低壓防爆開關(guān)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王童飛

（長(zhǎng)治三元中能煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046600）

煤礦生產(chǎn)過程中，經(jīng)常發(fā)生低壓防爆開關(guān)工作不正常、顯示器不正常、電源模塊損壞、無故障跳閘、假故障跳閘、無法正常送電、漏電保護(hù)受電網(wǎng)運(yùn)行方式和故障特性影響比較大等問題。低壓防爆開關(guān)綜合試驗(yàn)臺(tái)可以兼容完成多個(gè)廠家的低壓防爆開關(guān)性能試驗(yàn)；有利于檢修人員對(duì)低壓防爆開關(guān)的整體性能的了解，加快檢修進(jìn)度和精準(zhǔn)度，提高低壓防爆開關(guān)的整體使用性能；有利于保障煤礦企業(yè)安全和效率的生產(chǎn)[1-3]。

1 電壓試驗(yàn)硬件以及電路設(shè)計(jì)

按照國(guó)標(biāo)GB 8286—2005低壓防爆開關(guān)的性能檢測(cè)要求:當(dāng)線路電壓不小于115%額定電壓時(shí)，發(fā)出過電壓信號(hào)；當(dāng)電壓不大于75%額定電壓時(shí)，發(fā)出欠電壓信號(hào)，信號(hào)發(fā)出后，斷路器都應(yīng)該延時(shí)動(dòng)作[4]。本文將動(dòng)作時(shí)間合格標(biāo)準(zhǔn)定為20 s。

可調(diào)式大電壓發(fā)生器主要作用是為低壓防爆開關(guān)提供電壓試驗(yàn)信號(hào)源。本設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用低壓防爆開關(guān)的情況調(diào)查與總結(jié)，煤礦現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)低壓防爆開關(guān)的電壓等級(jí)多為660 V、1 140 V、3 300 V電壓等級(jí)的低壓防爆開關(guān)暫未涉及。因此，根據(jù)GB 8286—2005對(duì)過壓的基本要求，本設(shè)計(jì)將可調(diào)式電壓發(fā)生器的調(diào)壓范圍設(shè)計(jì)為0～1 500 V可調(diào)，即能完成試驗(yàn)需要。

試驗(yàn)臺(tái)操作面板的智能數(shù)字表頭顯示可調(diào)式大電壓發(fā)生器二次側(cè)產(chǎn)生的電壓數(shù)值，即試驗(yàn)電壓值。智能數(shù)字表頭輸入電壓的要求是0～300 V，通過設(shè)置數(shù)字表頭的參數(shù)比1∶5，就可以顯示可調(diào)式大電壓發(fā)生器二次側(cè)產(chǎn)生的電壓數(shù)值。本文設(shè)計(jì)了三種方案獲取0～300 V的采樣信號(hào)。

方案一:從可調(diào)式大電壓發(fā)生器上端調(diào)壓器輸出部分獲取電壓采樣信號(hào)，具體的方案是將上端調(diào)壓器的二次側(cè)輸出做成六個(gè)電壓抽頭，其中三根火線輸出線電壓范圍為0 ～430 V（可調(diào)），另外三根火線輸出電壓范圍是0～300 V（可調(diào)）。

方案二:從可調(diào)式大電壓發(fā)生器下端變壓器獲取電壓采樣信號(hào)，具體的方案類似方案一的原理，直接在變壓器的二次側(cè)抽出三個(gè)電壓為300 V的抽頭，三個(gè)1 500 V的抽頭。當(dāng)變壓器的三個(gè)1 500 V抽頭的電壓升壓至1 500 V時(shí)，另外三個(gè)300 V的抽頭也達(dá)到了300 V的電壓，這樣0～300 V的電壓正好能反映0～1 500 V的電壓范圍。

方案三:在可調(diào)式大電壓發(fā)生器的下端二次側(cè)輸出加裝變比是1∶5電壓互感器，當(dāng)可調(diào)式大電壓發(fā)生器的二次輸出電壓是0 ～1 500 V時(shí)，電壓互感器的二次輸出是0～300 V，采樣電壓直接可以輸出到智能數(shù)字表頭。

綜合分析以上三個(gè)方案，方案一的硬件設(shè)計(jì)，因?yàn)橹苯訌恼{(diào)壓器內(nèi)部抽出300 V的抽頭，調(diào)壓器的電壓是較小的，電壓參數(shù)變化快，智能數(shù)字表頭的顯示響應(yīng)比較快，但是這樣做并不是直接采集了可調(diào)式大電壓發(fā)生器的最終發(fā)出的實(shí)際參數(shù)，因此，存在較大誤差；方案三的硬件設(shè)計(jì)是從可調(diào)式大電壓發(fā)生器的二次側(cè)加裝電壓互感器來采集電壓值，這樣做硬件成本會(huì)增加，但是誤差比方案一的誤差小很多，缺點(diǎn)是采樣的電壓數(shù)值動(dòng)態(tài)變化較慢，電壓值穩(wěn)定較慢，智能數(shù)字表頭的響應(yīng)也會(huì)比較慢；方案二直接從變壓器做出抽頭來，這樣做能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)變壓器的實(shí)際輸出電壓值，比較方案一與方案二，雖然數(shù)字表頭的響應(yīng)速度不如方案一，但是方案二的電壓采樣信號(hào)誤差較小，更能反映可調(diào)式大電壓發(fā)生器二次側(cè)輸出電壓值。方案二與方案三比較，方案二能夠減少硬件成本，數(shù)字表頭響應(yīng)也比方案三的快。因此，在本設(shè)計(jì)中采用了方案二的設(shè)計(jì)思路。

2 電流試驗(yàn)硬件以及電路設(shè)計(jì)

