一種交流220V設備電源監視器的設計及應用

馮有為，柯 昭，王 鋼，王洪偉，郝 翰

（湖北西塞山發電有限公司，湖北黃石 435000）

0 引言

當前，在工業控制領域內，許多重要控制設備在運行條件下需要長期帶電工作，而一些特殊控制設備自身由于結構原因無法建立直接的工作反饋信號，比如火電廠汽輪機危急遮斷系統中的AST 閥，在機組正常運行時AST 閥必須處在帶電狀態，一旦前后AST 閥失電（4 只AST 一般設置為串并聯結構）就會造成停機，從而對AST 閥的工作狀態實施有效監控成為重中之重。然而，現階段主要通過建立在AST 油系統上的油壓控制器來間接觀察AST 閥的工作狀態，一旦油壓控制器因取樣孔堵塞、節點失效而無法實現有效監控時，同時AST 閥的控制回路出現故障，則會造成嚴重的后果。很多現場對AST 電磁閥短路現象進行分析，找出了引起短路的幾種原因并做了相應處理，由控制回路引起的電源問題是可以克服的，但由線圈硬件方面引起的短路，在保證汽機安全穩定運行的前提下，只好先采取供電回路中增加快速熔斷器的方法加以解決，但AST 電磁閥電源回路中的開路故障問題仍待解決[1]。還有大型變頻器、控制器內部冷卻風扇，這些冷卻風扇由于嵌置在設備內部，由內置溫度傳感器控制啟停，在巡檢時很難判斷風扇是否能正常工作，一旦冷卻風扇回路存在缺陷，變頻器極易造成超溫，造成設備非停和板卡硬件損壞。因此通過完善變頻器內部通風散熱回路及報警功能，為變頻器廠家提供了改進措施，進而實現變頻器在現場的安全、穩定運行，從而為節能降耗奠定了良好基礎[2]。

與此同時，在控制系統的日常維護過程中，電源系統作為儀表及控制系統的動力系統，其故障往往影響面大，不但降低了控制系統的可靠性，甚至是造成安全實施失效，交流電源設計主要包括電氣專業的UPS 或GPS設計和儀表專業220 V 電源設計，電氣側電源設計一般配置一路UPS 和一路GPS，但從近年來的實際運行情況看還是應配置兩路UPS 更為可靠，兩路UPS 可以獨立供電，也可以并機供電，雙電源切換裝置的切換響應時間也滿足要求[3]，電源切換裝置在熱控系統電源中應用廣泛，其可靠性影響發電廠自動化系統正常運行。不同型式的電源切換裝置斷電切換時間差別較大，對于要求較高的計算機控制系統，按照國家標準要求，切換時間應不超過20 ms，保證當主電源出現故障時能自動切換到備用電源控制系統能正常工作[4]。所以工控行業高度重視整個系統的電源設計，而單體設備電源回路存在諸多薄弱環節，如存在許多類似AST 閥的重要的控制設備，這些控制設備在長期的工作過程中往往會出現因碰殼接地、絕緣降低等過流造成的短路故障，或者因就地接線柜端子松脫、電纜斷線、電磁閥接頭虛接等造成的開路故障，如果這些故障因缺乏有效的監控而未及時處理，則會對整個控制系統的正常工作造成嚴重的影響，并有可能威脅到工作人員的人身安全。通常常見的設備電源故障監視采用以下兩種方式，如圖1所示。

圖1 常見設備電源回路監視電氣原理

方式一是通過負載回路在短路時，電源接入端的空開QF 過流跳閘，導致繼電器K 線包失電，繼電器的常閉干接點閉合作為短路故障狀態輸出送至DCS 或PLC 系統的顯示終端。方式二是通過負載回路在短路時，熔斷器FU 過流熔斷，并接在熔斷器FU 的發光二極管被點亮，提醒巡檢維護人員該回路發生短路故障。這兩種設計都基于解決設備電源回路中的短路故障，并且報警方式單一，回路的開路故障缺失有效的監測。為此開發一款具備設備電源回路中開路、短路故障的狀態監測，同時具備多種報警方式的監視器成為該設計的初衷[5]。

