基于PLC和傳感器技術的C-GIS三工位開關控制方案的研究

2016-03-21 03:23:33廈門ABB開關有限公司福建廈門361006

電氣技術 2016年1期

林　愷（廈門ABB開關有限公司，福建廈門　361006）

林愷
（廈門ABB開關有限公司，福建廈門361006）

摘要本文以ABB UX2TE型三工位開關為列，簡述其工作原理，介紹了利用PLC和傳感器技術對三工位開關進行控制的方案。

關鍵詞：PLC；C-GIS；三工位開關；感應式接近傳感器；磁簧式傳感器

Control Solution Research on C-GIS Three Position Switch based on PLC and Sensor Technology

Lin Kai
（ABB Xiamen Switchgear Co.， Ltd， Xiamen， Fujian 361006）

Abstract This paper is based on ABB UX2TE three position switch as example， describes its working principle， and introduced the use of PLC and sensor technology to control three position switch.

Keywords：PLC; C-GIS; three position switch; inductive sensor; reed switch

中壓柜式氣體絕緣金屬封閉開關設備，簡稱C-GIS（Cubicle type Gas Insulated Switchgear），是一種用于10～35kV或更高電壓等級的一次配電系統設備。大多數C-GIS的主接線方案，并沒有采用在空氣絕緣開關柜上常見的線路側隔離與接地開關，而是在母線側設置三工位開關。三工位開關在合閘位置實現連接功能，在隔離位置實現隔離功能，需要注意的是，三工位開關在接地位置僅僅是預接地，只有當斷路器合閘后才真正實現線路側接地。這樣設計的好處在于：斷路器具有比接地開關更優秀的短路關合能力，對故障可進行更多次數的開斷和關合操作，且真空開斷不會造成SF6氣體絕緣品質的劣化。

目前，現有的三工位開關的控制器大多采用分離電路實現，元件數量較多，抗干擾性能也不好[1]。C-GIS三工位開關一般采用手動或電動操作，無論是手動還是電動操作，都需要在出廠前對三工位的位置開關進行調整。這樣做的目的，一是使三工位輸出正確的位置狀態信號供外部使用，二是在電動操作時，可通過接收三工位開關輸出的位置狀態信號，電動控制三工位開關到達目標位置。三工位開關的位置檢測多采用傳統的有觸點輔助開關，由于污染（包括霜結）及觸頭氧化現象，這種輔助開關觸頭經常會接觸不良甚至失效[2]。而使用感應式接近傳感器取代上述傳統的有觸點輔助開關作為三工位的位置開關，則可有效避免上述弊端。本文介紹一種利用可編程控制器（即PLC）和傳感器技術的控制方案，實現對三工位開關就地（或遠方）操作合閘、隔離、接地的控制。該方案具有使用元件少、抗干擾性能好、可靠性高等特點。本文以S7-224 PLC，以編程軟件STEP 7-MICO/WIN為設計平臺，編寫三工位開關的控制程序，控制對象為ABB手動/電動UX2TE型三工位開關。

1　UX2TE三工位開關簡介

1.1三工位開關結構

UX2TE型三工位開關由本體和操作機構組成，為電機驅動的軸線式開關。本體內置于充氣隔室中，利用SF6氣體絕緣，為直動的導電桿型，氣室內僅有少量可移動部件。3根拉桿同時帶動三相觸頭水平運動。操作機構外置，有手動和電動2個功能。手動與電動操作可以相互切換，并能實現互鎖。

在設計上，要求斷路器和三工位開關之間需要機械閉鎖裝置和電氣閉鎖。機械閉鎖裝置的一端位于斷路器上方，另一端位于三工位開關上的金屬擋板，僅當斷路器在分閘情況下三工位開關擋板打開，允許手動操作三工位開關。當三工位擋板打開后，斷路器無法實現手動和電動的合分閘操作。斷路器和三工位開關的電氣閉鎖，分為斷路器閉鎖三工位開關和三工位開關閉鎖斷路器兩部分。斷路器閉鎖三工位開關，是通過斷路器的合閘信號輸出到PLC 的IQ7輸入口，使斷路器的合閘時，閉鎖PLC對三工位電機的操作。三工位閉鎖斷路器，則是在斷路器的合閘閉鎖電磁鐵回路，加入三工位開關的位置接點信號，僅當三工位開關到位時，允許操作斷路器，實現閉鎖功能。

1.2三工位開關位置檢測傳感器介紹

1）感應式接近傳感器

傳統的有觸點輔助開關則由于污染、潮濕及觸頭氧化現象，經常會使輔助開關觸頭接觸不良甚至失效。利用感應式接近傳感器可有效避免此問題，其結構如圖1所示。

圖1　感應式接近傳感器結構

感應式接近傳感器由LC高頻振蕩回路、脈沖形成級和驅動輸出級組成。LC高頻振蕩器在傳感器操作面產生一個交變電磁場，當金屬物體接近傳感器操作面時，金屬物體內部會產生渦流，渦流吸收了感應式接近傳感器內振蕩器的能量，使振蕩衰減。此衰減信號傳遞到脈沖形成級，脈沖形成級將產生的脈沖信號輸入到驅動輸出級產生一個110V DC的信號。在額定工作電壓下，傳感器內的發光二極管被觸發，同時輸出被測物體的位置信號。操作人員通過觀察發光二極管，判斷傳感器操作面與被測物的距離是否調整到位。由于感應式接近傳感器比傳統的有觸點輔助位置開關檢測精度高，在實際調整時，往往僅需很少的工作量即可調整到位，而傳統的有觸點輔助位置則往往需要多次調整才能到位。在傳感器調整好后，感應式接近傳感器便能精確地將被測物的位置轉換成低電壓信號并輸出。由于感應式接近傳感器所能檢測的物體必須是金屬物體，故可在設計中，將金屬嵌入在被測物體中。

