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　　1引言

　　礦用隔爆型真空饋電開關（以下簡稱饋電開關），適用于煤礦井下和其它周圍介質中含有爆炸性氣體的環境中，在中性點不接地的三相電網中，作為配電總開關或分支開關之用。本文介紹開關采用智能型保護器，性能可靠，動作準確，具有欠壓、過載、短路、漏電閉鎖、選擇性漏電保護功能，并可外接遠方分勵脫扣按鈕。

　　目前國內饋電開關產品一般是由分立元器件或單片機組成的控制核心，結構復雜，安裝調試困難；抗干擾能力差，故障率高，元件的分散性對保護的可靠性和穩定性影響很大；顯示采用普通數碼管或指示燈，不直觀。國外同類產品也普遍采用PLC系統組成，工藝水平較國內高。但是，一旦出現故障，維修跟不上，影響生產。另外，國外產品價格極高，是國內同類產品的十倍以上。

　　針對這種情況，某電器有限公司開發了一種新型智能礦用隔爆型高壓真空電子饋電開關。該裝置核心采用技術先進的工業可編程控制器PLC 和人機界面（文本顯示器及設置鍵盤），構成的智能型綜合保護控制器，使配電裝置既可靠又安全。

　　2 饋電開關結構及保護原理

　　饋電開關的隔爆外殼呈長方形，用4只M12的螺栓與撬形底座相連，隔爆外殼上、下兩個空腔，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出線端子。主回路電源進線端子上罩有防護板。接線腔兩側各有兩個主回路進出線喇叭口，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電源控制開關，前門采用快開門結構。

　　交流真空斷路器安裝在主體芯架左側上方，三根進線直接接在斷路器的進線端子上，三根出線則接在芯架反面的出線端子上。千伏級電源控制開關安裝在主腔右側壁上方，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、試驗按鈕、保護器整定按鈕、保護器、保護器電源、PLC及顯示屏等。 前門與外殼之間有可靠的機械聯鎖，當需要打開饋電開關前門時，首先須將右側壁上的電源控制開關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分閘，然后擰進閉鎖桿，使其里端進入電源開關手把的閉鎖孔內，將電源開關閉鎖與斷開位置，其外端才能脫離前門上的限位塊解除前門閉鎖，此時方能打開前門，前門閉合的方法與打開的程序相反，從而實現了饋電開關前門閉鎖后才能進行合閘操作。

　　系統原理框圖如圖1。該配電開關的線路保護功能需在高壓互感器上采集三相電流、零序電流、一個線電壓、零序電壓、絕緣以及相敏共八路信號。這八路信號通過低壓互感器，然后經過整流和濾波變成直流的標準信號，最后進入PLC 以控制斷路器的分閘輸出。

圖1 系統原理框圖

　　PLC 對進入的電壓信號進行計算，電壓計算結果大于1.2 倍額定電壓，顯示過壓，過壓保護5s 內動作；電壓計算結果小于0.8 倍額定電壓，顯示欠壓，欠壓保護5s 內動作；三相不平衡度計算結果大于0.7，顯示斷相，10～20s 內保護動作。電流計算結果中任何一相在6～10 倍額定電流范圍內，顯示短路，短路保護0.08s 內動作；電流計算結果中任何一相在1.2～6 倍額定電流范圍內時，顯示過載，過載保護按反時限特性動作。若線路發生漏電故障，根據相敏及電壓信號漏電保護動作，切斷線路。

　　3 控制系統

　　PLC使用和利時公司LM系列可編程控制器，LM系列PLC是和利時公司生產的小型一體化PLC。本應用中CPU模塊選擇本體上集成14 點輸入/10點繼電器輸出的LM3107模塊，模擬量輸入選擇和利時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，完成功率計算。本模塊能夠滿足井下比較惡劣環境，能夠滿足中性點不接地的供配電系統供電保護要求。系統中顯示部件選用了和利時公司四行藍色文本屏，通過串口以Modbus RTU協議與PLC通訊，實時顯示采集值。控制系統配置圖見圖2。

