HOLLIAS LM PLC在智能化矿用隔爆型真空馈电开关中的应用

                      北京和利时系统工程股份有限公司，北京 100096                      王国锋

摘  要  将HOLLiAS LM小型一体化PLC应用于矿用隔爆型真空馈电开关中，根据馈电开关工艺要求，提供了一种降低成本、更智能、更优化的控制方案，介绍了控制系统组成和设计思路。该馈电开关可实时监测井下电网参数，并及时显示和报警过欠压、断相、漏电、过载、短路等故障。

关键词  馈电开关；隔爆；控制系统；PLC

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1引言

　　矿用隔爆型真空馈电开关（以下简称馈电开关），适用于煤矿井下和其它周围介质中含有爆炸性气体的环境中，在中性点不接地的三相电网中，作为配电总开关或分支开关之用。本文介绍开关采用智能型保护器，性能可靠，动作准确，具有欠压、过载、短路、漏电闭锁、选择性漏电保护功能，并可外接远方分励脱扣按钮。

　　目前国内馈电开关产品一般是由分立元器件或单片机组成的控制核心，结构复杂，安装调试困难；抗干扰能力差，故障率高，元件的分散性对保护的可靠性和稳定性影响很大；显示采用普通数码管或指示灯，不直观。国外同类产品也普遍采用PLC系统组成，工艺水平较国内高。但是，一旦出现故障，维修跟不上，影响生产。另外，国外产品价格极高，是国内同类产品的十倍以上。

　　针对这种情况，某电器有限公司开发了一种新型智能矿用隔爆型高压真空电子馈电开关。该装置核心采用技术先进的工业可编程控制器PLC 和人机界面（文本显示器及设置键盘），构成的智能型综合保护控制器，使配电装置既可靠又安全。

2馈电开关结构及保护原理

　　馈电开关的隔爆外壳呈长方形，用4只M12的螺栓与撬形底座相连，隔爆外壳上、下两个空腔，分别为接线腔与主腔。接线腔在主腔的上方，它集中了全部主回路与控制回路的进出线端子。主回路电源进线端子上罩有防护板。接线腔两侧各有两个主回路进出线喇叭口，可引入电缆外径为φ68～φ78的电缆。主腔由主腔壳体与前门包容组成，主要装有主体芯架和千伏级电源控制开关，前门采用快开门结构。

　　交流真空断路器安装在主体芯架左侧上方，三根进线直接接在断路器的进线端子上，三根出线则接在芯架反面的出线端子上。千伏级电源控制开关安装在主腔右侧壁上方，由连接套与主腔外的操作手把相连。过电压吸收装置安装在断路器的下方，控制变压器、电流互感器、零序互感器安装在主体芯架的反面，芯架正面还装有中间继电器、熔断器、电抗器、变压器，及两个插接件用以连接前门、接线腔七芯接线端子过来的插头和插座。

　　前门上装有观察窗、按钮、试验按钮、保护器整定按钮、保护器、保护器电源、PLC及显示屏等。 前门与外壳之间有可靠的机械联锁，当需要打开馈电开关前门时，首先须将右侧壁上的电源控制开关的手把打至断开位置（中间位置），断开控制电源，断路器因控制电路失电而自动分闸，然后拧进闭锁杆，使其里端进入电源开关手把的闭锁孔内，将电源开关闭锁与断开位置，其外端才能脱离前门上的限位块解除前门闭锁，此时方能打开前门，前门闭合的方法与打开的程序相反，从而实现了馈电开关前门闭锁后才能进行合闸操作。

　　系统原理框图如图1。该配电开关的线路保护功能需在高压互感器上采集三相电流、零序电流、一个线电压、零序电压、绝缘以及相敏共八路信号。这八路信号通过低压互感器，然后经过整流和滤波变成直流的标准信号，最后进入PLC 以控制断路器的分闸输出。

　　PLC 对进入的电压信号进行计算，电压计算结果大于1.2 倍额定电压，显示过压，过压保护5s 内动作；电压计算结果小于0.8 倍额定电压，显示欠压，欠压保护5s 内动作；三相不平衡度计算结果大于0.7，显示断相，10～20s 内保护动作。电流计算结果中任何一相在6～10 倍额定电流范围内，显示短路，短路保护0.08s 内动作；电流计算结果中任何一相在1.2～6 倍额定电流范围内时，显示过载，过载保护按反时限特性动作。若线路发生漏电故障，根据相敏及电压信号漏电保护动作，切断线路。

