1 引言
礦用隔爆型真空饋電開關(guān)（以下簡(jiǎn)稱饋電開關(guān)），適用于煤礦井下和其它周圍介質(zhì)中含有爆炸性氣體的環(huán)境中，在中性點(diǎn)不接地的三相電網(wǎng)中，作為配電總開關(guān)或分支開關(guān)之用。本文介紹開關(guān)采用智能型保護(hù)器，性能可靠，動(dòng)作準(zhǔn)確，具有欠壓、過載、短路、漏電閉鎖、選擇性漏電保護(hù)功能，并可外接遠(yuǎn)方分勵(lì)脫扣按鈕。
目前國(guó)內(nèi)饋電開關(guān)產(chǎn)品一般是由分立元器件或單片機(jī)組成的控制核心，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試?yán)щy；抗干擾能力差，故障率高，元件的分散性對(duì)保護(hù)的可靠性和穩(wěn)定性影響很大；顯示采用普通數(shù)碼管或指示燈，不直觀。國(guó)外同類產(chǎn)品也普遍采用PLC系統(tǒng)組成，工藝水平較國(guó)內(nèi)高。但是，一旦出現(xiàn)故障，維修跟不上，影響生產(chǎn)。另外，國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格極高，是國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的十倍以上。
針對(duì)這種情況，某電器有限公司開發(fā)了一種新型智能礦用隔爆型高壓真空電子饋電開關(guān)。該裝置核心采用技術(shù)先進(jìn)的工業(yè)可編程控制器PLC 和人機(jī)界面（文本顯示器及設(shè)置鍵盤），構(gòu)成的智能型綜合保護(hù)控制器，使配電裝置既可靠又安全。
2 饋電開關(guān)結(jié)構(gòu)及保護(hù)原理
饋電開關(guān)的隔爆外殼呈長(zhǎng)方形，用4只M12的螺栓與撬形底座相連，隔爆外殼上、下兩個(gè)空腔，分別為接線腔與主腔。接線腔在主腔的上方，它集中了全部主回路與控制回路的進(jìn)出線端子。主回路電源進(jìn)線端子上罩有防護(hù)板。接線腔兩側(cè)各有兩個(gè)主回路進(jìn)出線喇叭口，可引入電纜外徑為φ68～φ78的電纜。主腔由主腔殼體與前門包容組成，主要裝有主體芯架和千伏級(jí)電源控制開關(guān)，前門采用快開門結(jié)構(gòu)。
交流真空斷路器安裝在主體芯架左側(cè)上方，三根進(jìn)線直接接在斷路器的進(jìn)線端子上，三根出線則接在芯架反面的出線端子上。千伏級(jí)電源控制開關(guān)安裝在主腔右側(cè)壁上方，由連接套與主腔外的操作手把相連。過電壓吸收裝置安裝在斷路器的下方，控制變壓器、電流互感器、零序互感器安裝在主體芯架的反面，芯架正面還裝有中間繼電器、熔斷器、電抗器、變壓器，及兩個(gè)插接件用以連接前門、接線腔七芯接線端子過來的插頭和插座。
前門上裝有觀察窗、按鈕、試驗(yàn)按鈕、保護(hù)器整定按鈕、保護(hù)器、保護(hù)器電源、PLC及顯示屏等。 前門與外殼之間有可靠的機(jī)械聯(lián)鎖，當(dāng)需要打開饋電開關(guān)前門時(shí)，首先須將右側(cè)壁上的電源控制開關(guān)的手把打至斷開位置（中間位置），斷開控制電源，斷路器因控制電路失電而自動(dòng)分閘，然后擰進(jìn)閉鎖桿，使其里端進(jìn)入電源開關(guān)手把的閉鎖孔內(nèi)，將電源開關(guān)閉鎖與斷開位置，其外端才能脫離前門上的限位塊解除前門閉鎖，此時(shí)方能打開前門，前門閉合的方法與打開的程序相反，從而實(shí)現(xiàn)了饋電開關(guān)前門閉鎖后才能進(jìn)行合閘操作。
系統(tǒng)原理框圖如圖1。該配電開關(guān)的線路保護(hù)功能需在高壓互感器上采集三相電流、零序電流、一個(gè)線電壓、零序電壓、絕緣以及相敏共八路信號(hào)。這八路信號(hào)通過低壓互感器，然后經(jīng)過整流和濾波變成直流的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，最后進(jìn)入PLC 以控制斷路器的分閘輸出。
