基于PLC的低壓二次輔助裝置的設計與實現

陳濤+賈衛

摘要：本文介紹了一種用于電力低壓進線柜二次回路的輔助裝置，此輔助裝置主要功能是為低壓進線開關合閘線圈和欠電壓脫扣器制造一個延時，使得低壓進線開關能夠更好的按照原二次回路動作。同時，此輔助裝置還能夠對低壓進線開關進出線兩端電壓的A、B、C三相進行顯示且當開關出線端缺相或斷電時聲光報警。

關鍵詞：低壓二次；PLC；輔助裝置；設計

中圖分類號：TG233.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0017-03

可靠的電力供應是保障衛星地球站節目上行中的重要環節之一。本文主要針對我站低壓進線柜開關在外電瞬間閃斷或電壓波動時，開關欠電壓脫扣器動作，但是高壓正常后，低壓開關有時會出現不自動合閘的情況，分析原因及改進方案，最終采用設計一個基于PLC的電路與原有的二次回路相結合的方法解決此問題，并添加了電壓顯示及報警功能。

1 輔助裝置實現的功能

我站使用的低壓進線柜開關是SACE公司的Megamax F系列空氣開關。此開關在使用中發現會出現當外電瞬間閃斷或電壓波動后，低壓開關有時會有不自動合閘的情況。分析開關的二次回路，同時查閱開關的說明書，發現發生這種情況的原因是開關的合閘線圈與欠電壓脫扣器之間未滿足30ms的延時，此時開關處于跳閘閉鎖狀態。要解決開關不自動合閘的問題，需要滿足一個條件，即當合閘線圈和欠電壓脫扣器共用一個電源時，欠電壓脫扣器和合閘線圈要有一個30ms以上的延時。我站的工藝低壓供電為雙電源單母線分母運行，開關分為1TM、2TM、母聯、油機四個開關組成，日常運行中1TM開關、2TM開關合閘，母聯開關、油機開關分閘，為了保證低壓開關之間的關系，確保電力可靠運行，進線開關必須要設置欠電壓脫扣器。

我站低壓開關的部分二次回路如圖1所示，此圖為低壓二次回路的合閘回路與失壓脫扣回路，由于開關能夠很好的完成失壓脫扣動作，所以本次設計針對二次合閘回路進行分析、設計。

輔助裝置的主要功能是為了解決外電閃斷或電壓波動時，低壓進線開關不自動合閘的問題。根據分析，只要保證開關的合閘線圈與失電壓脫扣器之間的上電延時（大于30mS），即可滿足要求。同時，可以依靠PLC的外接硬件及相應的軟件設計，增加開關進出線兩端A、B、C三相電壓指示和開關出線側電壓缺相或斷電報警功能。電壓顯示和報警功能能夠對日常的巡視、維護、故障判斷提供幫助。

2 設計過程

二次回路輔助的裝置在設計時，首先要考慮的是：（1）不能破壞原有的低壓二次回路，保障二次回路工作正常。（2）輔助設備使得低壓二次回路滿足欠壓脫扣器和合閘線圈的30ms以上的延時要求，使得保證低壓進線端電壓正常后低壓開關可以自動合閘，保障電力及時恢復正常。（3）電壓顯示及報警功能。

低壓二次輔助裝置基于PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）設計。主要是因為PLC采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數等操作命令，并能夠通過開關量或者模擬量輸入和輸出，方便靈活。同時PLC具有可靠性強、功能完善、易學易用等特點。

2.1 設計分析

當出現高壓瞬間閃斷或者電壓波動，造成低壓開關脫扣器動作后，即使低壓進線端電壓恢復，低壓開關卻不自動合閘時，此時開關進線端（變壓器側）電壓正常，開關出線端（負載側）無電壓。根據此現象，依據檢測開關進出線兩端電壓情況來設計輔助裝置。

日常工作中，圖1合閘回路中的萬能開關（手動、1KK、自動）處于“自動”狀態，設計的輔助裝置針對這個“自動”二次回路進行設計：將圖1中的粗線分斷，線纜將兩端分別接入一個繼電器的常閉觸點兩端，當開關的進出線兩端電壓正常時，繼電器不動作，當PLC檢測到開關進線端電壓正常而出線端無電壓時，輸出信號使繼電器動作，繼電器常閉觸點斷開，PLC內置程序使繼電器延時保持一段時間后，繼電器線圈失電，常閉觸點閉合，保證合閘回路與失壓脫扣器之間的延時要求，從而使開關完成自動合閘動作，確保負荷供電正常。

