基于PLC的礦井低壓柜漏電試驗(yàn)遠(yuǎn)方操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李虎

（皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司機(jī)運(yùn)部，安徽宿州，234000）

0 引言

隨著煤礦大型綜采機(jī)電設(shè)備的不斷普及，煤礦井下低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)重要性愈發(fā)突出。傳統(tǒng)的漏電保護(hù)試驗(yàn)操作，主要分兩種：一種在中央變電所或區(qū)域變電所，需要人工按“漏電試驗(yàn)”按鈕進(jìn)行漏電試驗(yàn)操作；一種在遠(yuǎn)方配電點(diǎn)，在進(jìn)行漏電保護(hù)試驗(yàn)操作時(shí)，需要漏電試驗(yàn)電工和瓦斯檢查人員配合進(jìn)行，在環(huán)境安全前提下，打開低壓配電開關(guān)殼體，將試驗(yàn)電阻連通電源某相，再進(jìn)行漏電保護(hù)試驗(yàn)。上述傳統(tǒng)漏電試驗(yàn)操作方法，不但需要大量的人力成本，而且一定程度會(huì)影響煤炭生產(chǎn)；其次對(duì)現(xiàn)場(chǎng)漏電試驗(yàn)操作人員造成一定的安全隱患。文獻(xiàn)[1]采用礦用漏電保護(hù)試驗(yàn)與遠(yuǎn)方合閘裝置，包括移動(dòng)變電站，通過低壓線路與多臺(tái)用電設(shè)備進(jìn)行電氣連接，其遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)裝置連接裝有遙控機(jī)構(gòu)；文獻(xiàn)[2-3]提出一種煤礦遠(yuǎn)方人工漏電跳閘試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)裝置連接在最遠(yuǎn)端的控制開關(guān)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)；建立漏電保護(hù)智能監(jiān)控系統(tǒng)和通電漏電試驗(yàn)保護(hù)裝置動(dòng)作特性的方法，將數(shù)據(jù)無線傳輸，分析判斷漏電保護(hù)的工作狀態(tài)。介紹一種應(yīng)用于井下高壓防爆開關(guān)的基于時(shí)序鑒別原理的高壓漏電保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析了該裝置的實(shí)用性。公開一種漏電保護(hù)裝置，該裝置能獲得良好的防水密封性能和更可靠準(zhǔn)確的漏電試驗(yàn)結(jié)果。公開了一種具有無線遙控功能的井下電網(wǎng)遠(yuǎn)方漏電保護(hù)試驗(yàn)裝置，采用載波遙控技術(shù)完成試驗(yàn)，試驗(yàn)跳閘后可以對(duì)上一級(jí)饋電開關(guān)進(jìn)行復(fù)位送電，大大減少了操作時(shí)間，提高了作業(yè)效率，但該項(xiàng)產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格較高，難以在煤礦大面積推廣應(yīng)用。上述遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作方法一定程度上達(dá)到預(yù)期效果,但是在與煤礦原有供電系統(tǒng)地對(duì)接上均存在一定的“數(shù)據(jù)孤島”現(xiàn)象。

為了達(dá)到“節(jié)員增效”，本文基于提出一種基于PLC的遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作系統(tǒng)，基于無人值守的目標(biāo)，改造現(xiàn)場(chǎng)的低壓配電開關(guān)，實(shí)現(xiàn)在地面集控后臺(tái)遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作，并能遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)復(fù)位，后臺(tái)實(shí)時(shí)記錄漏電試驗(yàn)操作記錄，在保證煤礦低壓電網(wǎng)安全性前提下，提高了煤礦的生產(chǎn)效率。

1 遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

當(dāng)變電所某一出線電纜發(fā)生破損時(shí)，漏電保護(hù)裝置判斷漏電流是否超出限定值，若超出保護(hù)限值，及時(shí)切斷電源回路，從而防止電氣故障的的進(jìn)一步擴(kuò)大，保障人身與設(shè)備安全。目前煤礦井下漏電故障的主要原因如下[2]：

(1)煤礦環(huán)境原因

敷設(shè)在井下巷道的電纜，由于煤礦井下的溫度與濕度較大，且運(yùn)行多年，井下電纜絕緣層容易出現(xiàn)老化、性能下降等問題，電纜局部存在絕緣電阻下降導(dǎo)致放電隱患與漏電，若遇瓦斯超限，極易發(fā)生爆炸，造成不可避免的傷害；同時(shí)還會(huì)因?yàn)榕及l(fā)過電壓與過電流，使得電纜部分絕緣降低處發(fā)送擊穿現(xiàn)象，從而產(chǎn)生集中性漏電現(xiàn)象。

開關(guān)設(shè)備在井下環(huán)境的長(zhǎng)期使用，接線柱等部位容易因?yàn)槌睗癍h(huán)境導(dǎo)致漏電。柜體內(nèi)部的控制變壓器、接觸器、繼電器以及線圈等內(nèi)部元件，也會(huì)因?yàn)楦髯栽驅(qū)е陆^緣惡化與漏電；低壓饋電開關(guān)中地過流繼電器，當(dāng)調(diào)整螺桿設(shè)置不當(dāng)時(shí)，也會(huì)因?yàn)閷?duì)地放電而造成漏電現(xiàn)象。

