和利时PLC在井下供电设备中的应用.doc

和利时PLC在井下供电设备中的应用侯爱林，王国峰(北京和利时自动化驱动技术有限公司, 北京 100176)摘 要：本文简单介绍了矿用隔爆型真空馈电开关、矿用隔爆兼本质安全型真空电磁启动器等主要煤矿防爆电器的技术现状，提出一种以PLC为控制核心，集漏电、漏电闭锁、过载、断相、短路和欠压等故障保护于一体的智能保护器。关 键 词：可编程控制器，防爆电器，智能保护器中图分类号：TP 文献标识码：BApplication of HOLLiAS PLC in Explosion-proof Electrical Apparatus for Coal MineHOU Ai-lin, WANG Guo-fengg (Beijing HollySys Automation and Drive Co.,LTD Beijing 100176, China)Abstract: This paper introduces the technical status mine explosion-proof electrical apparatus of mine falme-proof type vacumm feed switch,mine falme-proof type with intrinsically safe vacuum electromagnetic stater, and design a kind of intelligent motor protector whice use PLC as control core and include many kinds of protection functions. Key words: PLC; Explosion-proof Electrical Apparatus; Intelligent motor protector1引 言- 4 -煤矿井下供电系统主要由高爆开关、移动变电站、馈电开关和启动器组成。随着煤矿现代化程度的不断提高和井下供电距离的增加，对煤矿井下配电系统的可靠性、安全性、连续性的要求也越来越高；同时，由于井下工作条件恶劣，发生故障时产生的的电弧能量会引起瓦斯、煤尘爆炸，直接危及人身安全和矿井生产。因此防爆开关保护系统的好坏直接影响到煤矿井下供电系统的安全性。2 技术现状及分析2.1 馈电开关作者简介：侯爱林（1983），男，吉林榆树人，硕士研究生，技术支持工程师，从事自动化产品应用研究；王国峰（1979），男，辽宁铁岭人，硕士研究生，工程师，从事自动化产品应用研究。矿用隔爆型真空馈电开关适用于煤矿井下和其他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。馈电开关额定电压有660V、1140V，额定电流200A、400A、630A，具备欠压、过压、过载、短路、断相、漏电闭锁、漏电等保护功能。欠压过压保护采用鉴幅式方法避免了电网长时间工作在不正常电压下；过载保护采用鉴幅式方法，应用反时限动作原理，电网过载倍数越大，要求过载动作时间越短，可靠地保证电网正常工作；短路保护分为幅值保护和相敏保护，其中相敏短路保护较好的解决了小电流短路和电机启动大电流之间的矛盾，既可实现小电流短路正确动作又能避免电机启动大电流的误动作；漏电保护从原理上分为采用附加直流电源原理和采用零序电流、零序电压方向性保护原理，馈电开关既可以作总开关使用，也可作分支开关使用，作总开关使用时采用附加直流电源原理，作分支开关使用时采用零序电流、零序电压方向性原理，做到了把故障线路和非故障线路区分开来，实现选择性漏电保护，同时总开关漏电保护作为分支开关漏电的后备保护，由于动作时间上有差别，也做到了漏电保护的纵向选择性。另外，根据要求可以附加电度表功能，风电瓦斯闭锁功能等。控制保护系统从漏电原理上看，直到现在还没有出现突破性的进展。从保护装置的硬件看，经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式、微型计算机式的发展阶段。总的看来，矿井漏电保护技术的发展可以概括为三个阶段和两次飞跃。三个阶段是机电式 、半导体式和微机式。第一次飞跃是由机电式到半导体式，主要体现在无触点化、小型化、低功耗方面；第二次飞跃是由半导体式到微机式，主要表现在数字化和智能化方面。第二次飞跃尤为重要，它为矿井电网漏电保护技术的发展开辟了前所未有的广阔前景。系统普遍采用中文显示界面，可以实时显示系统电压、三相电流、各种故障显示。可通过中文菜单，在不打开前门的情况下，进行各项保护参数及控制的设定。具有RS485标准通讯接口，可实现遥控、遥测、遥信，可以通过光缆与井上联网，实现配电系统远程监控。2.2 启动器启动器是矿井供电系统中控制电动机的电控设备，其性能优劣直接关系着电动机运行的可靠性和安全性。启动器额定电压有380V、660V、1140V、3300V，除不具备漏电保护功能外，其他电气控制与保护系统和馈电开关基本类似，但其基本形式比馈电开关多，分为单回路启动器、可逆启动器、双速启动器、软启动器、变频启动器、多回路启动器（组合开关）。 其中组合开关由于具有结构紧凑、占地面积小、接线方便、控制组合方式多且灵活等特点，近年来得到了长足的发展。660V、1140V等级的组合开关有二组合、四组合、六组合、八组合、十组合、十二组合等形式，回路之间通过智能控制保护系统，可方便的实现程控、联控、单速、双速等多种控制方式，特别适合于井下综采工作面使用。在欧美国家以3300V电压等级为代表的组合开关已得到普遍应用，我国从90年代末期开始发展3300V高产高效工作面，经过近十年的发展，现国内已有二百个3300V工作面，这使得3300V启动器需求量大增，该类产品也得到了迅速发展。为解决大电机启动电流对电网造成的冲击，先期发展了双速启动器，而后又发展了软启动器，直到现在的变频启动器。