黃鶴松，　畢忠思，　薛琳，　張向陽(yáng)

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島　266590)

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科研成果

一種新型礦用高壓保護(hù)器綜合測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)

黃鶴松，畢忠思，薛琳，張向陽(yáng)

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島266590)

摘要：設(shè)計(jì)了一種新型礦用高壓保護(hù)器綜合測(cè)試臺(tái)，介紹了該測(cè)試臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)及軟、硬件設(shè)計(jì)方案。該測(cè)試臺(tái)以S7-300系列PLC為控制器，可以產(chǎn)生短路、過(guò)流、欠壓、過(guò)壓、零序過(guò)壓、零序過(guò)流等故障信號(hào)，并將故障信息、試驗(yàn)項(xiàng)目及相關(guān)硬件運(yùn)行狀態(tài)顯示在上位機(jī)監(jiān)控界面上，從而快速檢測(cè)高壓保護(hù)器的性能。以ZBT-11高壓保護(hù)器電流保護(hù)功能測(cè)試為例進(jìn)行了測(cè)試臺(tái)功能檢測(cè)，結(jié)果表明該測(cè)試臺(tái)能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出高壓保護(hù)器故障。實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了該測(cè)試臺(tái)效果良好。

關(guān)鍵詞：礦用高壓保護(hù)器； 綜合測(cè)試臺(tái)； 故障檢測(cè)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1454.001.html

0引言

礦用綜合保護(hù)器是井下供電設(shè)備和用電設(shè)備的重要保護(hù)裝置，具有短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓/欠壓保護(hù)、漏電保護(hù)、絕緣監(jiān)視、風(fēng)電閉鎖、瓦斯閉鎖等功能[1]。礦用綜合保護(hù)器能否可靠運(yùn)行直接影響到井下人員的人身安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。為了保證煤礦的安全生產(chǎn)，預(yù)防事故發(fā)生，安全生產(chǎn)和煤炭行業(yè)主管部門規(guī)定礦用綜合保護(hù)器需要定期檢測(cè)[2]。

根據(jù)保護(hù)電壓等級(jí)的不同，礦用綜合保護(hù)器可分為礦用高壓保護(hù)器和礦用低壓保護(hù)器。受某煤礦委托，筆者參與設(shè)計(jì)了一種新型礦用高壓保護(hù)器綜合測(cè)試臺(tái)。該測(cè)試臺(tái)能模擬高壓開關(guān)運(yùn)行中的各種故障，通過(guò)高壓保護(hù)器的動(dòng)作，對(duì)高壓保護(hù)器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，節(jié)省了返廠檢測(cè)費(fèi)用和時(shí)間，大大提高了工作效率。該煤礦現(xiàn)有供電設(shè)備以BGP9L系列高壓真空開關(guān)為主，與該系列開關(guān)配套的為ZBT-11高壓保護(hù)器。因此，新型礦用高壓保護(hù)器綜合測(cè)試臺(tái)以ZBT-11高壓保護(hù)器為例進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)效果良好。該測(cè)試臺(tái)可兼容其他型號(hào)的高壓保護(hù)器。

1測(cè)試臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案

新型礦用高壓保護(hù)器綜合測(cè)試臺(tái)選用S7-300系列PLC作為控制器，結(jié)合以組態(tài)王為基礎(chǔ)開發(fā)的監(jiān)控界面，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度較高，對(duì)測(cè)試人員的專業(yè)技術(shù)要求低。測(cè)試臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中V1為帶有RS485接口的三相數(shù)字電壓表,V2和V3為帶有4～20 mA接口的數(shù)字電壓表,A為帶有4～20 mA接口的數(shù)字電流表,S為帶有RS485接口的智能數(shù)字電秒表。