PLC輸出可以根據需要接黃色、綠色、紅色的三相指示燈，可以顯示低壓開關的進線端及出線端電壓情況，同時輸出端接24V蜂鳴器，當出線端電壓出現缺相或者斷電時報警提醒。

2.2 具體設計

此設計采用施耐德的TWIDO系列PLC型號是TWDLCDA40DRF，此PLC的特點是：供電采用24VDC，功率30W，通過串口與計算機通信進行編程等操作，具有24路開關量輸入和16路開關量輸出等。

由于PLC的輸入必須是24V的直流電，所以首先要設計一個電路將開關出線端的220V交流電轉變為24V的直流電。此電路需要變壓器、整流橋、電容、電阻。

首先測量PLC輸入端口的等效電阻約為40KΩ，所以電路的放電電阻選擇為1KΩ左右，本次選擇1.5KΩ電阻。由于選擇了較大的放電電阻，同時考慮到交流電整流、濾波后的電壓最大值為：交流有效值Χ1.414，所以采用輸入220V，輸出18V的變壓器，即當采用18V輸出的變壓器經整流、濾波電路后能夠達到的電壓最大值約為25.5V。為了保證直流信號的可用性，采集過程中不發生誤判，整流橋采用全波整流橋KBP210。為了能夠得到較大的輸出直流電壓，電容采用100μF電容（耐壓50V）。設計電路的具體電路圖如圖2所示，實際電路焊接完成后，測量其輸出端的直流電壓約為21V，滿足PLC的輸入要求。

將圖2的信號采集電路與PLC相連，PLC的輸出接24V繼電器的線圈兩端，輸出接上帶電指示燈及蜂鳴器，即可完成硬件設計，硬件的電路圖如圖3所示（針對一個低壓開關的設計）。

將設計電路圖的24V繼電器的輔助觸點接入圖1中，如圖4所示，然后對PLC進行編程，可以滿足設計的硬件要求（圖4中的加粗常閉開關是24V繼電器的常閉觸點）。

2.3 軟件設計

軟件設計過程中首先要設定使用PLC的型號，PLC與計算機的通信方式及連接方式，然后根據輸入、輸出變量的端口進行梯形圖編程工作。

圖3所示的完整設計中，各個變量的名稱和其在PLC梯形圖中的對應的變量關系如表1所示。PLC的軟件設計主要用梯型圖進行編程，軟件設計思想是當PLC輸入信號中的開關進線3個信號為1，出線3個信號變為0時，Q0.2輸出置1，即輸出接的24V繼電器線圈上電，常閉觸點斷開，延時后失電，常閉觸點閉合，完成開關的合閘線圈與失電壓脫扣器的延時要求。

PLC的延時通過PLC內部定時器%TM來實現。%TM定時器有TON（延時導通定時器）、TOF（延時關斷定時器）、TP（脈沖發生定時器）三種類型。本次設計采用TON定時器。PLC的定時器有五種時基，分別是1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、1分鐘，可通過設定值來具體設定。查看1TM及2TM的二次回路的延時繼電器延時為9秒，低壓母聯開關的二次回路的延時繼電器延時為15秒，為了保證二次回路的正常工作，設定PLC的定時器時間為1秒，同時可以滿足開關的合閘線圈與失壓脫扣裝置30ms的延時要求。

其它顯示和報警功能也通過PLC的梯型圖軟件功能實現，完整的PLC軟件程序如圖5所示。最后需要注意一個軟件小設定，為了保證PLC斷電后的自動運行程序，需要在“程序”菜單的“掃描方式”中工作模式勾選“自動運行”功能。

3 結語

該輔助裝置實現了相關功能，很好的保障了電力系統的可靠運行。通過改造的實踐工作，進一步的學習了低壓系統的二次回路及進線柜開關的工作原理，提高了維護水平和動手能力，增強了設備運行的穩定性。

同時此輔助裝置還可以連接一個上位機，通過在上位機中使用MCGS軟件，設置與PLC輸入、輸出變量對應的變量數據，對需要保留的數據進行存盤，為做好日常維護工作提供資料。endprint