变频启动器由于具有节能、控制方式灵活等特点，近几年在水泵、风机、皮带、绞车等负载上获得了迅速的应用，代表了启动器下一步的发展方向，但变频器对电网的噪声污染比较严重，导致电机发热及干扰周围设备，需要进一步完善。控制保护系统普遍采用了单片机、可编程控制器PLC、数字信号处理器DSP等技术，液晶屏或者触摸屏构成显示系统，合闸前显示负载的整定电流、电网电压及对地绝缘情况，正常工作时显示系统的工作电压、负荷的工作电流及运转状态，若某回路因故障跳闸时，屏幕中对应位置显示故障状态、故障参数，并能自动记忆故障状态。3 和利时PLC在井下供电设备中的应3.1 和利时PLC在低压馈电开关中的应用目前国内馈电开关综合保护系统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，经常出现误动和拒动现象，漏电动作时间常常满足不了30 ms的要求。尤其在供电距离短、电压高或供电距离长、电压低的情况下，在1 k漏电时动作时间更长。另外，由于元器件的限制，开关缺少良好的人机界面，给判断故障和排除故障带来不便。而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，采用和利时PLC中的馈电开关专用控制器LM3108K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来完成矿井低压电网的二级选择性漏电、对称短路、不对称短路、断相、过载和过电压等保护功能。该开关中的漏电保护系统由基于附加直流检测的总漏电保护和基于零序电流方向判断的分支漏电保护组成 ，既可完成井下低压电网单相漏电时横向选择性和纵向选择性功能，又能保证电网对称漏电时保护动作电阻值的稳定性，使馈电开关既可靠又安全。LM3108K模块首先接收来自现场（经过现场侧一级变换）的三相交流信号、零序信号，经IO板处理放大后处理信号采集；DSP采集完成之后的结果经板间连接器送CPU板，之后送上位机显示；同时上位机的相关配置参数首先下发到CPU板，再由CPU板下发到IO板；电源板输入为24Vdc信号，经过防护处理之后转+5V送馈电模块使用，馈电模块中用到的其他内部电压也都由+5V转换后得到。IO板和CPU板分别以TI 公司DSP芯片TMS320LF2407A和Infineon公司C164单片机为核心，二者之间数据通信经由SPI口来完成。整个过程如图1所示。该模块采集三相电流、零序电流、三相线电压、零序电压、系统电压、绝缘电阻等信号不需要变成直流的标准信号，而是直接进入PLC中模数转换芯片，最后PLC根据采集到信号来控制断路器的合分闸，模块采用了DSP芯片，漏电和短路保护动作采用硬件中断，大大缩短了信号采集和故障发生时执行保护动作的时间，保证分开关保护的动作时间小于30 ms，总开关保护动作时间小于200 ms。系统图1 IO板硬件原理框图还增加了PLC根据电网分布电容的大小和电网电压的高低来自动整定选择性漏电的保护特性和动作参数的功能，提高了保护系统的智能性。此外在此保护系统中，建立了良好的人机界面。文本显示器在开关合闸前，循环显示电网的绝缘状态、动作整定值和开关的工作状态。开关合闸后，正常工作时循环显示电网的工作参数和对地的绝缘水平。故障跳闸后循环显示故障参数和故障状态，从而大大提高了判断故障和排除故障的效率。图2为馈电开关保护控制系统的配置。图2 馈电开关综合保护系统配置图3.2 和利时PLC在组合开关中的应用目前大部分组合开关应用的PLC保护控制系统，虽然可以完成电动机的过载、短路、漏电闭锁和绝缘监测等保护功能，但是需要在PLC外围加上由分立元件和小规模集成元件组成的保护电路，元件的分散性和对保护的可靠性和稳定性影响很大。一是由于普通PLC信号输入都是直流输入，组合开关中采集电压和电流信号都需要转换成直流信号，这样增加了成本，而且还降低了可靠性，在使用中也发现，组合开关故障多发生在信号变送装置；二是组合开关一般都是给大功率的三相异步电机供电，对短路保护要求比较灵敏，而要求短路保护时间短，就要求PLC处理速度快，同时减少信号采集时间。针对于这里两个问题，和利时公司开发出了6路交流电流直接输入的模拟量处理模块LM3316A和7路超前漏电检测1路交流电压输入模块LM3313K。LM3316A采用交流采集芯片，采集信号时间在毫秒量级，完成6路交流电流的测量与过流判断，并提供2路继电器保护输出。6路交流电流分成2组，每组对应三相交流电流输入，量程08A(有效值)。用户可分别设定每组的过流门限值，LM3316A模块采集电流量并与门限值进行比较，若发生过流则完成保护动作，从过流事件发生到模块完成保护动作完成，响应时间约为100ms。LM3313K在正常8路模拟量输入模块的基础上，7通道超前漏电检测增加运算放大器，产生一个需要检测漏电电阻用的附加直流电源，这样直接在通道上直接加上一个电阻，就可以直接产生一个10V以内的直流电压供模块采集计算。1路交流电压通道用来测量组合开关的系统电压，系统电压通过变压器变成220V以内的交流电压，这路通道通过半波整流将220V变为010V的直流电压，供模块采集计算。以六组合为例，采用和利时PLC为控制系统的核心，完成对主回路的通断控制，当线路出现漏电、过流、过载、三相不平衡等故障时，由相应的程序进行保护，使启动器分断，并给予故障显示。主回路设三台隔离换向开关，称为三个系统。每个系统控制方式可分为单台控制、延时控制、单回路双速控制、双回路双速控制等，达到了相互组合，混合控制的目的，再将三个系统控制方式进行组合，根据控制方式的不同，PLC控制主回路的通断，每一回路之间可任意组合。图3为典型的六组合配置。4 结语井下供电设备种类繁多，远不止上述几种形式所能概括的，但都是需要采用智能化的控制与保护系统。和利时PLC专用模块在井下供电设备中的应用，提高了各种保护的可靠性和灵敏性，延长了无故障工作时间，提高了供电系统的安全性。此外，图2 六路组