圖1　新型礦用高壓保護(hù)器綜合測(cè)試臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

測(cè)試臺(tái)各部分電路均采用模塊化設(shè)計(jì)，按功能可劃分為電壓試驗(yàn)電路、電流試驗(yàn)電路、漏電試驗(yàn)電路和非電量試驗(yàn)電路。電壓試驗(yàn)電路主要檢測(cè)高壓保護(hù)器對(duì)過(guò)壓信號(hào)、欠壓信號(hào)的動(dòng)作情況；電流試驗(yàn)電路主要檢測(cè)高壓保護(hù)器對(duì)短路信號(hào)、過(guò)流信號(hào)、過(guò)載信號(hào)的動(dòng)作情況；漏電試驗(yàn)電路主要檢測(cè)高壓保護(hù)器在零序過(guò)壓信號(hào)、零序過(guò)流信號(hào)和絕緣電阻降低情況下的動(dòng)作情況；非電量試驗(yàn)電路主要檢測(cè)高壓保護(hù)器的風(fēng)電閉鎖和瓦斯閉鎖功能。電源為可選模塊，根據(jù)高壓保護(hù)器電源類型的不同而更改、添加。各模塊之間通過(guò)PLC的控制相互聯(lián)系，密切配合，很好地模擬了設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的各種故障信號(hào)。

在進(jìn)行測(cè)試之前，操作人員根據(jù)被測(cè)高壓保護(hù)器內(nèi)部設(shè)定值，在監(jiān)控界面相應(yīng)區(qū)域輸入各項(xiàng)整定值，在不改變高壓保護(hù)器內(nèi)部參數(shù)的情況下，檢測(cè)高壓保護(hù)器的工作狀況。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，PLC通過(guò)控制信號(hào)發(fā)生裝置，實(shí)現(xiàn)各故障信號(hào)的產(chǎn)生和配置。

測(cè)試臺(tái)還配有數(shù)字電秒表。在測(cè)試過(guò)程中，電秒表記錄從故障信號(hào)產(chǎn)生到高壓保護(hù)器發(fā)出動(dòng)作信號(hào)所用的時(shí)間，作為判斷高壓保護(hù)器運(yùn)行狀況的依據(jù)。測(cè)試臺(tái)選用具有觸摸功能的工業(yè)一體機(jī)作為上位機(jī)，其具有數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)查詢功能，還可與打印機(jī)連接，根據(jù)需要打印測(cè)試數(shù)據(jù)。

2測(cè)試臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

2.1電源及電壓試驗(yàn)電路

現(xiàn)有的高壓保護(hù)器電源主要有2種形式：① 共用電源接口和電壓信號(hào)輸入接口，即在高壓保護(hù)器內(nèi)部集成整流、濾波、穩(wěn)壓電路；② 具有獨(dú)立的電源接口，需要為其提供匹配的電源。本文中測(cè)試臺(tái)可兼容這2種形式的高壓保護(hù)器。以ZBT-11高壓保護(hù)器為例，其電源和電壓信號(hào)接口是共用的，額定電壓為AC100 V。

由于電壓等級(jí)的差異，高壓保護(hù)器不能直接讀取電路中的電壓信號(hào)。高壓保護(hù)器的電壓信號(hào)接口都是通過(guò)電壓互感器接入主回路，標(biāo)準(zhǔn)的電壓互感器輸出為AC100 V。測(cè)試臺(tái)輸入電源為三相AC380 V，電源電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)定制的輸入為AC380 V、輸出為AC0～150 V的電動(dòng)三相調(diào)壓器轉(zhuǎn)換為高壓保護(hù)器所需的工作電壓。在試驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器，可以產(chǎn)生過(guò)壓和欠壓信號(hào)。

2.2電流試驗(yàn)電路

高壓真空開關(guān)正常工作時(shí)，輸入高壓保護(hù)器的電流信號(hào)為0～5 A。參照GB 8286—2005對(duì)礦用高壓真空開關(guān)短路和過(guò)載信號(hào)的規(guī)定，設(shè)計(jì)了0～50 A可調(diào)電流發(fā)生器。電流試驗(yàn)電路如圖2所示。電流發(fā)生器二次側(cè)通過(guò)50∶5的精密電流互感器TA1，接入到測(cè)試臺(tái)儀表盤上的電流表，同時(shí)該電流表產(chǎn)生4～20 mA信號(hào)。該信號(hào)接入PLC，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)電流信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。考慮到電流發(fā)生器不能開路運(yùn)行，在電流發(fā)生器和高壓保護(hù)器之間加入自鎖繼電器KA1。在進(jìn)行電流試驗(yàn)時(shí)，KA1閉合，將電流信號(hào)接入高壓保護(hù)器；不進(jìn)行電流試驗(yàn)時(shí)，KA1常閉觸點(diǎn)接通電流發(fā)生器的輸出端，以防止誤操作而損害電流發(fā)生器。