圖2  控制系統配置圖

　　4 控制功能

　　饋電開關控制系統通過軟件編程主要完成功能為：

　　a) 參數設定

　　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：整定范圍為3----10倍連續可調。

　　b) 漏電保護

　　漏電閉鎖：1140V系統42K閉鎖,50K恢復，660V系統 23K閉鎖,28K恢復。

　　漏電故障：1140V系統23K保護，660V系統12.2K保護。

　　c) 過電流保護

　　按照煤炭行業標準要求，根據不同實際電流/額定電流的比值確定不同的動作時間，為了提高保護準確性和靈敏性，B相與A、C相使用不同精度互感器。

　　d) 短路保護

　　在短路故障發生時，PLC得到的是一個緩慢上升的電壓信號，因為從它發出切斷指令到開關真正動作，存在一個故有的“機械動作延時”，為了使動作值準確，同時滿足不大于100 mS的時間要求，PLC的判定值一定要超前要求的動作值，從而彌補了“機械動作延時”所帶來的不良后果。

　　e) 模塊自檢保護

　　本程序具有模塊自檢功能，當PLC出現故障時，本裝置具有如下保護：

　　PLC自診斷：當擴展模塊出現故障時， 有“模塊故障”報警畫面。

　　模塊供電電源丟失時，有“模擬量模塊一無電源”和“模擬量模塊二無電源”的報警畫面。

　　f) 性能試驗功能

　　漏電試驗：是利用繼電器外接1K電阻實現的。

　　短路試驗：模擬電流是“額定電流”與“短路倍數”的積送內存單元。

　　過載試驗：為1.9Ie，動作時間為60秒，因為動作時間較長，為此在程序中設置了倒計時顯示。

　　g) 故障記憶功能：

　　裝置能對最近50次故障進行記憶，并可分別報出十四種故障，包括動作時間和動作值。進入故障記憶畫面和在內進行上下翻頁時具有人性化風格，改變了過去的車轱轤轉方式。

　　h) 開機時間記憶功能：

　　本裝置能記憶“累計帶電時間”和“累計吸合時間”

　　除了上面羅列的基本功能本饋電開關還有漏電電阻、電壓、電流以及功率顯示功能，移動變壓器溫度超限、瓦斯超限、高壓據動、低壓據動等功能。

　　5 結束語

　　本配電開關的控制系統以我國煤礦電氣設備特性為基礎，吸納了國際先進的智能化技術和結構形式，使用PLC控制系統代替分立電子元器件或單片機，實現了對井下供電系統的控制、保護和計量，具有性能好、可靠性高、穩定性強和開發周期快等特點。

　　另外值得注意的是LM3315模塊的特點，本模塊非常適合應用到饋電開關系統，完全可以滿足在井下苛刻工作環境中的配電系統電量采集和保護要求。主要體現2個特點：

　　1、電量計算的功能

　　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，準確地計算出配電系統的總有用功率和總無功功率以及功率因數。

　　2、過流保護

　　LM3315模塊對輸入電流瞬時值進行監測，過流時直接通過模塊芯片上硬件中斷控制繼電器動作，切斷電流通路。

　　過流保護時間由以下3部分組成：T1：從過流信號加到輸入端子，到該信號傳輸到AD輸入端子，這部分時間主要為互感器的延時（互感器之后沒有容性濾波電路），互感器延時約為15微秒，因此這部分延時不超過0.02ms。T2：從過流信號加載到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控制信號，這段時間在5ms左右（程序里面每隔4.2ms查詢一次）。T3：繼電器動作時間。在上電后正常工作時繼電器閉合，出現過流時，繼電器再次釋放（release），繼電器釋放時間為2ms（典型值）。

　　所以模塊過流保護時間為T1+T2+T3<10ms，這在其它品牌的PLC中是不可能實現的，利用此模塊的饋電開關過流保護到真空斷路器動作時間完全可以控制在30ms的時間內，大大提高饋電開關的性能。

　　參考文獻

　　[1]新型礦用隔爆饋電開關智能保護器德研究[J].電氣應用，李鑫，郭鳳儀，王國強等.2005（11）：53-55.

　　[2]用于隔爆饋電開關的一種智能型低壓真空斷路器[J].煤礦機電，蔣志麗，吳建賓，馬宏.2005（5）：45-50.