數字化電氣設備模數信號響應時間不同帶來的問題及解決辦法

王俊強

（中海石油化學股份有限公司，海南 東方 572600）

0 引 言

隨著計算機信息技術的不斷發展及單片機的廣泛應用，綜合保護繼電器及PLC等數字化電氣設備得到快速發展及廣泛應用，在電機保護、備自投（備用電源自動投入使用裝置，簡稱備自投，包括進線備自投、母聯備自投等備自投方式，均會用到綜合保護繼電器或PLC等數字化電氣設備）、電機自啟動等方面均得到了充分應用。數字化電氣設備需進行模數轉化，必定會有模擬量信號與數字量信號響應時間的不同，技術人員在現場對數字化電氣設備編程的過程中，如果未考慮到此問題，可能會帶來一些隱蔽的、時有時無的故障。以下對3起（類）數字化電氣設備模數信號響應時間不同引起的事故過程及其解決辦法進行介紹，并通過原因分析總結經驗教訓，供業內參考，希望能起到拋磚引玉的作用。

1 復位PT二次開關引起進線誤跳閘事故

1.1 事故過程

6kV配電系統單母線分段運行，備自投設計為：正常運行時單母線分段運行，當某路進線失電時，跳開相應的進線開關，合母聯斷路器。本6kV系統進線和母聯柜采用的都是廈門ABB公司的REF542plus綜合保護繼電器，其配電系統主接線如圖1。

圖1 6kV配電系統主接線示意圖

一次在拆除6kVⅠ段母線PT二次線時，線頭碰到了保護器的外殼，導致6kVⅠ段母線PT二次空開跳開；對6kVⅠ段母線PT二次空開進行恢復，在其恢復過程中，6kV1＃進線斷路器跳開。

1.2 事故原因

復位母線PT二次空開，據母聯備自投跳1＃進線邏輯（如圖2）設計本意，進線斷路器不應跳閘：第一階段，PT二次空開跳開時，“PT完好”信號為0，“1＃失壓”信號為1；第二階段，PT二次空開復位后，“PT完好”信號為1，“1＃失壓”信號為0。但實際上，在第一階段和第二階段之間還有中間階段，在PT二次空開復位瞬間，“PT完好”信號從0轉換為1，而“1＃失壓”信號未由1轉換為0，致1＃進線斷路器跳開。

圖2 母聯備自投跳1＃進線邏輯示意圖

經分析，事故原因是：“PT完好”信號是PT二次空開輔助觸點變位的數字量信號輸入轉化，“1＃失壓”信號是PT三相電壓模擬量信號輸入轉化，PT二次空開復位瞬間，模擬量輸入的“1＃失壓”信號（如圖3）變位比數字量輸入的“PT完好”信號變位慢。

“PT完好”信號為直接光耦轉化為數字信號，只有幾毫秒的抗干擾延遲，REF542邏輯掃描周期約為10ms；而“1＃失壓”信號要經模擬量板卡進行模數轉化后才輸出數字信號1供與門判斷，模擬量的采集一般需要幾百毫秒的時間。1＃進線失壓模擬量模塊“TR＜”（見圖3）相當于失壓延時繼電器，如不考慮模擬量采集時間的影響，電壓低于30%U時，延時0.9s輸出1；電壓高于30%U時，不延時瞬間輸出0。但由圖3可以看到，時間設定的區間為0.5～300s，即該模塊最小響應時間為0.5s（說明書注明），即電壓恢復正常0.5s后“1＃失壓”信號才能由1轉換為0，導致PT二次空開復位瞬間母聯備自投跳1＃進線邏輯與門條件滿足，1＃進線跳閘。

圖3 1＃進線失壓模擬量模塊示意圖

總之，由于綜合保護器“PT完好”數字量信號與“1＃失壓”模擬量信號響應時間不同，引起了復位PT二次空開時母聯備自投跳1＃進線邏輯輸出，引起1＃進線誤跳閘事故。

1.3 解決辦法

如圖4，在母聯備自投跳1＃進線邏輯中將“PT完好”信號加入上升延遲1s，即在復位PT二次空開時，備自投跳1＃進線邏輯中“PT完好”信號從0到1延遲1s，以確保“1＃失壓”信號由1轉換為了0，這樣就不會導致1＃進線跳閘，從而避免事故的再次發生。