1 設計原理

該設計方案的回路中包含有3 組監視回路：（1）正常工作監測回路；（2）短路故障監測回路；（3）開路故障監測回路。各回路獨立工作并對設備電源回路實現實時在線的監測，其工作電氣原理圖如圖2所示。

圖2 監視器電氣原理

該交流220 V 設備電控回路監視器設計的元器件包括：一組電源輸入接線柱、一組電源輸出接線柱，兩組故障狀態（短路、開路）輸出節點接線柱，帶蜂鳴器的設備開路指示燈、帶蜂鳴器的設備短路指示燈、正常工作指示燈，電壓繼電器K1、電流繼電器K2、電壓繼電器K3 和熔斷器FU。由電流繼電器K2 的常開觸點K22 和正常工作指示燈串聯構成第一路監視回路；由電壓繼電器K3 的常開觸點K32 和電壓繼電器K1 的常閉觸點K12及設備短路指示燈串聯構成第二路監視回路，由電壓繼電器K3的常開觸點K31、電壓繼電器K1的常開觸點K11和電流繼電器K2的常閉觸點K21及設備開路指示燈串聯構成第三路監視回路。第一路、第二路和第三路監視回路均從電源輸入接口處取電。電流繼電器K2采用欠電流繼電器；其動作電流值可以通過電流調整旋鈕調整電流繼電器K2的電流整定值，從而通過電流值判斷回路中存在開路或局部開路故障。

當負載設備PL處于正常工作狀態時，由于回路正常工作的電流大于電流繼電器K2的欠電流設定值，此時電流繼電器K2呈吸合狀態，其常開觸點K22閉合，這使得第一路監視回路導通，LED1綠色指示燈常亮，方便巡檢人員查閱負載設備PL是否處于正常的工作狀態。

當負載設備PL發生短路故障時，由于回路中的短路電流過大而導致熔斷器FU 熔斷，此時電壓繼電器K1 的線圈兩端的電壓會由220 V 降低至0 V，從而電壓繼電器K1 的線圈失電，其常閉觸點K12 保持閉合狀態；電壓繼電器K3 的線圈兩端的電壓維持在220 V，其常開觸點K32 閉合；從而第二路監視回路導通，LED3 點亮后紅色閃爍并伴有蜂鳴聲，以聲光報警方式告知巡檢維護人員負載設備PL發生短路故障；與此同時，短路狀態遠程輸出接口9 之間的串聯線路導通，該導通的開關量信號會傳輸至遠程DCS 系統或PLC 系統，由顯示設備實時顯示負載設備PL發生短路故障，從而對遠程的監控人員進行光字牌或彈出式報警信息提示。

當負載設備PL 發生開路故障時，電壓繼電器K1 和電壓繼電器K3 的線圈均保持有電，常開觸點K11 與K31閉合；在負載設備PL 開路時，因流過電流繼電器K2 的線圈的電流過小導致電流繼電器K2由吸合狀態轉變為釋放狀態，電流調整旋鈕10 用于調整電流繼電器K2 的電流動作值，其中電流整定值根據電流繼電器K2在設備調試階段由設備實際工作的電流值整定，電流繼電器K2的常閉觸點K21 呈閉合狀態，從而第三路監視回路導通，LED2點亮顯示黃色閃爍并伴有蜂鳴聲，以聲光報警方式告知巡檢維護人員負載設備PL 發生開路故障；與此同時，兩個開路狀態遠程輸出接口8之間的串聯線路導通，該導通的開關量信號會傳輸至遠程DCS系統或PLC系統，由顯示設備實時顯示負載設備PL發生開路故障，從而對遠程的監控人員進行光字牌或彈出式報警信息提示。該回路具有故障保持功能，即使電源回路是發生瞬間的跳動性開路后恢復正常，該監視器也會記錄該故障狀態，待人工手動確認后方能消除故障報警，為設備由于接線松動類隱患排查提供了有效證據[6]。

