接觸器出來后經過CT到達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、實驗、抽出3種位置模式。在連接位置狀態下，抽屜柜一次插針、二次插針均與外部回路緊密相連；實驗位置狀態下，一次插針與外部回路脫離，二次插針與外部回路連接，可對抽屜柜進行二次控制的測試實驗；抽出位置狀態下，一次插針、二次插針均與外部回路斷開，此時抽屜柜不帶電，可對其進行檢修和維修。

抽屜前面板的手動操作機構既起到抽屜柜搖進搖出的功能，也起到抽屜柜內塑殼斷路器分合閘功能，且2種功能機械互鎖，通過抽屜柜進入整體框架的行程位置，避免抽屜柜在合閘狀態一次插針的虛接和拉弧現象。設備情況如圖1所示。

圖1 低壓配電抽屜柜形式

1.2 改造方案分析

基于《IEC 61439.2-2011低壓成套開關設備以及控制設備組件》標準8.5.2.102章節要求：在抽屜柜抽出前必須先分斷主回路。由于抽屜柜設計采用機械連鎖裝置，在抽屜柜在連接位置時，斷路器才具備手動操作的條件。本次改造拆除手動操作機構之后，連鎖丟失，無法滿足標準安全要求。

此外，斷路器增加了電動操作機構，原操作機械手桿位置被電動操作機構覆蓋。

為解決此問題，對各種類型抽屜柜操作機構進行了重新三維設計，增加輔助觸點，將原機械連鎖改為電氣連鎖，滿足標準要求。

1.3 電動操作機構的選擇

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。各廠家也針對各系列的塑殼斷路器開發了相應的電動操作機構。電動操作機構是用于遠距離自動分合閘斷路器的一種附件，分電動機操作機構、電磁鐵操作機構2種，分別適用于400 A及以上和225 A及以下斷路器，且吸合及轉動方向一致，保證斷路器可靠閉合。

電動操作機構的選擇可根據原塑殼斷路器的品牌型號進行適配。

1.4 復合安全聯鎖機構的設計

海上平臺常用的MNS低壓抽屜柜，柜內斷路器合閘手動開關和抽屜搖進搖出把手集成在一個旋鈕上，安裝電動操作機構后務必需要廢除原操作手柄，設計一個新的操作連鎖機構，即可滿足抽屜柜的正常搖進搖出，還能夠滿足抽屜柜位置與斷路器狀態的連鎖。改造前的抽屜柜操作機構如圖2所示。

圖2 抽屜柜手動操作機構樣式

1.4.1 原操作機構的3D測繪

操作機構控制抽屜柜的插入行程，行程過長會導致插入之后無法鎖緊，行程過短會導致一次插針送電時產生發電拉弧，設計上抽屜柜操作機構的行程誤差必須保證在±2 mm以內。考慮到新開發的安全連鎖機構對原設備行程的嚴苛要求，研發小組采用業界先進的逆向工程-3D掃描技術對原操作機構行程機構進行3D掃描建模，用以確保設計裝置的可用性與安全性。

3D掃描儀通過三維激光反射技術，將激光線照射到操作行程機構上，由于物體表面的曲率不同，光線照射到物體上會發生反射和折射，然后這些信息會被多個相機捕捉傳輸的解析軟件構建成3D圖像。通過光線繞著機構不斷移動，3D軟件通過多角度分析來立體構建準確的三維模型。目前主流的3D掃描儀已經可以達到0.1 mm的分辨率，通過240 000次/s的掃描速度，10 s之內即可構建物體模型。

1.4.2 復合安全聯鎖機構的3D制作

在保持操作機構行程不變的情況下，本次設計研發通過對抽屜在不同行程位置的行程狀態增加機械觸點，指示抽屜柜行程狀態；同時觸點引出電氣干觸點用于連鎖電氣回路。復合安全連鎖機構的3D設計圖紙如圖3、圖4所示。

圖3 Ⅰ型推進機構3D建模視圖

圖4 Ⅱ型推進機構3D建模視圖

機構設計的原則主要有以下4點：①推進行程機構尺寸與原機構保持一致。②機械指示抽屜柜的行程狀態：連接、試驗、分離。③所有行程狀態均有相應的電氣觸點。④結構可靠耐用。

為了保證本次項目設備制造的穩定性和實效性，使用基于3D的設計圖紙，采用工業級3D金屬打印技術對零部件進行加工。該技術又稱為金屬激光造型復合加工，通過高功率激光照射金屬粉末，使零部件融化凝固成型，然后進行高速切屑加工，最終部件成型。應用此技術大大縮短了部件加工周期，且一次成型完整度好，適應了項目的時限要求。

1.5 抽屜柜電氣連鎖回路設計

根據前期設計規劃，電動操作機構替代手動操作機構之后，依然保留原有連鎖功能，將機械連鎖改為電氣連鎖：①推進機構的連接位置信號，常閉干觸點接入電動操作機構合閘回路，在抽屜沒有到達連接位置時禁止合閘。②推進機構連接位置信號，常開觸點接入斷路器脫扣線圈，抽屜離開連接位置立即跳閘。③推進機構實驗位置接入實驗回路，在實驗位置可對斷路器進行測試。改造設計電氣連鎖圖紙如圖5所示。

圖5 電動操作低壓抽屜的電氣連鎖圖紙

1.6 抽屜柜遠程控制改造現場實施

現場改造拆除原操作機構、安裝復合安全聯鎖機構、塑殼斷路器安裝電動操作機構、增加電操機構控制回路、增加電操機構供電回路、電氣連鎖改造，改造完成之后使用效果良好，達到預定設計目標，如圖6～8所示。

圖6 現場改造電氣接線

圖7 抽屜裝配前

圖8 抽屜裝配后

2 結語

通過對恩平油田群各種品牌、類型的低壓配電柜的遠程控制改造可知，目前低壓配電系統的遠程控制改造可行性高。利用對低壓配電系統的遠程控制改造，可以有效支撐海油無人化技術的發展，對于后續電氣設備新增智能化監測設備，也可以確保其遠程控制的安全性和設備的遠程透明化管理，是配電系統改造的發展方向。

中海油有限公司的智能油氣田建設工作是推動油氣田生產運營從傳統模式向智能化轉型的重要舉措，對于公司應對低油價挑戰，實現高質量發展具有重要意義。本項目利用逆向工程思維，采用3D掃描、3D打印技術對關鍵零部件進行設計開發，是電氣無人化改造項目中一次有益的嘗試。

隨著電氣智能化技術的發展，將來會有更多的新技術投入使用，如何在新技術使用時保證原有設備的安全穩定性，是項目執行的重要關注點。逆向工程思維可作為工業場景下電氣改造的一種新思路，對其他項目也有一定的借鑒意義。