堆料機綜合保護裝置在線監測系統

齊佳龍

秦皇島港股份有限公司第九港務分公司

1 引言

秦皇島港煤五期堆料機高壓進線柜采用西門子7SJ62-5EB90-1FD0綜合保護裝置(以下簡稱7SJ62綜保裝置)進行保護整定，該設備具有電流速斷保護、欠壓保護、接地故障保護等功能。7SJ62綜保裝置的運行可靠性關系到整個堆料機供電系統穩定性，一旦綜保裝置運行狀態異常，就可能造成保護功能失效，同時還會導致高壓柜真空斷路器跳閘，嚴重的甚至會燒壞綜保裝置。

2017年，煤五期某堆料機曾發生一起高壓進線柜掉電故障。初步檢查發現高壓柜7SJ62綜保裝置的220 V控制電源跳閘，導致高壓柜VD4真空斷路器跳閘。技術人員更換綜保裝置的保險后，仍無法合閘。拆解綜保裝置后，發現線路板已燒毀，只能選擇更換新的裝置，導致長時間的故障延時。此次堆料機高壓柜掉電是因為綜保裝置發生故障后，沒有被及時發現并進行處理修復，長時間帶故障運行造成設備損壞。因此，開發一套能夠實時監測綜合保護裝置運行狀態，并及時發現綜保裝置異常情況和故障隱患的系統，對保障堆料機高壓供電系統的穩定性起著十分重要的作用。

2 系統基本結構

本項目一方面利用7SJ62綜保裝置完備的保護功能，根據現場設備運行實際情況設置整定保護參數；另一方面，通過DIGSI軟件建立7SJ62綜保裝置與PLC之間的通信，編寫PLC程序實現狀態參數采集，并在FactoryTalk SE 6.0平臺環境下開發堆料機綜保裝置在線監測系統。管理人員可以通過安裝的客戶端軟件訪問該系統，實現遠程查看和監測堆料機高壓柜綜保裝置運行情況。

系統主要包括以下幾個部分：①DIGSI4.91軟件DP通信設置；②保護參數定值的計算；③編寫的PLC程序，采集參數，設置過流、欠壓等報警；④運用于FactoryTalk SE 6.0軟件開發堆料機綜保裝置監測系統客戶端軟件平臺。系統結構框圖見圖1。

圖1 系統結構框圖

3 數據采集設計

為了監測7SJ62綜保裝置的運行狀態，首先將采集到的測量值上傳至PLC，然后對采集到的數據進行分析處理。要讀取7SJ62綜保裝置中的測量數據，需要分為兩個步驟：PC機與7SJ62通信設置、7SJ62與PLC通信設置。

(1)PC機與7SJ62通信設置：PC機通過安裝DIGSI軟件與7SJ62進行通信，使用RS232通信電纜，需要使用交叉線，交叉線接法只需要將公頭端子2、3與母頭的端子3、2連接，5與5連接即可。

(2)7SJ62與PLC通信設置：通過Profibus總線將7SJ62綜保裝置實時數據傳遞至PLC，通信前需要配置綜保裝置中的參數，參數配置軟件采用西門子開發的DIGSI 4.91軟件，地圖文件版本選擇mapping file 3-3；DP地址需參照各設備的Profibus通信中規劃的數值來進行設置，秦皇島港煤五期堆料機中需設置DP_Address=4，其他參數為默認值，設置完成后即可與PLC之間通信。

4 保護參數計算

4.1 電流速斷保護

電流速斷保護主要針對電動機內部定子繞組以及電源進線發生相間及接地短路故障的保護，在電動機啟動過程期間以及啟動結束后續運行過程中，應分別選用不同方法計算電流整定值Izd[1]。

在電動機啟動時，為滿足電動機在滿載啟動過程中短路保護不發生動作，因此要求保護動作電流整定值Izd應大于滿載啟動時啟動電流Iqd，即：

Izd=k×Iqd

(1)

式中，k為電動機啟動電流倍數，一般k取值為5～7。

在電動機后續運行過程中，保護動作電流整定值Izd的整定可不必考慮電動機的啟動電流影響[2]。因此，按照額定電流Ie的整數倍整定，即：

Izd=n×Ie

(2)

式中，n為電動機額定電流倍數，一般n取值為5～8。

按照上述方案設計電流速斷保護數值，能夠提高電動機在啟動及運行過程中電流速斷保護的靈敏性和可靠性。當滿足故障電流大于保護動作電流整定值Izd的條件時，電流速斷保護即可迅速動作跳閘。堆料機懸皮高壓電機選用型號為西門子1LA4352-6AN60-Z，額定功率為355 kW，額定電流為43 A。代入上述兩個公式，保護動作電流整定值Izd定值應取344 A。

4.2 欠電壓保護

電動機欠壓運行時轉矩將急劇下降，會造成電動機過載。當電動機端電壓下降到額定電壓的60%時，電動機將無法正常啟動，因此必須對電動機設置欠電壓保護[3]，即：

Uzd=0.6×Ue

(3)

式中，Uzd為電壓整定值，kV；Ue為額定電壓值，kV。

堆料機進線柜額定電壓為6 kV，代入公式(3)，Uzd應取3.6 kV。當各相線電壓均小于欠壓保護動作電壓整定值時，即U小于Uzd，且達到規定的延時時間后，欠電壓保護發生，斷路器跳閘。當電動機所接母線的進線斷路器跳閘而使母線失電時，欠壓保護將會閉鎖而不至于誤動作，同時7SJ62綜保裝置會顯示PT斷線報警信號。

5 PLC程序設計

5.1 電量采集程序

首先，根據該監測系統的設計要求，建立相應的標簽表，在PLC程序中逐個創建相應的標簽(見表1)。

表1 PLC程序標簽表

通過PLC程序中BTD指令采集出能夠表征電力系統運行狀態的電量，主要包括：電壓、電流、功率因數、系統頻率等。電流采集程序見圖2。

圖2 電流采集程序

5.2 故障報警程序

根據計算的過流和欠壓定值，編寫PLC報警程序，當大于Idz或者小于Udz時，報警程序觸發。過電流報警程序見圖3。

圖3 過電流報警程序

6 上位機界面設計

應用FactoryTalk SE 6.0軟件開發西門子7SJ62在線監測系統。在FactoryTalk SE中，首先將各個高壓柜的分合閘狀態引入界面中，然后添加PLC程序讀取的來自7SJ62綜合保護裝置中的參數變量，使其在界面中逐一顯示出來，方便查看，最后添加PLC程序中設置的報警標簽。當綜保裝置出現任何異常情況時，該監測系統便能清晰直觀地顯示出來。

7 結語

應用該系統，可實現對堆料機高壓進線柜西門子7SJ62綜合保護裝置運行狀態的動態監測，并及時報警。開發的上位機界面不僅便于技術人員遠程查看、監視設備的運行動態，還可第一時間了解設備故障原因，及時發現故障隱患，有效避免因綜保突發故障造成長時間停機、中斷生產情況的發生。