圖2　電流試驗(yàn)電路

2.3漏電試驗(yàn)電路

高壓保護(hù)器通過(guò)采集零序電壓和零序電流信號(hào)，判斷當(dāng)前是否處于漏電狀態(tài)[3]。為了防止誤動(dòng)作，高壓保護(hù)器內(nèi)部增加了漏電方向保護(hù)功能，只有在零序電壓和零序電流同時(shí)存在且方向正確時(shí)，高壓保護(hù)器內(nèi)部的漏電保護(hù)功能才能啟動(dòng)[4]。

在實(shí)際運(yùn)行中，零序電壓整定值一般都比較低。為了提高零序電壓的控制精度，需要先產(chǎn)生一定倍數(shù)的電壓信號(hào)，再經(jīng)變壓器接入高壓保護(hù)器中。為了適應(yīng)不同類型的高壓保護(hù)器，設(shè)計(jì)了零序電流發(fā)生器。圖3為漏電試驗(yàn)電路。

圖3　漏電試驗(yàn)電路

以ZBT-11高壓保護(hù)器為例，首先經(jīng)單相調(diào)壓器產(chǎn)生5倍的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)變比為220∶44的變壓器接入高壓保護(hù)器零序電壓輸入端。零序電流發(fā)生器產(chǎn)生的零序電流信號(hào)與輸入該發(fā)生器的電壓成正比，PLC通過(guò)采集電壓信號(hào)即可計(jì)算出零序電流信號(hào)值。

測(cè)試臺(tái)中零序電流和零序電壓可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，能夠模擬多種故障狀態(tài)下的零序電壓和零序電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓保護(hù)器漏電保護(hù)性能的全面檢測(cè)。

2.4非電量試驗(yàn)電路

為了更好地模擬礦用高壓保護(hù)器的運(yùn)行環(huán)境，在高壓保護(hù)器外圍添加了風(fēng)電閉鎖、瓦斯閉鎖和絕緣監(jiān)視等按鈕。

2.5PLC模塊

測(cè)試臺(tái)控制器選用S7-300系列PLC，其抗干擾能力強(qiáng)，易于維護(hù)。選用6ES7 314-1AG14-0AB0型CPU，32點(diǎn)DC24 V擴(kuò)展的321系列數(shù)字量輸入模塊、322系列數(shù)字量輸出模塊，以及14位高速瞬時(shí)值轉(zhuǎn)換的331系列模擬量輸入模塊。

3測(cè)試臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

3.1PLC軟件

PLC控制電流、電壓及漏電故障信號(hào)的產(chǎn)生，并通過(guò)監(jiān)控界面和各儀表將故障信號(hào)顯示出來(lái)。此外，PLC還會(huì)讀取高壓保護(hù)器的動(dòng)作信號(hào)，利用內(nèi)部算法判斷該動(dòng)作是否符合整定要求。

上位機(jī)安裝了STEP7 V5.5軟件，用于PLC程序的編寫、修改及對(duì)PLC運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。PLC程序由梯形圖指令和語(yǔ)句表指令配合編寫，主要包括主程序模塊、電壓試驗(yàn)?zāi)K、電流試驗(yàn)?zāi)K、漏電試驗(yàn)?zāi)K、復(fù)位與計(jì)時(shí)模塊、公共數(shù)據(jù)模塊、電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)模塊、電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)模塊、漏電試驗(yàn)數(shù)據(jù)模塊等。PLC程序充分考慮了用戶的體驗(yàn)，測(cè)試臺(tái)操作簡(jiǎn)單方便，測(cè)試人員選擇好高壓保護(hù)器型號(hào)，設(shè)定好試驗(yàn)項(xiàng)目和整定值，調(diào)節(jié)旋鈕產(chǎn)生需要的故障信號(hào)值后，測(cè)試臺(tái)會(huì)自動(dòng)判斷高壓保護(hù)器相應(yīng)動(dòng)作的性能。