圖4 修改后母聯備自投跳1＃進線邏輯示意圖

2 事故電機有自啟動信號卻未自啟動事故

2.1 事故過程

事故段電機自啟動邏輯由SIEMENSS7-200 PLC實現，電機馬達保護器為SIEMENS3UF7，市電失電后，發電機自啟動，低壓母線建立電壓后，PLC輸出分批自啟動數字信號給低壓電機馬達保護器，馬達保護器輸出電機接觸器吸合信號。但在本次事故中，有1臺電機J441C-A（0s自啟動）在PLC發出自啟動信號的情況下，電機未自啟動。

2.2 事故原因

SIEMENS3UF7馬達保護器中有個模塊“PowerFailureMonitoring”，簡稱UVO模塊，其作用為：電壓跌落2s內，馬達保護器保持輸出，母線2s內來電電機接觸器直接吸合，電機自啟動；電壓跌落超過2s，馬達保護器停止輸出，發出“UVO故障”報警，母線電壓恢復后，馬達保護器邏輯發出信號對UVO報警自復位，PLC發出自啟動信號，電機自啟動。

在本次事故中，母線已建立電壓，PLC已發出自啟動信號，而由于UVO模擬量信號響應時間滯后，馬達保護器還未完成UVO報警的復位，并且馬達保護器會一直無法對UVO復位，直到PLC自啟動信號消失，最終導致電機自啟動失敗。經試驗驗證，母線電壓恢復后，UVO復位模擬量信號響應時間約0.7s，因此PLC自啟動數字信號需延遲至少0.7s發出才能確保電機自啟動成功。

J441C-A自啟動失敗時序圖如圖5，其他電機0s自啟動成功時序圖如圖6。

圖5 電機J441C-A自啟動失敗時序圖

圖6 其他電機0s自啟動成功時序圖

總之，本次母線電壓恢復后電機J441C-A無法自啟動是馬達保護器自啟動數字信號與UVO模擬量信號響應時間不同所致。

2.3 解決辦法

該問題涉及所有0s自啟動回路，修改前電機J441C-A分批自啟動延時程序如圖7，為來電后0s自啟動；修改后電機J441C-A分批自啟動延時程序如圖8，為來電后1s自啟動，以確保自啟動成功。

圖7 修改前J441C-A自啟動PLC程序圖

圖8 修改后J441C-A自啟動PLC程序圖

3 PLC未輸出電機自啟動信號事故

3.1 事故過程

事故段中變頻電機自啟動由ABBAC500 PLC實現。市電失電后，發電機自啟動，事故段原來運行的變頻電機由PLC輸出自啟動數字信號進行分批自啟動。但在本次事故中，有3臺變頻電機PLC未輸出自啟動信號。

3.2 事故原因

以未自啟動的變頻電機J433A為例（J433A失電自啟動程序如圖9），“J433A_RUN”停運信號為接觸器輔助接點輸入PLC數字量采集點，從失電到信號建立耗時約100ms以內，而低電壓信號“VOLT”為低電壓繼電器輔助接點輸入PLC模擬量采集點，從失電到信號建立耗時約為200ms，當“J433A_RUN”停運信號下降沿“F_TRIG1”觸發時，由于PLC電機停運數字量信號與低電壓模擬量信號響應時間不同，低電壓信號“VOLT”未建立，導致PLC自啟動邏輯未輸出，造成J433A自啟動失敗。

圖9 變頻電機J433A失電自啟動程序圖

3.3 解決辦法

由于事故段中變頻電機停運數字量信號與低電壓模擬量信號的響應時間很接近，而響應時間的快慢存在偶然性，因此當PLC進行變頻電機分批自啟動時，出現自啟動失敗的情況存在偶然性。為避免類似事故的發生，需對所有變頻電機的PLC自啟動邏輯進行修改，即對所有變頻電機PLC自啟動程序中停運信號下降沿做200ms的延時。以變頻電機J433A為例，當市電失電時，“J433A_RUN”停運信號下降沿“F_TRIG1”觸發，延遲200ms（見圖10），以等待低電壓信號“VOLT”建立，這樣PLC程序中變頻電機自啟動即可成功。

圖10 修改后變頻電機J433A失電自啟動程序圖

4 結束語

總結上述幾起事故的經驗教訓，在對數字化電氣設備編程時，必須考慮到模擬量信號與數字量信號響應時間的不同，適當對一些信號進行延時，使程序更加嚴謹，容錯率更高，這樣才能保證供電的安全性、可靠性及穩定性。