2 功能驗證

該監視器原理及功能測試時選用3 只額定電壓AC220～240 V，額定電流為0.11 A 風扇并聯作為負載測試（模擬干式變壓器三相鐵心冷卻風扇），工作在正常條件下，回路工作電流為0.33 A，人工將電流繼電器動作定值整定為小于0.23 A 動作，3 只風扇工作正常。正常工作狀態圖如圖3所示。

圖3 系統正常工作狀態

當回路正常工作時，設備電源回路發生突發性回路開路，模擬“B相”風扇“L線”故障斷線時，此時設備電源回路中發生局部開路無接地，熔斷器未過流燒損，“B 相”風扇停止工作，其余風扇正常工作，回路工作電流下降至0.20 A，低于電流繼電器動作值0.23 A，電流繼電器及“K2”繼電器動作，開路故障輸出節點“閉合”，開路故障報警燈點亮閃爍并伴有報警聲音輸出。故障狀態顯示如4所示。

當回路正常工作時，設備電源回路發生突發性短路，熔斷器“FU”熔斷后，系統工作電流下降至0.03 A，“K1”“K2”繼電器動作，短路故障報警，短路輸出節點“閉合”。短路路故障報警燈點亮閃爍并伴有報警聲音輸出。故障狀態顯示如5所示.。

圖4 系統開路故障狀態

圖5 系統短路故障狀態

監視器可靠性測試：當回路正常工作時，通過拔掉“K1”“K2”“K3”繼電器以及拆除電流繼電器工作電源，3 只風扇均能正常工作，說明監測裝置回路中即使局部或全部發生故障時，輸出電源均可實現穩定、可靠供電，保障設備正常運行，驗證了監視器在設備電源回路中只是充當“眼睛”的角色，能夠及時將回路中的異常工況通過聲光報警和節點狀態輸出作為信息反饋檢修維護及監盤人員，同時該監視器在負載接入方面靈活多變，既可以實現對單一設備電控回路監測也可監視多個相同類型的負載（如上述試驗采用了3個相同載荷的風扇）。如圖6所示。

圖6 監視器全故障條件下設備運轉正常

3 外觀設計

在該監視器各項功能得到充分調試驗證試驗后，為滿足工業化現場使用在電氣回路、元器件集成度，外觀造型等進行了優化設計，優化后的結構示意圖如圖7所示。

圖7 本方案結構示意

外觀設計是電氣產品研發的關鍵環節，要想真正發揮其作用就應該在研發前期一并展開，通過創新手法整合各方資源，將工程技術問題和形態造型藝術融為一體，最終達到電氣產品的實用、美觀、合理的高標準要求[7]。

4 結束語

本設計方案特點：（1）實現了對控制設備的短路和斷路故障實施有效地在線監控，以便及時發現和處理設備電控回路中的故障隱患；（2）具備故障就地聲光報警功能及遠程輸出功能，通過接入PLC 或者DCS 系統實現光字牌報警和作為故障設備相關聯設備的邏輯組態的提供邏輯判據；（3）可選負載對象廣泛，可以是電磁閥、風扇、就地測量儀表等；（4）負載接入方式靈活，可以單個設備接入也可相同類型設備并聯接入；（5）成本低廉，工作穩定可靠，監控回路結構簡單，輸入、輸出電源采用直聯接法，即使在監視裝置故障失靈條件下，負載設備供電電源也不會中斷，大大減少了實際使用過程中的故障發生率；（6）體積小，可以安裝在設備配電柜的槽鋼上，逐一設備分配，替代原來的輸出端子排使用[8]。