在測(cè)試過(guò)程中，PLC通過(guò)各個(gè)模塊采集大量數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信電纜讀取監(jiān)控界面中的設(shè)定值。在數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算過(guò)程中又會(huì)產(chǎn)生大量附加數(shù)據(jù)，為了防止數(shù)據(jù)管理出現(xiàn)混亂，使程序更加清晰，給每一項(xiàng)試驗(yàn)添加了各自專用的數(shù)據(jù)塊。

PLC采用循環(huán)掃描方式對(duì)程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其掃描周期由指令數(shù)目和CPU執(zhí)行每條指令所用的時(shí)間決定[5]。為了減少PLC因串行工作產(chǎn)生的延時(shí)，提高PLC對(duì)故障信號(hào)和高壓保護(hù)器動(dòng)作信號(hào)的響應(yīng)速度，在程序中加入了立即操作指令。

為了保證高壓保護(hù)器的正常運(yùn)行，減少長(zhǎng)時(shí)間工作在故障狀態(tài)下對(duì)高壓保護(hù)器帶來(lái)的損害，當(dāng)高壓保護(hù)器發(fā)出故障保護(hù)信號(hào)后，相應(yīng)的故障信號(hào)會(huì)被立即切除。

3.2監(jiān)控界面

測(cè)試臺(tái)監(jiān)控界面以組態(tài)王為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。組態(tài)王充分利用了Windows的圖形編輯功能，為用戶提供了豐富的圖形元素，還具有報(bào)警窗口、趨勢(shì)曲線和報(bào)表功能，使用戶能方便地繪制監(jiān)控界面，并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)[6]。豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式是組態(tài)王的另一大特點(diǎn)，能與多種型號(hào)的PLC、板卡、變頻器、智能模塊、智能儀表等進(jìn)行通信。

在測(cè)試前，試驗(yàn)人員需要選擇高壓保護(hù)器的型號(hào)、檢測(cè)項(xiàng)目、額定電壓值及每項(xiàng)試驗(yàn)中高壓保護(hù)器內(nèi)部的設(shè)定值。監(jiān)控界面如圖4所示，其中數(shù)據(jù)顯示窗口為高壓保護(hù)器設(shè)定值的輸入?yún)^(qū)域，試驗(yàn)人員可根據(jù)高壓保護(hù)器的具體情況輸入相應(yīng)的設(shè)定值。試驗(yàn)結(jié)束后，單擊“畫面復(fù)位”按鈕，可清除監(jiān)控界面中的故障信號(hào)。

圖4　監(jiān)控界面

PLC與上位機(jī)之間通過(guò)MPI電纜連接，在實(shí)現(xiàn)通信前，需要在組態(tài)王的設(shè)備配置向?qū)е羞x擇S7-300(MPI)并配置好端口、地址及通信參數(shù)。

測(cè)試臺(tái)選用的三相電壓表和數(shù)字電秒表都具有RS485接口，其通信協(xié)議為ModbusRTU。三相電壓表和數(shù)字電秒表經(jīng)UT-2201型RS485轉(zhuǎn)RS232接口與上位機(jī)相連，將電壓信號(hào)和動(dòng)作時(shí)間傳送給監(jiān)控界面。

4測(cè)試臺(tái)功能驗(yàn)證

以ZBT-11高壓保護(hù)器電流保護(hù)功能為例進(jìn)行測(cè)試臺(tái)功能檢測(cè)。按照該煤礦要求設(shè)置整定參數(shù)：額定電流為100 A；過(guò)流整定倍數(shù)為1.2倍，保護(hù)時(shí)間為1.0 s；過(guò)載整定倍數(shù)為1.0倍，保護(hù)時(shí)間為8.0 s。表1為電流保護(hù)功能檢測(cè)結(jié)果，當(dāng)測(cè)試臺(tái)提供120 A過(guò)流信號(hào)時(shí)，高壓保護(hù)器的動(dòng)作時(shí)間為2.5 s，遠(yuǎn)大于設(shè)定值。在實(shí)際應(yīng)用中，該高壓保護(hù)器無(wú)法及時(shí)切斷過(guò)流線路，造成極大的安全隱患。因此，測(cè)試臺(tái)判定該保護(hù)器的過(guò)流保護(hù)功能存在異常。

