防卡跳保護在雙導電器滑觸線上的應用研究

周勁松

(國能徐州發電有限公司，江蘇 徐州 221166)

1 概況

目前，安全滑觸線廣泛用于給固定行駛軌道的各種運輸、起重、轉運等移動機械設備進行供電，如軌道抓斗機、行吊、門式起重機、入廠煤采制樣機、葉輪給煤機、斗輪堆取料機等。安全滑觸線與裸滑觸線相比，安全滑觸線導體外都有絕緣護套保護，防護外殼為工程塑料和鋁塑合金型兩種材料，導體為鋁合金(內鑲不銹鋼條)或純銅。因其不受雨雪霜凍影響，適用于露天、水霧、酸霧、導電粉塵等較差環境。

安全滑觸線包括單極鋁滑觸線、單極銅滑觸線、多極管式安全滑觸線、無接縫安全滑觸線等形式，主要由兩部分組成：滑線導軌(固定部分，與電源相接)與導電器(滑動部分，可在滑線軌道或內滑動與銅條接觸取電，導電器用于與移動設備相連)。導電器安裝在導電器撥叉上，導電器撥叉安裝在運動的設備上，隨設備移動，導電器上電刷在滑觸線內移動，從而實現不間斷供電。安全滑觸線系統一般由四條單極滑觸線組合為三相四線制供電的滑觸線系統，相間距為80 mm。此外，常用的還有三相三線制、三相五線制系統。圖1為典型的安全滑觸線安裝結構。

圖1 滑觸線安裝結構

2 故障分析

長滑線導軌由單長4 m/根或6 m/根，使用連接器連接而成。較長的滑觸線系統要考慮熱脹冷縮帶來的影響，在不使用膨脹部件時，系統的長度最大可達到200 m，如果系統長度超過200 m，每100 m要安裝一個膨脹器。由于每根滑線導軌間都有連接間隙以及設備運行的軌道間也存在收縮縫，受天氣變化、自然老化、安裝質量、維護保養等方面的影響，滑線導軌和設備行駛軌道逐漸產生一些較大的間隙，導電器在經過滑線導軌間隙或設備經過軌道間隙時會出現卡跳等情況，造成導電器與滑線導軌瞬間分離，嚴重時會導致電刷脫落或跳出滑線導軌。

滑觸線導電器的使用一般分為單導電器和雙導電器，即導電器與每相滑線導軌接觸取電為單組或雙組。

(1) 單導電器滑觸線。單導電器滑觸線的導電器因間隙處卡跳，會與滑線導軌瞬間分離，造成導電器及設備瞬間的單相失電，其后果：一是控制回路元件失電復位，可能造成控制邏輯紊亂；二是產生沖擊電流和高電壓(一些三相電系統會因缺相造成中性點偏移)。由于故障時間短，對于行車等簡單控制電氣設備的控制回路元件影響不大，但對于一些控制復雜的設備，特別是包含微機或可編程序控制器(PLC)的設備，如螺旋卸車機、葉輪給煤機、入廠煤采制樣機等，其微機或PLC受到瞬間停電沖擊的影響較大，往往會造成設備的損壞。

單導電器滑觸線的導電器因間隙處嚴重卡跳，導致電刷脫落或跳出滑線導軌，導電器及設備單相失電，如果控制電源未接在失電相，則可能導致三相負載設備在缺相情況下繼續運行，造成設備毀壞的嚴重后果。

單導電器滑觸線出現瞬間失電的頻率較高，供電可靠性低，在電刷脫落或跳出滑線導軌后，只能依靠普通的缺相保護電路實現停機，避免滑導線嚴重損壞。

(2) 雙導電器滑觸線。雙導電器滑觸線結構見圖2，在一導電器某相的電刷因間隙處卡跳與滑線導軌瞬間分離時，另一導電器同相的電刷與滑線導軌繼續保持接觸，以保證可靠供電，而不會出現瞬間失電現象。因此，雙導電器滑觸線供電比單導電器滑觸線更為可靠。

圖2 雙導電器滑觸線構造

雙導電器滑觸線在應用中存在一個較大的安全隱患。當導電器卡跳嚴重時，即滑觸線雙導電器某相的電刷脫落或跳出滑線導軌的絕緣護套外，由于另一個導電器同一相保持正常供電，移動機械設備將繼續行駛，電刷脫落或跳出滑線導軌的導電器就會刮碰滑線導軌的絕緣護套及吊架夾、固定架等，造成滑觸線嚴重損壞，而普通的缺相保護電路無法檢測出該故障。

3 解決方案

雙導電器滑觸線在使用上的可靠性遠高于單導電器滑觸線，因此，針對其在應用中的安全隱患，通過增加電流測量、比較電路等措施及時發現導電器掉電故障，實現對設備進行保護停機，確保安全使用。設計原理為在雙導電器滑觸線導電器的引線電纜上增加電流互感器，所有電流互感器通過各自的電流變送器將電流量的變化信號送到PLC，由內置程序判斷是否有導電器掉電的情況，并及時停止設備。

以一相滑觸線為示例，雙導電器為該滑觸線上兩個接觸點，電源通過導電器1、導電器2為設備供電，如圖3所示。如果是兩相及以上的滑觸線，增加相應的電流互感器和變送器，其信號同樣送入PLC，由PLC程序統一進行比較和判斷，控制負載的運行或停止。