3控制系统

　　PLC使用和利时公司LM系列可编程控制器，LM系列PLC是和利时公司生产的小型一体化PLC。本应用中CPU模块选择本体上集成14 点输入/10点继电器输出的LM3107模块，模拟量输入选择和利时公司特有的电量采集模块LM3315模块，它为12 位精度，完成电压和电流采集的同时，完成功率计算。本模块能够满足井下比较恶劣环境，能够满足中性点不接地的供配电系统供电保护要求。系统中显示部件选用了和利时公司四行蓝色文本屏，通过串口以Modbus RTU协议与PLC通讯，实时显示采集值。控制系统配置图见图2。

4控制功能

馈电开关控制系统通过软件编程主要完成功能为：

a)          参数设定

*    额定电流：额定电流的整定范围为100A－－－－630A。

*    供电电压：供电电压的整定范围为660V和1140V二挡。

*    短路倍数：整定范围为3－－－－10倍连续可调。

b )    漏电保护

*    漏电闭锁：1140V系统42K闭锁,50K恢复，660V系统 23K闭锁,28K恢复。

*    漏电故障：1140V系统23K保护，660V系统12.2K保护。

c)          过电流保护

　　按照煤炭行业标准要求，根据不同实际电流/额定电流的比值确定不同的动作时间，为了提高保护准确性和灵敏性，B相与A、C相使用不同精度互感器。

d)         短路保护

在短路故障发生时，PLC得到的是一个缓慢上升的电压信号，因为从它发出切断指令到开关真正动作，存在一个故有的“机械动作延时”，为了使动作值准确，同时满足不大于100 mS的时间要求，PLC的判定值一定要超前要求的动作值，从而弥补了“机械动作延时”所带来的不良后果。

e)        模块自检保护

本程序具有模块自检功能，当PLC出现故障时，本装置具有如下保护：

*     PLC自诊断：当扩展模块出现故障时， 有“模块故障”报警画面。

*     模块供电电源丢失时，有“模拟量模块一无电源”和“模拟量模块二无电源”的报警画面。

f)        性能试验功能

*     漏电试验：是利用继电器外接1K电阻实现的。

*     短路试验：模拟电流是“额定电流”与“短路倍数”的积送内存单元。

*     过载试验：为1.9Ie，动作时间为60秒，因为动作时间较长，为此在程序中设置了倒计时显示。

g)        故障记忆功能：

　　装置能对最近50次故障进行记忆，并可分别报出十四种故障，包括动作时间和动作值。进入故障记忆画面和在内进行上下翻页时具有人性化风格，改变了过去的车轱轳转方式。

h)        开机时间记忆功能：

　　本装置能记忆“累计带电时间”和“累计吸合时间”

　　除了上面罗列的基本功能本馈电开关还有漏电电阻、电压、电流以及功率显示功能，移动变压器温度超限、瓦斯超限、高压据动、低压据动等功能。

5结束语

　　本配电开关的控制系统以我国煤矿电气设备特性为基础，吸纳了国际先进的智能化技术和结构形式，使用PLC控制系统代替分立电子元器件或单片机，实现了对井下供电系统的控制、保护和计量，具有性能好、可靠性高、稳定性强和开发周期快等特点。

　　另外值得注意的是LM3315模块的特点，本模块非常适合应用到馈电开关系统，完全可以满足在井下苛刻工作环境中的配电系统电量采集和保护要求。主要体现2个特点：

1、电量计算的功能

　　本模块可以通过采集三相电的电流、电压及各相电流之间的相位差，准确地计算出配电系统的总有用功率和总无功功率以及功率因数。

2、过流保护

　　LM3315模块对输入电流瞬时值进行监测，过流时直接通过模块芯片上硬件中断控制继电器动作，切断电流通路。

　　过流保护时间由以下3部分组成：T1：从过流信号加到输入端子，到该信号传输到AD输入端子，这部分时间主要为互感器的延时（互感器之后没有容性滤波电路），互感器延时约为15微秒，因此这部分延时不超过0.02ms。T2：从过流信号加载到AD芯片IN+、IN-端子到该电流值被采集之后芯片引脚上输出保护控制信号，这段时间在5ms左右（程序里面每隔4.2ms查询一次）。T3：继电器动作时间。在上电后正常工作时继电器闭合，出现过流时，继电器再次释放（release），继电器释放时间为2ms（典型值）。

　　所以模块过流保护时间为T1+T2+T3<10ms，这在其它品牌的PLC中是不可能实现的，利用此模块的馈电开关过流保护到真空断路器动作时间完全可以控制在30ms的时间内，大大提高馈电开关的性能。

参考文献

[1]新型矿用隔爆馈电开关智能保护器德研究[J].电气应用，李鑫，郭凤仪，王国强等.2005（11）：53-55.

[2]用于隔爆馈电开关的一种智能型低压真空断路器[J].煤矿机电，蒋志丽，吴建宾，马宏.2005（5）：45-50.