一種新型礦用高壓保護器綜合測試臺設計

黃鶴松，　畢忠思，　薛琳，　張向陽

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島　266590)

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科研成果

一種新型礦用高壓保護器綜合測試臺設計

黃鶴松，畢忠思，薛琳，張向陽

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島266590)

摘要：設計了一種新型礦用高壓保護器綜合測試臺，介紹了該測試臺的總體結構及軟、硬件設計方案。該測試臺以S7-300系列PLC為控制器，可以產生短路、過流、欠壓、過壓、零序過壓、零序過流等故障信號，并將故障信息、試驗項目及相關硬件運行狀態顯示在上位機監控界面上，從而快速檢測高壓保護器的性能。以ZBT-11高壓保護器電流保護功能測試為例進行了測試臺功能檢測，結果表明該測試臺能夠快速、準確地檢測出高壓保護器故障。實際應用驗證了該測試臺效果良好。

關鍵詞：礦用高壓保護器； 綜合測試臺； 故障檢測

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1454.001.html

0引言

礦用綜合保護器是井下供電設備和用電設備的重要保護裝置，具有短路保護、過流保護、過壓/欠壓保護、漏電保護、絕緣監視、風電閉鎖、瓦斯閉鎖等功能[1]。礦用綜合保護器能否可靠運行直接影響到井下人員的人身安全和設備的正常運行。為了保證煤礦的安全生產，預防事故發生，安全生產和煤炭行業主管部門規定礦用綜合保護器需要定期檢測[2]。

根據保護電壓等級的不同，礦用綜合保護器可分為礦用高壓保護器和礦用低壓保護器。受某煤礦委托，筆者參與設計了一種新型礦用高壓保護器綜合測試臺。該測試臺能模擬高壓開關運行中的各種故障，通過高壓保護器的動作，對高壓保護器的運行狀態進行準確判斷，節省了返廠檢測費用和時間，大大提高了工作效率。該煤礦現有供電設備以BGP9L系列高壓真空開關為主，與該系列開關配套的為ZBT-11高壓保護器。因此，新型礦用高壓保護器綜合測試臺以ZBT-11高壓保護器為例進行驗證，試驗效果良好。該測試臺可兼容其他型號的高壓保護器。

1測試臺總體設計方案

新型礦用高壓保護器綜合測試臺選用S7-300系列PLC作為控制器，結合以組態王為基礎開發的監控界面，操作簡單，自動化程度較高，對測試人員的專業技術要求低。測試臺總體結構如圖1所示，其中V1為帶有RS485接口的三相數字電壓表,V2和V3為帶有4～20 mA接口的數字電壓表,A為帶有4～20 mA接口的數字電流表,S為帶有RS485接口的智能數字電秒表。

圖1　新型礦用高壓保護器綜合測試臺總體結構

測試臺各部分電路均采用模塊化設計，按功能可劃分為電壓試驗電路、電流試驗電路、漏電試驗電路和非電量試驗電路。電壓試驗電路主要檢測高壓保護器對過壓信號、欠壓信號的動作情況；電流試驗電路主要檢測高壓保護器對短路信號、過流信號、過載信號的動作情況；漏電試驗電路主要檢測高壓保護器在零序過壓信號、零序過流信號和絕緣電阻降低情況下的動作情況；非電量試驗電路主要檢測高壓保護器的風電閉鎖和瓦斯閉鎖功能。電源為可選模塊，根據高壓保護器電源類型的不同而更改、添加。各模塊之間通過PLC的控制相互聯系，密切配合，很好地模擬了設備運行過程中的各種故障信號。

在進行測試之前，操作人員根據被測高壓保護器內部設定值，在監控界面相應區域輸入各項整定值，在不改變高壓保護器內部參數的情況下，檢測高壓保護器的工作狀況。在整個測試過程中，PLC通過控制信號發生裝置，實現各故障信號的產生和配置。

測試臺還配有數字電秒表。在測試過程中，電秒表記錄從故障信號產生到高壓保護器發出動作信號所用的時間，作為判斷高壓保護器運行狀況的依據。測試臺選用具有觸摸功能的工業一體機作為上位機，其具有數據保存、數據查詢功能，還可與打印機連接，根據需要打印測試數據。

2測試臺硬件設計

2.1電源及電壓試驗電路

現有的高壓保護器電源主要有2種形式：① 共用電源接口和電壓信號輸入接口，即在高壓保護器內部集成整流、濾波、穩壓電路；② 具有獨立的電源接口，需要為其提供匹配的電源。本文中測試臺可兼容這2種形式的高壓保護器。以ZBT-11高壓保護器為例，其電源和電壓信號接口是共用的，額定電壓為AC100 V。

