基于PLC的真空斷路器磨合控制系統

陳云芬

（天水長城開關廠有限公司，甘肅天水741018）

基于PLC的真空斷路器磨合控制系統

陳云芬

（天水長城開關廠有限公司，甘肅天水741018）

真空斷路器是當前中低壓電網中常用的開關元件，其可靠性直接影響著電網的安全運行。統計表明，影響真空斷路器可靠性的主要因素是操作機構前期運行的機械故障。出廠前對產品進行機械操作磨合試驗是提高真空斷路器可靠性的重要措施之一。為提高斷路器現場運行的可靠性，有效解決早期的機械故障，以PLC工控機等控制器件為核心，并結合其它的模塊元件，設計了其磨合試驗控制系統。

真空斷路器；機械操作；磨合；可靠性

1 引言

斷路器是指能閉合、承載以及分斷正常電路條件下的電流，也能在規定的異常電路條件（例如短路）下閉合、承載一定時間和分斷電流的機械開關器件。斷路器是電力系統中重要的開關設備，它擔負著電路的正?？刂坪凸收媳Ｗo的雙重任務。在斷路器理論研究和產品設計方面，國內外都取得了飛速的進步和發展。10kV～35kV電網中的多油和少油斷路器被真空斷路器所取代。隨著新材料的不斷開發研制和制造工藝水平的不斷提高，中壓真空斷路器應用越來越廣泛，生產廠家對真空斷路器的可靠性研究也越來越重視。斷路器的可靠性試驗包括老化試驗、磨合壽命試驗等，其中磨合壽命試驗是檢驗斷路器可靠性的重要手段。

2 可靠性原理

所謂故障，一般定義為設備、產品或零部件喪失了規定功能的狀態。從系統分析的角度來看，故障一般分為兩類：一類是由于機械電氣產品的工作條件不正常，使得機械電氣產品偏離正常功能，這類故障可通過調節參數或修復零部件進行消除并使產品恢復正常功能；另一類是功能失效，其主要表現為產品連續偏離正常功能，并且偏離程度不斷加劇，機械設備的基本功能不能保證。機械電氣產品在運行過程中出現的故障是多種多樣的，對于同一類產品，開始發生故障的時間和發生的頻率都不一樣，其具體原因要結合具體的故障現象進行具體分析。

2.1 浴盆曲線

對于某一臺設備，經過專家的大量觀察和分析，得到了其生命周期的故障率曲線，這條曲線如圖1所示，其形狀類似一個浴盆，所以通常稱之為浴盆曲線。圖中的故障率曲線沿時間軸可以分為三個部分。

Ⅰ磨合期，也稱早期故障期，表示機械電氣產品的跑合階段，這時候故障率較高。

圖1 浴盆曲線

Ⅱ正常使用期，也稱偶然故障期，表示機械電氣產品經過磨合后處于一個穩定的工作階段，是故障率最低且處于一個比較穩定狀態的階段。

Ⅲ損耗期，也稱嚴重故障期，表示機械電氣產品由于磨損、疲勞、腐蝕等已經處于老化階段，此時的故障率又開始升高。

現場運行的機械電氣產品—般都處于Ⅱ、Ⅲ階段，因此可以取浴盆曲線的一半，稱為劣化曲線，如圖2所示是產品的劣化曲線，該曲線沿縱軸也可分為3個階段。

圖2 產品劣化曲線

綠區（G）—包括浴盆曲線的正常使用階段，即故障率最低的階段，它表示產品處于良好狀態。

黃區（Y）—包括浴盆曲線Ⅲ區的初始階段，即故障率已經出現升高的趨勢，它表示產品應處于密切監視狀態。

紅區（R）—包括浴盆曲線Ⅲ區的故障率已經開始大幅度上升的階段，它表示產品已經處于極嚴重的或者危險的狀態，此時應該停止使用。

以上所描述的是機械電氣產品故障發生的一般規律，對于具體的產品，還應該結合其本身的特點來分析，最終的目的是掌握其故障發生的特點和規律，以便進行產品預維護，防止某些故障的發生，在故障發生后可進行快速診斷。

