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(yè)區(qū)，廣東 深圳 518000； 2.中海油能源發(fā)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(tǒng)建設項目以實現(xiàn)海上生產(chǎn)設施在人員撤臺后(設施處于無人狀態(tài))到臺風關停前這段時間內(nèi)，通過遠程監(jiān)控實現(xiàn)正常、安全生產(chǎn)為主要目標，通過對現(xiàn)有設施進行適當改造，實現(xiàn)在陸地對各類海上生產(chǎn)設施(平臺、FPSO)的遠程監(jiān)控，實現(xiàn)實時監(jiān)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(chǎn)生一次拉弧現(xiàn)象，不符合相關安全規(guī)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(jīng)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(jīng)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(tài)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(tài)下，一次插針與外部回路脫離，二次插針與外部回路連接，可對抽屜柜進行二次控制的測試實驗；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(nèi)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(tài)一次插針的虛接和拉弧現(xiàn)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(jié)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(fā)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(jù)原塑殼斷路器的品牌型號進行適配。

1.4 復合安全聯(lián)鎖機構的設計

海上平臺常用的MNS低壓抽屜柜，柜內(nèi)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(tài)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(chǎn)生發(fā)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(nèi)?？紤]到新開發(fā)的安全連鎖機構對原設備行程的嚴苛要求，研發(fā)小組采用業(yè)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(fā)生反射和折射，然后這些信息會被多個相機捕捉傳輸?shù)慕馕鲕浖嫿ǔ?D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(jīng)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(nèi)即可構建物體模型。

1.4.2 復合安全聯(lián)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(fā)通過對抽屜在不同行程位置的行程狀態(tài)增加機械觸點，指示抽屜柜行程狀態(tài)；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(tài)：連接、試驗、分離。③所有行程狀態(tài)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(wěn)定性和實效性，使用基于3D的設計圖紙，采用工業(yè)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(jù)前期設計規(guī)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(xiàn)場實施

現(xiàn)場改造拆除原操作機構、安裝復合安全聯(lián)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(xiàn)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(tǒng)的遠程控制改造可行性高。利用對低壓配電系統(tǒng)的遠程控制改造，可以有效支撐海油無人化技術的發(fā)展，對于后續(xù)電氣設備新增智能化監(jiān)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(tǒng)改造的發(fā)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(chǎn)運營從傳統(tǒng)模式向智能化轉型的重要舉措，對于公司應對低油價挑戰(zhàn)，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)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(fā)，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(fā)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(wěn)定性，是項目執(zhí)行的重要關注點。逆向工程思維可作為工業(yè)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。