低压抽屉柜远程控制改造方案的设计与应用

2022-08-10张琳王振辉

科技资讯 2022年16期

张琳王振辉

(1.中海油深圳分公司恩平油田作业区;2.中海油能源发展装备技术有限公司深圳分公司广东深圳 518000)

恩平油田群自控系统建设项目以实现海上生产设施在人员撤台后（设施处于无人状态）到台风关停前这段时间内，通过远程监控实现正常、安全生产为主要目标。通过对现有设施进行适当改造，以达到在陆地实现对各类海上生产设施（平台、FPSO）的远程监控，实现实时监控、远程操作和安全关断[1]。项目改造过程中，按设计要求，需对大量的MCC低压抽屉的手动开关进行替换，改造成电动操作机构。由于受制于老旧盘柜空间尺寸、拆除抽屉柜手操机构后，无法保证分合闸操作和MCC抽屉位置信号（抽出、实验、连接）安全互锁问题，易产生一次拉弧现象，不符合相关安全规范。

1 方案设计

1.1 低压抽屉柜介绍

低压抽屉柜的一次进线是通过一次插件同外部连接的，电流进来后经过一次线到达塑壳断路器，塑壳断路器通过导线到达接触器，接触器出来后经过CT到达输出插件同外部连接。二次控制回路用于控制接触器的断开与吸合，ESD 回路用于紧急情况下的断路器脱扣。

低压抽屉柜的一次回路、二次回路均通过插针的方式与外部线路相连，抽屉柜有连接/实验/抽出三种位置模式。在连接位置状态下抽屉柜一次插针、二次插针均与外部回路紧密相连；实验位置状态下一次插针与外部回路脱离，二次插针与外部回路连接，可对抽屉柜进行二次控制的测试实验；抽出位置状态下一次插针、二次插针均与外部回路断开，此时抽屉柜不带电，可对其进行检维修操作[2]。

抽屉前面板的手动操作机构，既起到抽屉柜摇进摇出的功能，也起到抽屉柜内塑壳断路器分合闸功能，且两种功能机械互锁，通过抽屉柜进入整体框架的行程位置，避免抽屉柜在合闸状态一次插针的虚接和拉弧现象[3]。设备情况如图1所示。

图1 低压配电抽屉柜形式

1.2 改造方案分析

基于《低压成套开关设备以及控制设备组件（IEC 61439.2-2011）》标准8.5.2.102 章节要求：在抽屉柜抽出前必须先分断主回路。由于抽屉柜设计采用机械连锁装置，在抽屉柜在连接位置时，断路器才具备手动操作的条件，该次改造拆除手动操作机构之后，连锁丢失，无法满足标准安全要求[4]。

而该次改造配电系统改造的主体设计功能：即断路器增加电动操作机构，断路器在增加电动操作机构后，必然就没有了机械操作机构，原操作机械手杆位置被电操机构覆盖。为解决此问题，对各种类型抽屉柜操作机构进行了重新三维设计，增加辅助触点，将原机械连锁改为电气连锁，满足标准要求。

1.3 电动操作机构的选择

目前，海上低压抽屉柜主流的塑壳断路器包括西门子、ABB、施耐德、AGE 品牌的各系列塑壳断路器。各厂家也针对各系列的塑壳断路器开发了相应的电动操作机构[5]。电动操作机构是用于远距离自动分合闸断路器的一种附件，分电动机操作机构、电磁铁操作机构两种，分别适用于400 A及以上和225 A及以下断路器，且吸合及转动方向一致，保证断路器可靠闭合。电动操作机构的选择可根据原塑壳断路器的品牌型号进行适配。

1.4 复合安全联锁机构的设计

海上平台常用的MNS低压抽屉柜，柜内断路器合闸手动开关和抽屉摇进摇出把手集成在一个旋钮上，安装电动操作机构后务必需要废除原操作手柄，设计一个新的操作连锁机构，即可满足抽屉柜的正常摇进摇出，还能够满足抽屉柜位置与断路器状态的连锁。

抽屉柜操作机构如图2所示。

图2 抽屉柜手动操作机构样式

1.4.1 原操作机构的3D测绘

操作机构控制抽屉柜的插入行程，行程过长会导致插入之后无法锁紧，行程过短会导致一次插针送电时产生发电拉弧，设计上抽屉柜操作机构的行程误差必须保证在±2 mm 以内。考虑到新开发安全连锁机构对原设备行程的严苛要求，研发小组采用业界先进的逆向工程——3D 扫描技术对原操作机构行程机构进行3D 扫描建模，用以确保设计装置的可用性与安全性。

3D扫描仪通过三维激光反射技术，将激光线照射到操作行程机构上，由于物体表面的曲率不同，光线照射到物体上会发生反射和折射，然后这些信息会被多个相机捕捉传输的解析软件构建成3D 图像。通过光线绕着机构不断移动，3D软件通过多角度分析来立体构建准确的三维模型。目前主流的3D 扫描仪已经可以达到0.1 mm 的分辨率，通过240 000 次/s 的扫描速度，10 s之内即可构建物体模型。

1.4.2 复合安全联锁机构的3D制作

在保持操作机构行程不变的情况下，该次设计研发通过对抽屉在不同行程位置的行程状态增加机械触点，指示抽屉柜行程状态。同时触点引出电气干触点用于连锁电气回路。以下是复合安全连锁机构的3D设计图纸，具体如图3、图4所示。

图3 I型推进机构3D建模视图

图4 Ⅱ型推进机构3D建模视图

机构设计的原则主要有以下几点：（1）推进行程机构尺寸与原机构保持一致；（2）机械指示抽屉柜的行程状态：连接/试验/分离；（3）所有行程状态均有相应的电气触点；（4）结构可靠耐用。

该次项目的设备制造稳定性和实效性，使用基于3D设计图纸采用工业级3D金属打印技术对零部件进行加工[6]。该技术又称为金属激光造型复合加工，通过高功率激光照射金属粉末，使零部件融化凝固，激光照射的沉积造型后，进行高速切屑加工，最终部件成型。应用此技术大大缩短了部件加工周期，且一次成型完整度好，适应了项目的时限要求。

1.5 抽屉柜电气连锁回路设计

根据前期设计规划电动操作机构替代手动操作机构之后，依然保留原有连锁功能，将机械连锁改为电气连锁：（1）推进机构的连接位置信号，常闭干触点接入电动操作机构合闸回路，在抽屉没有到达连接位置时禁止合闸；（2）推进机构连接位置信号，常开触点接入断路器脱扣线圈，抽屉离开连接位置立即跳闸；（3）推进机构实验位置接入实验回路，在实验位置可对断路器进行测试；改造设计电气连锁图纸具体见图5。

图5 电动操作低压抽屉的电气连锁图纸

1.6 抽屉柜远程控制改造现场实施

现场改造拆除原操作机构、安装复合安全联锁机构、塑壳断路器安装电动操作机构、增加电操机构控制回路、增加电操机构供电回路、电气连锁改造，改造完成之后使用效果良好，达到预定设计目标，其具体情况见图6、图7。

图6 现场改造电气接线

图7 抽屉装配前照片

2 总结

该文基于恩平油田群自控系统建设项目电控改造工程，通过对恩平油田群各种品牌类型的低压配电柜的远程控制改造应用结果可知，目前低压配电系统的远程控制改造可行性高。利用对低压配电系统的远程控制改造可以有效支撑海油无人化技术的发展，同时后续对电气设备新增智能化监测设备也可以更好地确保远程控制的安全性和设备的远程透明化管理，是后续的配电系统改造的发展方向。