由于電壓等級的差異，高壓保護器不能直接讀取電路中的電壓信號。高壓保護器的電壓信號接口都是通過電壓互感器接入主回路，標準的電壓互感器輸出為AC100 V。測試臺輸入電源為三相AC380 V，電源電壓信號經過定制的輸入為AC380 V、輸出為AC0～150 V的電動三相調壓器轉換為高壓保護器所需的工作電壓。在試驗過程中調節三相調壓器，可以產生過壓和欠壓信號。

2.2電流試驗電路

高壓真空開關正常工作時，輸入高壓保護器的電流信號為0～5 A。參照GB 8286—2005對礦用高壓真空開關短路和過載信號的規定，設計了0～50 A可調電流發生器。電流試驗電路如圖2所示。電流發生器二次側通過50∶5的精密電流互感器TA1，接入到測試臺儀表盤上的電流表，同時該電流表產生4～20 mA信號。該信號接入PLC，實現PLC對電流信號的實時采集?？紤]到電流發生器不能開路運行，在電流發生器和高壓保護器之間加入自鎖繼電器KA1。在進行電流試驗時，KA1閉合，將電流信號接入高壓保護器；不進行電流試驗時，KA1常閉觸點接通電流發生器的輸出端，以防止誤操作而損害電流發生器。

圖2　電流試驗電路

2.3漏電試驗電路

高壓保護器通過采集零序電壓和零序電流信號，判斷當前是否處于漏電狀態[3]。為了防止誤動作，高壓保護器內部增加了漏電方向保護功能，只有在零序電壓和零序電流同時存在且方向正確時，高壓保護器內部的漏電保護功能才能啟動[4]。

在實際運行中，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，需要先產生一定倍數的電壓信號，再經變壓器接入高壓保護器中。為了適應不同類型的高壓保護器，設計了零序電流發生器。圖3為漏電試驗電路。

圖3　漏電試驗電路

以ZBT-11高壓保護器為例，首先經單相調壓器產生5倍的電壓信號，再經過變比為220∶44的變壓器接入高壓保護器零序電壓輸入端。零序電流發生器產生的零序電流信號與輸入該發生器的電壓成正比，PLC通過采集電壓信號即可計算出零序電流信號值。

測試臺中零序電流和零序電壓可以獨立調節，能夠模擬多種故障狀態下的零序電壓和零序電流信號，實現對高壓保護器漏電保護性能的全面檢測。

2.4非電量試驗電路

為了更好地模擬礦用高壓保護器的運行環境，在高壓保護器外圍添加了風電閉鎖、瓦斯閉鎖和絕緣監視等按鈕。

2.5PLC模塊

測試臺控制器選用S7-300系列PLC，其抗干擾能力強，易于維護。選用6ES7 314-1AG14-0AB0型CPU，32點DC24 V擴展的321系列數字量輸入模塊、322系列數字量輸出模塊，以及14位高速瞬時值轉換的331系列模擬量輸入模塊。

3測試臺軟件設計

3.1PLC軟件

PLC控制電流、電壓及漏電故障信號的產生，并通過監控界面和各儀表將故障信號顯示出來。此外，PLC還會讀取高壓保護器的動作信號，利用內部算法判斷該動作是否符合整定要求。

上位機安裝了STEP7 V5.5軟件，用于PLC程序的編寫、修改及對PLC運行情況的實時監控。PLC程序由梯形圖指令和語句表指令配合編寫，主要包括主程序模塊、電壓試驗模塊、電流試驗模塊、漏電試驗模塊、復位與計時模塊、公共數據模塊、電壓試驗數據模塊、電流試驗數據模塊、漏電試驗數據模塊等。PLC程序充分考慮了用戶的體驗，測試臺操作簡單方便，測試人員選擇好高壓保護器型號，設定好試驗項目和整定值，調節旋鈕產生需要的故障信號值后，測試臺會自動判斷高壓保護器相應動作的性能。

在測試過程中，PLC通過各個模塊采集大量數據，并通過通信電纜讀取監控界面中的設定值。在數據處理和運算過程中又會產生大量附加數據，為了防止數據管理出現混亂，使程序更加清晰，給每一項試驗添加了各自專用的數據塊。

PLC采用循環掃描方式對程序和數據進行處理，其掃描周期由指令數目和CPU執行每條指令所用的時間決定[5]。為了減少PLC因串行工作產生的延時，提高PLC對故障信號和高壓保護器動作信號的響應速度，在程序中加入了立即操作指令。