表1　測(cè)試臺(tái)過(guò)流保護(hù)功能檢測(cè)結(jié)果

由于高壓保護(hù)器之間存在差異，高壓保護(hù)器中各元件的精度也不同，根據(jù)高壓保護(hù)器出廠規(guī)定，允許高壓保護(hù)器存在±5%的誤差。測(cè)試臺(tái)對(duì)于其他保護(hù)功能的檢測(cè)與之類似，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓保護(hù)器所設(shè)保護(hù)功能的逐一檢測(cè)，判定每一項(xiàng)保護(hù)功能是否完好。

測(cè)試臺(tái)特點(diǎn)：① 測(cè)試臺(tái)產(chǎn)生的故障信號(hào)穩(wěn)定，精確度高；② 相關(guān)硬件的運(yùn)行情況可通過(guò)圖形或表格形象、直觀地顯示在監(jiān)控界面中；③ 在進(jìn)行不同試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)控界面中能夠顯示當(dāng)前進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目及操作臺(tái)上的各種儀表，不會(huì)因?yàn)樵囼?yàn)狀態(tài)不明確而造成誤操作；④ 高壓保護(hù)器動(dòng)作后，監(jiān)控界面中會(huì)立即有報(bào)警信息提示，同時(shí)顯示故障原因及動(dòng)作時(shí)刻的故障信號(hào)值，方便測(cè)試人員分析高壓保護(hù)器的狀態(tài)；⑤ 測(cè)試臺(tái)軟件具有自動(dòng)保存、數(shù)據(jù)查詢和打印等功能，測(cè)試人員可隨時(shí)查詢和打印所需數(shù)據(jù)。

5結(jié)語(yǔ)

新型礦用高壓保護(hù)器綜合測(cè)試臺(tái)用于檢測(cè)礦用高壓保護(hù)器工作性能,可檢測(cè)多種型號(hào)的礦用高壓保護(hù)器，并能快速、準(zhǔn)確地判斷高壓保護(hù)器的故障。該測(cè)試臺(tái)已在某煤礦現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行，效果良好。

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Design of a new type of integrated test bench for mine-used high-voltage protector

HUANG Hesong,BI Zhongsi,XUE Lin,ZHANG Xiangyang

(College of Electrical and Automation Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Abstract:A new type of integrated test bench for mine-used high-voltage protector was designed. The overall structure and design schemes of software and hardware of the test bench were introduced. Fault signals are provided by the test bench which takes S7-300 PLC as a controller such as short-circuit current, over current, under-voltage, over-voltage, zero sequence over-voltage, zero sequence over-current and so on. Fault information, test items and relative hardware running status are displayed on monitoring interface of upper computer so as to detect performance of high-voltage protector quickly. Function of the test bench was tested by taking current protection function test of ZBT-11 type high-voltage protector as an example. The test result shows that the test bench can detect faults of high-voltage protector quickly and accurately. The practical application verifies perfect effect of the test bench.

Key words:mine-used high-voltage protector; integrated test bench; fault detection

文章編號(hào)：1671-251X(2016)07-0001-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.001

收稿日期：2015-12-21；修回日期：2016-05-19；責(zé)任編輯：李明。

基金項(xiàng)目：山東省高校礦山安全檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(011542202)。

作者簡(jiǎn)介：黃鶴松(1972-)，男，江蘇啟東人，教授，博士，現(xiàn)主要從事煤礦自動(dòng)化及監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與實(shí)踐工作，E-mail:huang_sust@163.com。通信作者：畢忠思(1988-)，男，山東萊蕪人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芗夹g(shù)與自動(dòng)化裝置，E-mail:bizhongsi@126.com。

中圖分類號(hào)：TD61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-07-05 14:54

黃鶴松，畢忠思，薛琳，等.一種新型礦用高壓保護(hù)器綜合測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(7)：1-4.