基于PLC的礦井低壓柜漏電試驗遠方操作系統設計

李虎

（皖北煤電集團有限責任公司機運部，安徽宿州，234000）

0 引言

隨著煤礦大型綜采機電設備的不斷普及，煤礦井下低壓電網的漏電保護重要性愈發突出。傳統的漏電保護試驗操作，主要分兩種：一種在中央變電所或區域變電所，需要人工按“漏電試驗”按鈕進行漏電試驗操作；一種在遠方配電點，在進行漏電保護試驗操作時，需要漏電試驗電工和瓦斯檢查人員配合進行，在環境安全前提下，打開低壓配電開關殼體，將試驗電阻連通電源某相，再進行漏電保護試驗。上述傳統漏電試驗操作方法，不但需要大量的人力成本，而且一定程度會影響煤炭生產；其次對現場漏電試驗操作人員造成一定的安全隱患。文獻[1]采用礦用漏電保護試驗與遠方合閘裝置，包括移動變電站，通過低壓線路與多臺用電設備進行電氣連接，其遠方漏電試驗裝置連接裝有遙控機構；文獻[2-3]提出一種煤礦遠方人工漏電跳閘試驗裝置，該試驗裝置連接在最遠端的控制開關內進行試驗；建立漏電保護智能監控系統和通電漏電試驗保護裝置動作特性的方法，將數據無線傳輸，分析判斷漏電保護的工作狀態。介紹一種應用于井下高壓防爆開關的基于時序鑒別原理的高壓漏電保護裝置的硬件設計，通過現場試驗分析了該裝置的實用性。公開一種漏電保護裝置，該裝置能獲得良好的防水密封性能和更可靠準確的漏電試驗結果。公開了一種具有無線遙控功能的井下電網遠方漏電保護試驗裝置，采用載波遙控技術完成試驗，試驗跳閘后可以對上一級饋電開關進行復位送電，大大減少了操作時間，提高了作業效率，但該項產品市場價格較高，難以在煤礦大面積推廣應用。上述遠方漏電試驗操作方法一定程度上達到預期效果,但是在與煤礦原有供電系統地對接上均存在一定的“數據孤島”現象。

為了達到“節員增效”，本文基于提出一種基于PLC的遠方漏電試驗操作系統，基于無人值守的目標，改造現場的低壓配電開關，實現在地面集控后臺遠方漏電試驗操作，并能遠方漏電試驗復位，后臺實時記錄漏電試驗操作記錄，在保證煤礦低壓電網安全性前提下，提高了煤礦的生產效率。

1 遠方漏電試驗操作系統總體設計

當變電所某一出線電纜發生破損時，漏電保護裝置判斷漏電流是否超出限定值，若超出保護限值，及時切斷電源回路，從而防止電氣故障的的進一步擴大，保障人身與設備安全。目前煤礦井下漏電故障的主要原因如下[2]：

(1)煤礦環境原因

敷設在井下巷道的電纜，由于煤礦井下的溫度與濕度較大，且運行多年，井下電纜絕緣層容易出現老化、性能下降等問題，電纜局部存在絕緣電阻下降導致放電隱患與漏電，若遇瓦斯超限，極易發生爆炸，造成不可避免的傷害；同時還會因為偶發過電壓與過電流，使得電纜部分絕緣降低處發送擊穿現象，從而產生集中性漏電現象。

開關設備在井下環境的長期使用，接線柱等部位容易因為潮濕環境導致漏電。柜體內部的控制變壓器、接觸器、繼電器以及線圈等內部元件，也會因為各自原因導致絕緣惡化與漏電；低壓饋電開關中地過流繼電器，當調整螺桿設置不當時，也會因為對地放電而造成漏電現象。

(2)人為原因

對井下電纜維護與管理不當。比如，線纜的擺放不規范，造成電纜外皮與周邊環境長期摩擦破損；或者工人工作時勞動工具容易將電纜割傷或碰傷。此外在搬運大型機電設備時候，對電纜保護措施不到位，造成電纜砸傷或破損漏電事故發生；開關設備檢修后，未能及時清理干凈開關內的線頭與金屬碎片，或者將檢修工具與零件遺忘在饋電開關內，這些額外部件極易碰到相線，導致送電后漏電現象的發生。

電纜施工接線錯誤、電纜與設備連接芯線接頭不牢靠，封堵不嚴，壓板不緊造成接頭松動脫落，使得相線接觸金屬外殼而導致漏電。對已經受潮的電氣設備，未經嚴格的干燥處理與對的絕緣電阻與耐壓試驗，又投入運行也極易導致漏電故障發生。

為達到節員增效目標，可以改變傳統煤礦漏電保護試驗操作慣例，通過PLC擴展數字量輸出與輸入口，分別與現場控制執行動作機構實現數據交互，使得地面監控后臺能夠遠方執行漏電試驗操作，完成漏電保護試驗工作。

基于PLC的煤礦遠方漏電試驗操作系統的整體結構如圖1所示。整個系統分為三層：第一層位于地面機電集控中心，通過地面集控中心可以實時觀測到井下設備的實際情況，能夠實時掌控遠方漏電試驗操作的結果，后臺計算機能夠實時記錄遠方漏電試驗操作事件，包括試驗時間、試驗開關、操作人、試驗操作結果評估等信息；第二層是以太網傳輸部分。井下環網節點交換機負責地面機電集控中心與現場漏電試驗操作點PLC裝置的數據交互。第三層是井下二級變電所和遠方配電點，它是煤礦井下供電的遠端部分也是最需要實現遠方漏電試驗操作的地方。該系統主要通過現場隔爆型PLC控制柜執行漏電試驗操作邏輯，達到漏電試驗操作效果，并能將實時試驗結果反饋給地面機電集控中心。