(2)人為原因

對(duì)井下電纜維護(hù)與管理不當(dāng)。比如，線纜的擺放不規(guī)范，造成電纜外皮與周邊環(huán)境長(zhǎng)期摩擦破損；或者工人工作時(shí)勞動(dòng)工具容易將電纜割傷或碰傷。此外在搬運(yùn)大型機(jī)電設(shè)備時(shí)候，對(duì)電纜保護(hù)措施不到位，造成電纜砸傷或破損漏電事故發(fā)生；開關(guān)設(shè)備檢修后，未能及時(shí)清理干凈開關(guān)內(nèi)的線頭與金屬碎片，或者將檢修工具與零件遺忘在饋電開關(guān)內(nèi)，這些額外部件極易碰到相線，導(dǎo)致送電后漏電現(xiàn)象的發(fā)生。

電纜施工接線錯(cuò)誤、電纜與設(shè)備連接芯線接頭不牢靠，封堵不嚴(yán)，壓板不緊造成接頭松動(dòng)脫落，使得相線接觸金屬外殼而導(dǎo)致漏電。對(duì)已經(jīng)受潮的電氣設(shè)備，未經(jīng)嚴(yán)格的干燥處理與對(duì)的絕緣電阻與耐壓試驗(yàn)，又投入運(yùn)行也極易導(dǎo)致漏電故障發(fā)生。

為達(dá)到節(jié)員增效目標(biāo)，可以改變傳統(tǒng)煤礦漏電保護(hù)試驗(yàn)操作慣例，通過PLC擴(kuò)展數(shù)字量輸出與輸入口，分別與現(xiàn)場(chǎng)控制執(zhí)行動(dòng)作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，使得地面監(jiān)控后臺(tái)能夠遠(yuǎn)方執(zhí)行漏電試驗(yàn)操作，完成漏電保護(hù)試驗(yàn)工作。

基于PLC的煤礦遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為三層：第一層位于地面機(jī)電集控中心，通過地面集控中心可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到井下設(shè)備的實(shí)際情況，能夠?qū)崟r(shí)掌控遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作的結(jié)果，后臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)記錄遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作事件，包括試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)開關(guān)、操作人、試驗(yàn)操作結(jié)果評(píng)估等信息；第二層是以太網(wǎng)傳輸部分。井下環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)交換機(jī)負(fù)責(zé)地面機(jī)電集控中心與現(xiàn)場(chǎng)漏電試驗(yàn)操作點(diǎn)PLC裝置的數(shù)據(jù)交互。第三層是井下二級(jí)變電所和遠(yuǎn)方配電點(diǎn)，它是煤礦井下供電的遠(yuǎn)端部分也是最需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作的地方。該系統(tǒng)主要通過現(xiàn)場(chǎng)隔爆型PLC控制柜執(zhí)行漏電試驗(yàn)操作邏輯，達(dá)到漏電試驗(yàn)操作效果，并能將實(shí)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果反饋給地面機(jī)電集控中心。

圖1 基于PLC的遠(yuǎn)方漏電保護(hù)試驗(yàn)操作系統(tǒng)平臺(tái)整體圖

2 遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作系統(tǒng)設(shè)備選型

2.1 漏電試驗(yàn)電阻選型

根據(jù)研究表明人體所能承受的最大電流與作用時(shí)間的乘積為30mA*s時(shí)，再預(yù)留一定的安全系數(shù)，即為安全值。從保護(hù)人身安全的角度出發(fā)，30mA*s就是漏電保護(hù)的一個(gè)指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)指標(biāo)，必須提高電網(wǎng)對(duì)地漏電通路的絕緣電阻。

對(duì)于中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)其人身觸電電流I觸電為

其中U相為線路的相電壓，R人體為人體電阻，R絕緣為單相對(duì)的絕緣電阻。

當(dāng)人身觸電電流I觸電≤30mA，在660V的電網(wǎng)，R絕緣≥ 35kΩ，總絕緣電阻（11.7kΩ），因此規(guī)定660V電網(wǎng)單相漏電電阻動(dòng)作值為11kΩ[5]。當(dāng)系統(tǒng)電網(wǎng)為1140V的單相漏電電阻動(dòng)作值為20kΩ；系統(tǒng)電網(wǎng)為127V的單相漏電電阻動(dòng)作值為2kΩ。