為了保證高壓保護器的正常運行，減少長時間工作在故障狀態下對高壓保護器帶來的損害，當高壓保護器發出故障保護信號后，相應的故障信號會被立即切除。

3.2監控界面

測試臺監控界面以組態王為平臺進行開發。組態王充分利用了Windows的圖形編輯功能，為用戶提供了豐富的圖形元素，還具有報警窗口、趨勢曲線和報表功能，使用戶能方便地繪制監控界面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態[6]。豐富的設備驅動程序和靈活的組態方式是組態王的另一大特點，能與多種型號的PLC、板卡、變頻器、智能模塊、智能儀表等進行通信。

在測試前，試驗人員需要選擇高壓保護器的型號、檢測項目、額定電壓值及每項試驗中高壓保護器內部的設定值。監控界面如圖4所示，其中數據顯示窗口為高壓保護器設定值的輸入區域，試驗人員可根據高壓保護器的具體情況輸入相應的設定值。試驗結束后，單擊“畫面復位”按鈕，可清除監控界面中的故障信號。

圖4　監控界面

PLC與上位機之間通過MPI電纜連接，在實現通信前，需要在組態王的設備配置向導中選擇S7-300(MPI)并配置好端口、地址及通信參數。

測試臺選用的三相電壓表和數字電秒表都具有RS485接口，其通信協議為ModbusRTU。三相電壓表和數字電秒表經UT-2201型RS485轉RS232接口與上位機相連，將電壓信號和動作時間傳送給監控界面。

4測試臺功能驗證

以ZBT-11高壓保護器電流保護功能為例進行測試臺功能檢測。按照該煤礦要求設置整定參數：額定電流為100 A；過流整定倍數為1.2倍，保護時間為1.0 s；過載整定倍數為1.0倍，保護時間為8.0 s。表1為電流保護功能檢測結果，當測試臺提供120 A過流信號時，高壓保護器的動作時間為2.5 s，遠大于設定值。在實際應用中，該高壓保護器無法及時切斷過流線路，造成極大的安全隱患。因此，測試臺判定該保護器的過流保護功能存在異常。

表1　測試臺過流保護功能檢測結果

由于高壓保護器之間存在差異，高壓保護器中各元件的精度也不同，根據高壓保護器出廠規定，允許高壓保護器存在±5%的誤差。測試臺對于其他保護功能的檢測與之類似，可實現對高壓保護器所設保護功能的逐一檢測，判定每一項保護功能是否完好。

測試臺特點：① 測試臺產生的故障信號穩定，精確度高；② 相關硬件的運行情況可通過圖形或表格形象、直觀地顯示在監控界面中；③ 在進行不同試驗時，監控界面中能夠顯示當前進行的試驗項目及操作臺上的各種儀表，不會因為試驗狀態不明確而造成誤操作；④ 高壓保護器動作后，監控界面中會立即有報警信息提示，同時顯示故障原因及動作時刻的故障信號值，方便測試人員分析高壓保護器的狀態；⑤ 測試臺軟件具有自動保存、數據查詢和打印等功能，測試人員可隨時查詢和打印所需數據。

5結語

新型礦用高壓保護器綜合測試臺用于檢測礦用高壓保護器工作性能,可檢測多種型號的礦用高壓保護器，并能快速、準確地判斷高壓保護器的故障。該測試臺已在某煤礦現場試運行，效果良好。

參考文獻：

[1]劉天野.礦用綜合保護器在用測試技術研究[D].太原:中北大學,2014.

[2]GB 8286—2005礦用隔爆型移動變電站[S].

[3]賀鵬.煤礦井下漏電保護技術研究[D].西安:西安電子科技大學,2011.

[4]吳慎山,蘇本慶,謝鴻鳳,等.漏電檢測與智能鑒相漏電保護器的研究[J].河南師范大學學報(自然科學版),2005,33(1):53-55.

[5]廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社,2008.

[6]韓曉新,邢紹邦,劉海燕.從基礎到實踐——PLC與組態王[M].北京:機械工業出版社,2011.

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：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；責任編輯：李明。

基金項目：山東省高校礦山安全檢測技術與系統重點實驗室支持計劃資助項目(011542202)。

作者簡介：黃鶴松(1972-)，男，江蘇啟東人，教授，博士，現主要從事煤礦自動化及監測技術的研究與實踐工作，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，研究方向為智能技術與自動化裝置，E-mail:bizhongsi@126.com。

中圖分類號：TD61

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-07-05 14:54

黃鶴松，畢忠思，薛琳，等.一種新型礦用高壓保護器綜合測試臺設計[J].工礦自動化，2016,42(7)：1-4.