圖3 滑觸線的保護控制原理

在設備正常狀態下，導電器1、導電器2都會有電流通過，電流互感器感應導線電流并以一定的比例關系輸出，一般輸出為標準的0～5 A或0～500 mA交流電流信號，并送入變送器，變送器將該信號轉變為4～20 mA或0～10 V直流信號送入PLC，PLC內部通過事先設計的程序進行比較和判斷。一旦檢測到某個輸入點的值為零，即輸出比較邏輯值，經延時后，該值若依然為零，則判斷為該點對應的導電器掉電，輸出控制信號停止設備運行。延時時間可以設定在0.5～1 s，能躲過導電器因間隙處卡跳與滑觸線瞬間分離的時間即可，這樣不僅可以避免單個導電器瞬間卡跳的影響，保證設備的穩定性，又可防止導電器跳出滑觸線絕緣護套造成的嚴重后果。

電流互感器的選用應根據設備負載電流的大小合理選配，安裝和接線應符合安全要求，有可靠的接地，并保證二次回路不得開路，以免開路產生高電壓造成設備損壞或危及人身安全。變送器輸出信號可以選用4～20 mA或0～10 V，與PLC的輸入端口要求一致。電流互感器和變送器可以采用功能合一的穿孔電流變送器。

大型組合結構的電氣設備，存在三相不對稱電流，零線滑觸線也需要將電流信號傳入PLC，用于判斷零線導電器失電故障，相比于相線的電流互感器，應采用小電流的電流互感器。

控制邏輯一般在原設備PLC上進行改造，滿足有足夠的模擬量輸入點即可，否則需新增一臺PLC。如果不使用PLC設備，可以采用繼電器控制方式替代，其電路原理與PLC內部設計的程序一致。由于滑導線導電器故障出現時并未中斷供電，所以，在PLC輸出一個控制信號將設備負載停止運行的同時，可以將指令通過指示燈、顯示器、觸摸屏、蜂鳴器等方式顯示或觸發報警，提醒操作人員及時發現和消除故障。

4 應用實例

某電廠2臺入廠煤采制樣機采用雙導電器滑觸線，由于使用年限較長，逐漸出現行走軌道間隙較大和滑導線安裝質量問題，經常出現滑導線撞壞故障，以至于維護人員將滑觸線一導電器拆除，改為單導電器滑觸線。使用單導電器滑觸線后，滑導線撞壞缺陷基本消除，但由于導電器因間隙處卡跳，造成采樣過程中頻繁出現失電停機現象，需上電重啟，嚴重影響作業效率，甚至出現PLC、上位機板件燒毀故障。經過詳細觀察、分析和研究后，采用上述方案進行實施。

雙導電器滑觸線一般在導電器處將每相兩個導電器電纜并聯后引至控制柜。改造首先在導電器至控制柜之間增加一路電纜，將每相兩個導電器分別接入兩路電纜，形成并聯電纜狀態。理論上并聯電纜平均分配總電流，僅因電纜本身微小的阻抗差略有偏差，滑觸線的雙導電器與滑線導軌正常接觸情況下，不會出現兩路電流差距過大或一路有電流而另一路電流為零的情況，這也是設計的理論基礎。

原入廠煤采制樣機的PLC為Modicon TSX Quantum 系列，CPU為140 CPU31110，配套一塊模擬量輸入模塊Modicon TSX Quantum 140 ACI04000。現場檢查該模塊有足夠的冗余通道，無需增裝模擬量輸入模塊。

由于采樣機總功率61.7 kW，運行最大負載一般不超過50 kW，故三相電源相線電流監測采用6個CZCL-I-A7-P1-O4-φ38單相穿孔電流變送器，電源零線電流監測采用2個CZCL-I-A3-P1-O4-φ38單相穿孔電流變送器。CZCL-I-A7系列輸入高限為100 A AC，CZCL-I-A3輸入高限為10 A AC，輸出都為4～20 mA DC信號，供電電源為DC 24 V，精度為0.5 %。將電源電纜依次穿過穿孔電流變送器，實現單相電纜電流監測。

電流比較判斷、故障輸出程序編制。比較回路為各相兩路間電流相互比較，采用COMPARE (比較兩個整數)模塊來執行。程序設計要考慮僅控制回路或單相負載運行時，存在一相或兩相無電流的狀態，需篩選排除此正常狀態。因此，程序采用兩個比較模塊通過“與”邏輯的方式進行篩選。在某一相中，當前一個COMPARE判斷一側有電流，后一個COMPARE判斷另一側無電流時，“與”條件成立，即導電器出現一側失電。兩個COMPARE模塊分別設置為電流數值大于100和小于等于3，作為有電和無電的條件，以數值100為例，對應的實際相電流值為0.1 A，實際零電流為0.01 A。當某一相中的兩路導電器電流數值大于100或小于等于3時，即為正常的有電和無電狀態，比較回路不動作。比較回路動作后，經時間繼電器延遲，驅動故障輸出繼電器動作，停止設備運行。延時程序主要采用TON (接通延遲)命令，延時時間設定為0.5 s。在現場測試中發現兩導電器偶然存在接觸壓力和滑導線污漬影響，可能產生電流差，故增加3 s延遲電路，避免誤動作。

5 結束語

單導電器滑觸線的導電器因間隙處卡跳引發設備瞬間失電，造成設備停止甚至損壞；雙導電器滑觸線在一導電器因間隙處卡跳與滑觸線瞬間分離時，另一導電器與滑線導軌繼續保持接觸，保證了供電的可靠性。但因雙導電器滑觸線導電器卡跳嚴重時無法及時監測斷電，從而導致設備損壞的安全隱患，影響了其推廣應用。通過增加簡單的電流測量、比較電路后，能及時發現現場故障，對設備進行保護性停機。在某電廠入廠煤采制樣機上改造實施后，實現了設備故障的及時發現與處置，提高了設備使用效率，相關措施可在采用滑觸線供電的設備上推廣使用。