PLC 對(duì)進(jìn)入的電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，電壓計(jì)算結(jié)果大于1.2 倍額定電壓，顯示過壓，過壓保護(hù)5s 內(nèi)動(dòng)作；電壓計(jì)算結(jié)果小于0.8 倍額定電壓，顯示欠壓，欠壓保護(hù)5s 內(nèi)動(dòng)作；三相不平衡度計(jì)算結(jié)果大于0.7，顯示斷相，10～20s 內(nèi)保護(hù)動(dòng)作。電流計(jì)算結(jié)果中任何一相在6～10 倍額定電流范圍內(nèi)，顯示短路，短路保護(hù)0.08s 內(nèi)動(dòng)作；電流計(jì)算結(jié)果中任何一相在1.2～6 倍額定電流范圍內(nèi)時(shí)，顯示過載，過載保護(hù)按反時(shí)限特性動(dòng)作。若線路發(fā)生漏電故障，根據(jù)相敏及電壓信號(hào)漏電保護(hù)動(dòng)作，切斷線路。
3 控制系統(tǒng)
PLC使用和利時(shí)公司LM系列可編程控制器，LM系列PLC是和利時(shí)公司生產(chǎn)的小型一體化PLC。本應(yīng)用中CPU模塊選擇本體上集成14 點(diǎn)輸入/10點(diǎn)繼電器輸出的LM3107模塊，模擬量輸入選擇和利時(shí)公司特有的電量采集模塊LM3315模塊，它為12 位精度，完成電壓和電流采集的同時(shí)，完成功率計(jì)算。本模塊能夠滿足井下比較惡劣環(huán)境，能夠滿足中性點(diǎn)不接地的供配電系統(tǒng)供電保護(hù)要求。系統(tǒng)中顯示部件選用了和利時(shí)公司四行藍(lán)色文本屏，通過串口以Modbus RTU協(xié)議與PLC通訊，實(shí)時(shí)顯示采集值。控制系統(tǒng)配置圖見圖2。
4 控制功能
饋電開關(guān)控制系統(tǒng)通過軟件編程主要完成功能為：
a) 參數(shù)設(shè)定
額定電流：額定電流的整定范圍為100A－－－－630A。
供電電壓：供電電壓的整定范圍為660V和1140V二擋。
短路倍數(shù)：整定范圍為3－－－－10倍連續(xù)可調(diào)。
b) 漏電保護(hù)
漏電閉鎖：1140V系統(tǒng)42K閉鎖,50K恢復(fù)，660V系統(tǒng) 23K閉鎖,28K恢復(fù)。
漏電故障：1140V系統(tǒng)23K保護(hù)，660V系統(tǒng)12.2K保護(hù)。
c) 過電流保護(hù)
按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)不同實(shí)際電流/額定電流的比值確定不同的動(dòng)作時(shí)間，為了提高保護(hù)準(zhǔn)確性和靈敏性，B相與A、C相使用不同精度互感器。
d) 短路保護(hù)
在短路故障發(fā)生時(shí)，PLC得到的是一個(gè)緩慢上升的電壓信號(hào)，因?yàn)閺乃l(fā)出切斷指令到開關(guān)真正動(dòng)作，存在一個(gè)故有的“機(jī)械動(dòng)作延時(shí)”，為了使動(dòng)作值準(zhǔn)確，同時(shí)滿足不大于100 mS的時(shí)間要求，PLC的判定值一定要超前要求的動(dòng)作值，從而彌補(bǔ)了“機(jī)械動(dòng)作延時(shí)”所帶來的不良后果。
e) 模塊自檢保護(hù)
本程序具有模塊自檢功能，當(dāng)PLC出現(xiàn)故障時(shí)，本裝置具有如下保護(hù)：
PLC自診斷：當(dāng)擴(kuò)展模塊出現(xiàn)故障時(shí)， 有“模塊故障”報(bào)警畫面。
模塊供電電源丟失時(shí)，有“模擬量模塊一無電源”和“模擬量模塊二無電源”的報(bào)警畫面。
f) 性能試驗(yàn)功能