2.2 斷路器故障及解決措施

真空斷路器產品由于其核心部件操動機構等零部件是由機械傳動等部分構成的，其故障產生規律和其他機械電氣產品一樣，也符合浴盆曲線規律。其故障產生的主要原因是在產品起初的運行階段，也就是在浴盆曲線I區磨合期，由于產品及其零部件在加工過程中存在毛刺、緊固件未達到理想給定值、存在裝配應力、潤滑系統尚未進入正常狀態、電器零件參數調整不到位等因素，使得斷路器功能發揮不正?；虿环€定。根據某斷路器生產廠商對6kV－35kV真空斷路器運行質量及其故障率跟蹤統計分析，真空斷路器故障中約有70%－90%為操動機構的機械故障，而在這些故障中約有50%以上是在真空斷路器初始運行的300次分合過程中產生的。

真空斷路器經過一段時間的磨合，去除斷路器零部件的毛刺，使潤滑系統進入正常，再做一些電器件的參數調整，可使斷路器處于浴盆曲線II區即正常使用期。在投入實際運行后，開關即可工作在最佳的機械狀態。

3 機械操作磨合系統的工作原理及流程

斷路器機械操作磨合系統的工作原理就是建立斷路器現場運行模擬環境，把斷路器置于模擬的現場環境中，通過施加相應的操作電壓，驅動操動機構工作，進行分合閘動作循環，達到一定的合分閘次數，在出廠時產品機構已通過磨合期，進入穩定運行的狀態，完成解決斷路器運行前期故障問題的過程。

第一階段為參數設定階段。該階段是完成生產制造后的成品斷路器，在進入實質性機械操作磨合前，必須要根據斷路器產品的設計屬性，錄入產品的型號、規格及出廠編號作為設定磨合次數、合分閘間隔時間、選擇操作電源的基礎信息，并通過軟件導入這些信息。信息導入后，要按規定的工藝要求，設定磨合次數，應根據國家有關標準規定的真空斷路器合分閘時間要求及實際需要，輸入設定斷路器合分閘間隔時間，并依據現場運行要求和設計標準選擇斷路器操作電源。對于電源的選擇，可以通過控制元件設定由控制電源供給系統自動進行選擇。

第二階段為斷路器機械操作磨合動作執行階段。這個階段要完成的工作是磨合系統最核心的任務，就是在斷路器進入設定的磨合工位后，施加相應的操作電壓，通過操作機構使斷路器合分閘動作，并按照規定的動作順序循環到設定的合閘次數，以期發現并解決動作過程中出現的故障。在這個階段，系統通過控制模塊、進行動作控制、故障診斷、記錄并報警，提示操作人員介入，對出現故障的斷路器提交相應的處理，處理后繼續進入磨合動作，直至完成設定的磨合次數。期間，系統監控并記錄磨合過程狀態，將磨合狀態參數記錄到數據庫中。

第三階段為磨合結果輸出階段。磨合完成后，要把系統記錄的磨合記錄形成磨合報告，作為該斷路器完成該項工藝環節的結果證明，隨機轉入到下一個出廠檢測試驗環節當中。

完成上述這三個階段的工作之后，斷路器機械操作磨合系統的工作任務即告結束。

4 硬件設計

根據系統整體設計方案及各層設備應完成的的功能要求，結合斷路器磨合現場的實際工作要求，系統硬件整體結構圖如圖3所示。系統硬件主要包括工控計算機設備、打印輸出設備、核心控制模塊元件、通訊模塊元件、斷路器工位磨合間、斷路器操作電源系統、交流接觸器、中間繼電器及其他輔助元件等設備和元件。

圖3中工控機作為上位機，對系統中的所有功能性硬件和軟件進行統一調度和管理（包括通過組態工具形成的人機界面對系統進行初始化設置、設定磨合參數等），并對磨合狀態、數據通訊進行監控和管理。打印輸出設備為磨合狀態記錄及磨合報告的輸出設備。結構中使用了串口通訊和兩個信號電平轉換器，來實現上位機與下位控制模塊之間的信號電平轉換。另外，系統采用兩組共十塊通訊模塊來實現上位機與系統十個磨合工位控制器之間的通訊，采用兩組共十塊控制器（每組五塊控制器）對兩套系統電源和各磨合工位斷路器的動作分別進行控制和管理。