圖1 基于PLC的遠方漏電保護試驗操作系統平臺整體圖

2 遠方漏電試驗操作系統設備選型

2.1 漏電試驗電阻選型

根據研究表明人體所能承受的最大電流與作用時間的乘積為30mA*s時，再預留一定的安全系數，即為安全值。從保護人身安全的角度出發，30mA*s就是漏電保護的一個指標。為實現這個指標，必須提高電網對地漏電通路的絕緣電阻。

對于中性點不接地的系統其人身觸電電流I觸電為

其中U相為線路的相電壓，R人體為人體電阻，R絕緣為單相對的絕緣電阻。

當人身觸電電流I觸電≤30mA，在660V的電網，R絕緣≥ 35kΩ，總絕緣電阻（11.7kΩ），因此規定660V電網單相漏電電阻動作值為11kΩ[5]。當系統電網為1140V的單相漏電電阻動作值為20kΩ；系統電網為127V的單相漏電電阻動作值為2kΩ。

2.2 西門子PLC模塊選型

根據現場對漏電試驗操作的諸多技術要求，控制模塊選擇西門子S7-1200系列PLC，主要PLC模塊選型響應現場要求。如果僅僅需要執行漏電試驗動作、復位與反饋現場開關狀態，只需要擴展數字量輸入輸出模塊；如果現場饋電開關具備智能通信功能，就可以加裝485串行通信模塊。為實現地面監控后臺實現遠方漏電試驗操作，需要集成以太網接口的CPU 1214C模塊。除此之外，需要考慮地面監控后臺微機、光電轉換裝置、隔爆型電阻箱以及用于視頻監控的隔爆型攝像頭等其他設備，系統主要設備選型如下：

表1 主要設備選型表

2.3 通信平臺架構設計

煤礦井下變電所與配電點數量眾多，除中央變電所以及部分區域大巷變電所位置固定外，絕大多數配電點需要根據采煤掘進面地推進而移動，地理位置與距離復雜多變。由于井下多已經完成萬兆環網建設，僅僅需要從配電點擴展一條光纖通道到環網節點，即可完成配電點饋電設備遠方漏電試驗操作的數據交互，同時能夠實時上傳漏電試驗操作點處的實時視頻影像。

2.4 不間斷電源設計

當遠方漏電試驗正常執行接通漏電電阻動作時，饋電開關或者上級配電柜會執行漏電跳閘動作，使PLC處于短時間的無電源狀態，PLC將無法把收集到的信息傳遞給地面，因此需要在礦用隔爆兼本安型PLC控制箱中設置備用電池模塊。當電路漏電試驗成功執行漏電跳閘動作時，備用電源能夠繼續給PLC控制箱供電，保證數據處理與光電轉換設備的正常運行，使PLC能夠實時監測并上傳饋電開關的實際開關狀態。

3 遠方漏電試驗操作系統軟硬件設計

3.1 硬件設計

PLC控制箱主要分為電源、PLC控制電路、本安隔離電路、人機界面以及光電轉換五部分。電源主要作用是經過降壓、濾波得到低壓供電電源，主要分為本安型DC24V與非本安型DC24V，給不同部件提供合適的供電電源；PLC控制主要完成信號采集與邏輯控制功能；本安隔離電路主要是滿足煤礦對本質安全電路的需要；人機界面以及光電轉換部分能夠實現數據的就地與遠方交互。

磁力啟動開關中的通信接口可以實時與PLC控制箱中的RS485模塊實現數據交互；開關狀態擴展點主要將開關狀態反饋給PLC控制箱的DI模塊；而磁力啟動器的復位、分閘與合閘擴展點可以通過PLC控制箱的DO模塊實現遠方控制。磁力啟動器中的單相火線通過電阻箱與PLC控制箱內的高壓繼電器達到模擬接地操作，從而帶動對應饋電開關漏電跳閘。

當地面集控后臺進行遠方漏電試驗時，系統根據實際電壓等級，吸合對應電壓等級的漏電試驗電阻并可靠接地，若上級饋電開關漏電跳閘，則遠方漏電保護試驗操作成功。當完成遠方漏電試驗操作后，通過復位操作對磁力啟動開關進行遠方復位，保證磁力啟動開關的正常運行。若上級饋電開關沒有漏電跳閘，則反映了漏電保護器存在故障，提醒技術人員去現場修復。

3.2 軟件設計

使用博途TIA Portal V15.1軟件以及觸摸屏軟件進行程序模塊編寫，圖2為系統軟件程序框圖，其中串行通信部分針對具備智能通信功能的磁力啟動器設計的組件，如不具備智能通信功能，則通過開關內的擴展DI/DO口進行數據交互。繼電器選型高壓繼電器，其觸點最大耐壓3.3kV，根據試驗地點自動切換漏電試驗電阻并可靠接地。遠方漏電試驗操作的結果實時在數據庫中記錄并實時反饋給地面監控后臺，及時提醒工作人員的遠方漏電試驗操作的結果。

圖2 軟件程序框圖