摘 要：
在海上石油生产设施无人化改造过程中，配电系统的无人化操作是其中的重要内容，配电系统设备包括高中压配电盘、低压配电盘、照明盘，主要的分断设备包括真空接触器、真空断路器、框架断路器、塑壳断路器、微型断路器。针对有电动分合闸线圈的断路器装置，通过改变二次控制回路即可完成远程控制改造，而应用于低压抽屉柜塑壳断路器的远程操作改造相对比较困难。在海工行业，由于低压抽屉配电柜占用空间少、维护维修方便、出线回路多等优点，应用非常广泛，而其特殊的推进式结构以及机械连锁方式对无人化远程电动操作的改造造成很大的困难。通过对目前主流抽屉配电柜的机械结构的分析，结合目前塑壳断路器主流厂商的塑壳断路器电动操作机构，利用新型3D测绘、3D打印技术，精准适配开发低压抽屉柜复合安全连锁机构，解决海上平台400 V配电系统远程控制问题。
关键词:配电系统;塑壳断路器;电动操作机构;逆向工程;连锁机构;
0 引言
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，实现在陆地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。
项目建设过程中，按设计要求，须对大量的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，容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3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，可对其进行检修和维修。
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2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。设备情况如图1所示。
1.2 改造方案分析
基于《IEC 61439.2-2011低压成套开关设备以及控制设备组件》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。本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。
此外，断路器增加了电动操作机构，原操作机械手杆位置被电动操作机构覆盖。
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。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2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。改造前的抽屉柜操作机构如图2所示。
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。考虑到新开发的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，本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。复合安全连锁机构的3D设计图纸如图3、图4所示。
机构设计的原则主要有以下4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。
为了保证本次项目设备制造的稳定性和实效性，使用基于3D的设计图纸，采用工业级3D金属打印技术对零部件进行加工。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，使零部件融化凝固成型，然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如图5所示。
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，如图6～8所示。
2 结语
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，对于后续电气设备新增智能化监测设备，也可以确保其远程控制的安全性和设备的远程透明化管理，是配电系统改造的发展方向。
中海油有限公司的智能油气田建设工作是推动油气田生产运营从传统模式向智能化转型的重要举措，对于公司应对低油价挑战，实现高质量发展具有重要意义。本项目利用逆向工程思维，采用3D扫描、3D打印技术对关键零部件进行设计开发，是电气无人化改造项目中一次有益的尝试。
随着电气智能化技术的发展，将来会有更多的新技术投入使用，如何在新技术使用时保证原有设备的安全稳定性，是项目执行的重要关注点。逆向工程思维可作为工业场景下电气改造的一种新思路，对其他项目也有一定的借鉴意义。
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