圖3 系統硬件整體結構圖

系統中設計有兩套電源，每套電源分別給五臺試品供給操作電源，電源電壓的供給與選擇由控制器來完成。

建立兩組十個磨合工位間，每組五個。磨合工位間是斷路器機械操作動作實現的工作場所，應提供單獨隔離的空間間隔，以便于操作人員進行接線、故障維護等工作。

5 軟件設計

根據系統需求分析，在工藝實踐中，設定斷路器機械操作磨合大約500次，以保證斷路器的機械操作性能基本穩定。根據GB1984－2003中的斷路器機械操作試驗標準中對斷路器機械壽命的要求，設置合、分閘機械動作控制順序為：（1）合－t1－分－t2；（2） 合分－t1；（3） 分－θ－合分－t1－合－t2。其中t1、t2、θ為合分閘動作的間隔時間，通常在磨合過程中設置單分單合200次、合分200次、重合閘50次。若需磨合次數更多，則按順序循環重復工作。本文描述了使用FX1N的Y14、Y15分別控制試品的合、分閘線圈，進行斷路器合分閘基礎操作的原理，其余九個工位與此相同。

在所有的機械動作順序中，PLC輸出寄存器Y14控制開關的合閘線圈和寄存器Y15控制開關的分閘線圈。系統之所以使用步進程序是因為試品在試驗過程中，從一個程序循環到另一個程序時，合閘和分閘線圈重復動作，也就是控制合分閘線圈的繼電器重復輸出，這種情況是雙線圈輸出，順序控制程序無法完成此任務，但步進程序能夠很好地完成。

圖4 磨合動作順序SFC結構圖

在圖4 SFC結構圖中，設定由S0、S20、S21、S22、S23組成步進程序SFC，由S20所在的單元實現“合－t1－分－t2”，由 S21 單元實現“合分－ t1”，由S22和S23所在單元實現重合閘程序“分－θ－合分－t1－合－t2”。其中，θ、t1、t2等參數均通過數據寄存器進行設置。軟件中電源的控制結構采用點對點控制實現，設置互鎖輸出控制。

圖5所示為步進程序框圖。程序中首先置位S0后啟動磨合操作命令，執行S20所在的單分單合操作程序，若不執行返回操作命令則程序不發生跳轉，則會進行單分單合操作程序。

程序中以合閘線圈的動作為記數基準，每動作一次記數器加1，當計數器記滿200次后程序自動置位S21并執行合分程序。若沒有接到返回命令則繼續執行合分程序，再次記數直到滿200次后通過計數器置位S22執行重合閘操作中的單分單合操作。

圖5 步進順序控制框圖

合閘繼電器每動作一次便記數1次，當合閘繼電器動作0.2S后置位S23，若沒接到返回命令則繼續執行重合閘操作的合分操作。每當合分動作0.2S后置位S22，重復循環執行S22和S23的步進程序，直到S22程序步中的計數器記滿50次后程序跳轉置位S20，并重復循環執行上述程序，直到磨合次數達到預定次數為止。在正常情況下，斷路器出廠需磨合500次，才能達到穩定可靠的狀態。

6 結束語

針對真空斷路器的特性及其應用特點，研究了中壓斷路器故障產生的規律，指出對斷路器進行出廠前的機械操作磨合試驗是提高斷路器可靠性的重要措施之一。重點介紹了中壓真空斷路器機械操作磨合系統的設計及其應用過程，系統描述了斷路器磨合系統的設計原理和工作基本流程。

［1］馬志灜.電器的理論基礎與工作原理（二高電壓部分）［M］.西安：西安交通大學出版社，2002.

［2］丁 益，裴 軍，陳愛軍.真空斷路器的發展及特點［P/OL］.高壓開關網，2007.

［3］鄧則名.電器與可編程控制器應用［M］.北京：機械工業出版社，1999.

Running－in control system of circuit breaker

CHEN Yun－fen
（Tianshui Changcheng Switchgear Factory Co.，Ltd.，Tianshui 741018，China）

The vacuum circuit breaker is a common switching element in the medium and low －voltage power network，and its reliability directly affects the safe operation of the power grid.The statistics show that the main factor that affects the reliability of vacuum circuit breaker is the early operation mechanical faults of the operating mechanism.It is one of the important measures to improve the reliability of the vacuum circuit breaker by operating the mechanical running－in test before it leaving factory.In order to improve the reliability of the circuit breaker onsite operation，the company sets up the item of the medium－voltage vacuum circuit breaker mechanical operation running－in system.

vacuum circuit breaker；mechanical operation；running－in；reliability

TM561.2

A

1005—7277（2017）03—0040—05

陳云芬（1979－），本科，工程師，主要從事高低壓電氣開關的設計和相關技術的研究。

2016－12－21