2.2 西門子PLC模塊選型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)漏電試驗(yàn)操作的諸多技術(shù)要求，控制模塊選擇西門子S7-1200系列PLC，主要PLC模塊選型響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)要求。如果僅僅需要執(zhí)行漏電試驗(yàn)動(dòng)作、復(fù)位與反饋現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)狀態(tài)，只需要擴(kuò)展數(shù)字量輸入輸出模塊；如果現(xiàn)場(chǎng)饋電開關(guān)具備智能通信功能，就可以加裝485串行通信模塊。為實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作，需要集成以太網(wǎng)接口的CPU 1214C模塊。除此之外，需要考慮地面監(jiān)控后臺(tái)微機(jī)、光電轉(zhuǎn)換裝置、隔爆型電阻箱以及用于視頻監(jiān)控的隔爆型攝像頭等其他設(shè)備，系統(tǒng)主要設(shè)備選型如下：

表1 主要設(shè)備選型表

2.3 通信平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦井下變電所與配電點(diǎn)數(shù)量眾多，除中央變電所以及部分區(qū)域大巷變電所位置固定外，絕大多數(shù)配電點(diǎn)需要根據(jù)采煤掘進(jìn)面地推進(jìn)而移動(dòng)，地理位置與距離復(fù)雜多變。由于井下多已經(jīng)完成萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)建設(shè)，僅僅需要從配電點(diǎn)擴(kuò)展一條光纖通道到環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，即可完成配電點(diǎn)饋電設(shè)備遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作的數(shù)據(jù)交互，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)上傳漏電試驗(yàn)操作點(diǎn)處的實(shí)時(shí)視頻影像。

2.4 不間斷電源設(shè)計(jì)

當(dāng)遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)正常執(zhí)行接通漏電電阻動(dòng)作時(shí)，饋電開關(guān)或者上級(jí)配電柜會(huì)執(zhí)行漏電跳閘動(dòng)作，使PLC處于短時(shí)間的無電源狀態(tài)，PLC將無法把收集到的信息傳遞給地面，因此需要在礦用隔爆兼本安型PLC控制箱中設(shè)置備用電池模塊。當(dāng)電路漏電試驗(yàn)成功執(zhí)行漏電跳閘動(dòng)作時(shí)，備用電源能夠繼續(xù)給PLC控制箱供電，保證數(shù)據(jù)處理與光電轉(zhuǎn)換設(shè)備的正常運(yùn)行，使PLC能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并上傳饋電開關(guān)的實(shí)際開關(guān)狀態(tài)。

3 遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

PLC控制箱主要分為電源、PLC控制電路、本安隔離電路、人機(jī)界面以及光電轉(zhuǎn)換五部分。電源主要作用是經(jīng)過降壓、濾波得到低壓供電電源，主要分為本安型DC24V與非本安型DC24V，給不同部件提供合適的供電電源；PLC控制主要完成信號(hào)采集與邏輯控制功能；本安隔離電路主要是滿足煤礦對(duì)本質(zhì)安全電路的需要；人機(jī)界面以及光電轉(zhuǎn)換部分能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的就地與遠(yuǎn)方交互。

磁力啟動(dòng)開關(guān)中的通信接口可以實(shí)時(shí)與PLC控制箱中的RS485模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；開關(guān)狀態(tài)擴(kuò)展點(diǎn)主要將開關(guān)狀態(tài)反饋給PLC控制箱的DI模塊；而磁力啟動(dòng)器的復(fù)位、分閘與合閘擴(kuò)展點(diǎn)可以通過PLC控制箱的DO模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制。磁力啟動(dòng)器中的單相火線通過電阻箱與PLC控制箱內(nèi)的高壓繼電器達(dá)到模擬接地操作，從而帶動(dòng)對(duì)應(yīng)饋電開關(guān)漏電跳閘。

當(dāng)?shù)孛婕睾笈_(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際電壓等級(jí)，吸合對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的漏電試驗(yàn)電阻并可靠接地，若上級(jí)饋電開關(guān)漏電跳閘，則遠(yuǎn)方漏電保護(hù)試驗(yàn)操作成功。當(dāng)完成遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作后，通過復(fù)位操作對(duì)磁力啟動(dòng)開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)方復(fù)位，保證磁力啟動(dòng)開關(guān)的正常運(yùn)行。若上級(jí)饋電開關(guān)沒有漏電跳閘，則反映了漏電保護(hù)器存在故障，提醒技術(shù)人員去現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

使用博途TIA Portal V15.1軟件以及觸摸屏軟件進(jìn)行程序模塊編寫，圖2為系統(tǒng)軟件程序框圖，其中串行通信部分針對(duì)具備智能通信功能的磁力啟動(dòng)器設(shè)計(jì)的組件，如不具備智能通信功能，則通過開關(guān)內(nèi)的擴(kuò)展DI/DO口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。繼電器選型高壓繼電器，其觸點(diǎn)最大耐壓3.3kV，根據(jù)試驗(yàn)地點(diǎn)自動(dòng)切換漏電試驗(yàn)電阻并可靠接地。遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作的結(jié)果實(shí)時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄并實(shí)時(shí)反饋給地面監(jiān)控后臺(tái)，及時(shí)提醒工作人員的遠(yuǎn)方漏電試驗(yàn)操作的結(jié)果。

圖2 軟件程序框圖