漏電試驗(yàn)：是利用繼電器外接1K電阻實(shí)現(xiàn)的。
短路試驗(yàn)：模擬電流是“額定電流”與“短路倍數(shù)”的積送內(nèi)存單元。
過載試驗(yàn)：為1.9Ie，動(dòng)作時(shí)間為60秒，因?yàn)閯?dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，為此在程序中設(shè)置了倒計(jì)時(shí)顯示。
g) 故障記憶功能：
裝置能對(duì)最近50次故障進(jìn)行記憶，并可分別報(bào)出十四種故障，包括動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作值。進(jìn)入故障記憶畫面和在內(nèi)進(jìn)行上下翻頁時(shí)具有人性化風(fēng)格，改變了過去的車轱轤轉(zhuǎn)方式。
h) 開機(jī)時(shí)間記憶功能：
本裝置能記憶“累計(jì)帶電時(shí)間”和“累計(jì)吸合時(shí)間”
除了上面羅列的基本功能本饋電開關(guān)還有漏電電阻、電壓、電流以及功率顯示功能，移動(dòng)變壓器溫度超限、瓦斯超限、高壓據(jù)動(dòng)、低壓據(jù)動(dòng)等功能。
5 結(jié)束語
本配電開關(guān)的控制系統(tǒng)以我國(guó)煤礦電氣設(shè)備特性為基礎(chǔ)，吸納了國(guó)際先進(jìn)的智能化技術(shù)和結(jié)構(gòu)形式，使用PLC控制系統(tǒng)代替分立電子元器件或單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下供電系統(tǒng)的控制、保護(hù)和計(jì)量，具有性能好、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)和開發(fā)周期快等特點(diǎn)。
另外值得注意的是LM3315模塊的特點(diǎn)，本模塊非常適合應(yīng)用到饋電開關(guān)系統(tǒng)，完全可以滿足在井下苛刻工作環(huán)境中的配電系統(tǒng)電量采集和保護(hù)要求。主要體現(xiàn)2個(gè)特點(diǎn)：
1、電量計(jì)算的功能
本模塊可以通過采集三相電的電流、電壓及各相電流之間的相位差，準(zhǔn)確地計(jì)算出配電系統(tǒng)的總有用功率和總無功功率以及功率因數(shù)。
2、過流保護(hù)
LM3315模塊對(duì)輸入電流瞬時(shí)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，過流時(shí)直接通過模塊芯片上硬件中斷控制繼電器動(dòng)作，切斷電流通路。
過流保護(hù)時(shí)間由以下3部分組成：T1：從過流信號(hào)加到輸入端子，到該信號(hào)傳輸?shù)紸D輸入端子，這部分時(shí)間主要為互感器的延時(shí)（互感器之后沒有容性濾波電路），互感器延時(shí)約為15微秒，因此這部分延時(shí)不超過0.02ms。T2：從過流信號(hào)加載到AD芯片IN+、IN-端子到該電流值被采集之后芯片引腳上輸出保護(hù)控制信號(hào)，這段時(shí)間在5ms左右（程序里面每隔4.2ms查詢一次）。T3：繼電器動(dòng)作時(shí)間。在上電后正常工作時(shí)繼電器閉合，出現(xiàn)過流時(shí)，繼電器再次釋放（release），繼電器釋放時(shí)間為2ms（典型值）。
所以模塊過流保護(hù)時(shí)間為T1+T2+T3<10ms，這在其它品牌的PLC中是不可能實(shí)現(xiàn)的，利用此模塊的饋電開關(guān)過流保護(hù)到真空斷路器動(dòng)作時(shí)間完全可以控制在30ms的時(shí)間內(nèi)，大大提高饋電開關(guān)的性能。
參考文獻(xiàn)
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