由于感應式接近傳感器密封在殼體內，可達到很高的防護等級，具有良好的電磁抗干擾能力。且傳感器無機械式觸頭，避免了觸頭因表面腐蝕、燒損導致的接觸不良等故障。另外，這種傳感器位置檢測精度高，比傳統的有觸點輔助位置開關更易于調整，且體積更小，因此對設計、安裝都極為方便。傳統檢測、輸出三工位的位置信號，需要大量的有觸點輔助位置開關，因此二次線路部分往往龐大而復雜。而使用感應式接近傳感器，二次回路部分的設計將得到極大的簡化，無需繁雜的接線。這種感應式傳感器使用壽命長，可運用于頻繁操作的場合。在C-GIS中安裝這種位置傳感器來檢測三工位開關的位置，可達到免維護、高壽命，提高了C-GIS的可靠性。

本方案在三工位位置檢測上，運用了4個感應式接近傳感器作為三工位位置檢測開關。傳感器通過檢測三工位位置，將位置信號輸出給中間繼電器。中間繼電器KA1、KA2、KA3、KA4將隔離合，隔離分，接地合，接地分信號傳遞給PLC輸入口。該方案的特殊之處在于，把隔離位置分成隔離分和接地分兩個信號，只有隔離分和接地分信號都監測到時，才能判斷三工位處于隔離位置。

2）磁簧式傳感器

磁簧式傳感器的結構如圖2所示，簧片開關包括2個密封在玻璃管中的鐵磁性簧片。玻璃管內充入惰性氣體，防止觸點被氧化。簧片表面鍍有銠或銥。

圖2　磁簧式傳感器結構

彈簧開關動作原理如圖3所示，簧片開關可由通電線圈產生的磁場觸發動作閉合，也可由N和S極的永磁鐵觸發動作閉合。磁場消失后，自身的彈性會使簧片開關斷開。

圖3　彈簧開關動作原理

本方案在三工位開關接地位置上使用了3個磁簧式傳感器，見圖4、圖5中的B5E1、B5E2、B5E3分別安裝于三工位開關的A、B、C三相接地位置。當三工位開關接地時，彈簧受壓迫，將磁鐵推出，磁鐵通過不銹鋼殼體在磁簧式位置傳感器周圍產生磁場，使傳感器簧片開關動作閉合。將B5E1、B5E2、B5E3這3個傳感器的簧片開關信號串聯在一起，就可以得到三工位開關A、B、C三相的接地信號。將此接地信號反饋給PLC的IQ0輸入口，再加上感應式接近傳感器的接地信號KA3（至PLC的IQ4輸入口），這樣共有2對接地信號傳遞給PLC。僅當PLC 的IQ0和IQ4輸入口都收到接地信號時，PLC才判斷三工位處于接地位置。通過2個三工位接地信號形成的冗余設計，增強了系統接地判斷的可靠性。

圖4　磁簧式傳感器應用實例

1.3三工位開關的功能要求

為了滿足電力設備的可靠運行，三工位開關應能實現以下功能要求：

1）通過控制直流電動機正反轉，實現開關在合閘（即隔離合）、分閘（即隔離分）、接地（即接地合）三位置的轉換。

2）在任意時刻控制電源失電后上電，三工位開關能繼續按照原先設定的位置要求到達預定的工位。

3）能實現各位置狀態之間的閉鎖。在合閘位置時，接地按鈕失效；在接地位置時，合閘按鈕失效。

4）當斷路器處于合閘位置時，不能操作三工位開關。

5）三工位開關處于手動狀態時不允許電動操作。

6）輸出一對閉鎖接點，在三工位開關動作過程中閉鎖斷路器，使斷路器不能操作。

2　電氣回路設計

C-GIS三工位開關控制回路電氣設計的一個特點是，三工位開關在每個工位，4個感應式接近傳感器中僅有2個傳感器被觸發，具體為：三工位開關在隔離合位置時，隔離合位置傳感器和接地分位置傳感器被觸發發光，并輸出驅動KA1、KA4中間繼電器給PLC的IQ2、IQ3輸入口；三工位開關在隔離分位置時，隔離分位置傳感器和接地分位置傳感器被觸發發光，并輸出驅動KA2、KA4中間繼電器給PLC的IQ1、IQ3輸入口；三工位開關在接地合位置時，隔離分位置傳感器和接地合位置傳感器被觸發發光，并輸出驅動KA2、KA3中間繼電器給PLC的IQ1、IQ4輸入口。另外，為了防止誤動作，用于控制三工位電機正反轉的PLC輸出口Q0.1和Q0.2回路之間，做了互鎖設計。

PLC各輸入輸出口設定見表1和表2。