電流試驗(yàn)主要完成低壓防爆開關(guān)的短路和過載試驗(yàn)。低壓防爆開關(guān)的過載和短路性能檢測(cè)要求是:1.2倍的額定電流過載動(dòng)作時(shí)間為小于120 s；1.5倍的額定電流過載動(dòng)作時(shí)間小于60 s；2倍額定電流過載動(dòng)作時(shí)間為小于20 s；10倍額定電流被認(rèn)定為短路，此時(shí)，動(dòng)作時(shí)間應(yīng)該小于100 ms。

由于不同種類的低壓防爆開關(guān)的額定電流數(shù)不一致，一般額定電流的范圍是50 ～400 A，若額定電流為400 A，則短路試驗(yàn)需要一個(gè)4 000 A的大電流。由于4 000 A的大電流需要傳輸?shù)碾娎|直徑很大，4 000 A的電流發(fā)生需要設(shè)計(jì)的大電流發(fā)生器硬件體積比較大，要安置在一個(gè)空間有限的試驗(yàn)臺(tái)中比較困難。本設(shè)計(jì)采取了一個(gè)折中的方案，設(shè)計(jì)的電流發(fā)生器最大的發(fā)生電流為2 000 A，當(dāng)需要的試驗(yàn)電流超過2 000 A時(shí)，可以調(diào)節(jié)低壓防爆開關(guān)的額定電流的數(shù)值，將低壓防爆開關(guān)的額定電流值設(shè)定為50 ～200 A，那么短路電流也不會(huì)超過2 000 A，這樣并不影響試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)的靈敏度，就可以完成短路和過載的所有試驗(yàn)。

由于不同的低壓防爆開關(guān)的插件電源的電壓不同，經(jīng)過對(duì)市場(chǎng)上低壓防爆開關(guān)廠家所生產(chǎn)的產(chǎn)品資料搜集與總結(jié)，低壓防爆開關(guān)的內(nèi)部控制電路電源即插件電源的電壓等級(jí)一般為:24 V、36 V、110 V、220 V這幾個(gè)主要的電壓等級(jí)，為了兼容以上所有的電壓等級(jí)，本設(shè)計(jì)采用了可調(diào)范圍為0～250 V的單相調(diào)壓器來實(shí)現(xiàn)這幾個(gè)電壓等級(jí)，在硬件電路中將這個(gè)單相調(diào)壓器名字定義為:插件調(diào)壓器。圖1是插件電壓硬件設(shè)計(jì)電路。

圖1 插件電壓硬件設(shè)計(jì)電路

由圖1可知，A、B端輸入220V標(biāo)準(zhǔn)交流電源。QF2是空氣開關(guān)斷路器，KM3、KM4是2個(gè)交流接觸器。插件電壓表的作用是顯示當(dāng)前插件調(diào)壓器的電壓值。

本設(shè)計(jì)中的插件電壓輸出的負(fù)載為低壓防爆開關(guān)的控制電路，控制電路的功率比較小，插件調(diào)壓器選擇容量為500 VA足夠完成試驗(yàn)。

3 漏電試驗(yàn)硬件以及電路設(shè)計(jì)

圖2 靜態(tài)漏電試驗(yàn)硬件連接圖

本文分開探討靜態(tài)和動(dòng)態(tài)漏電試驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)思路。

靜態(tài)漏電試驗(yàn)。660 V的電壓等級(jí)的低壓防爆開關(guān)，靜態(tài)漏電閉鎖值是22 kΩ，電壓等級(jí)為1 140 V的低壓防爆開關(guān)靜態(tài)漏電閉鎖值為40 kΩ，動(dòng)作時(shí)間小于200 ms。本部分硬件的設(shè)計(jì)實(shí)際上為低壓防爆開關(guān)提供一個(gè)漏電閉鎖的電阻值，當(dāng)電阻值達(dá)到這個(gè)數(shù)值的時(shí)候，對(duì)照一下國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)一下低壓防爆開關(guān)是否漏電閉鎖完好。圖2是靜態(tài)漏電試驗(yàn)硬件連接圖。

靜態(tài)漏電閉鎖電阻值的要求最高為是40 kΩ，歐姆表采用顯示范圍為0～99 kΩ，帶有模擬量信號(hào)4～20 mA的歐姆表頭。電阻箱采用的調(diào)節(jié)單位也是0～99 kΩ，即可以完成靜態(tài)試驗(yàn)的要求。圖2中的電阻輸入端外接至低壓防爆開關(guān)的三相接線柱的輸入端的任意一端。歐姆表顯示的是靜態(tài)漏電電阻的當(dāng)前值，A、B兩端接入AC220 V標(biāo)準(zhǔn)的交流電源為歐姆表提供電源，歐姆表的INPUT端是輸入電阻箱的電阻采樣值。由于電阻值不能帶電測(cè)試，所以硬件電路采用繼電器KA8和KA10進(jìn)行互鎖。

動(dòng)態(tài)漏電試驗(yàn)。電壓等級(jí)為660 V的低壓防爆開關(guān)單相接地（動(dòng)態(tài)）漏電閉鎖值為11 kΩ，電壓等級(jí)為1 140 V的低壓防爆開關(guān)單相接地（動(dòng)態(tài)）漏電閉鎖值為20 kΩ，動(dòng)作時(shí)間小于200 ms。此處根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際設(shè)計(jì)，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)動(dòng)態(tài)漏電一般是采用一個(gè)1 kΩ的電阻模擬人體接地的方法進(jìn)行測(cè)試，為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)步驟，減少硬件設(shè)計(jì)成本，本設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)漏電直接采用了1 kΩ的電阻進(jìn)行了模擬，既可以完成測(cè)試也可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減少硬件成本。圖3是動(dòng)態(tài)漏電試驗(yàn)的原理圖。

圖3 動(dòng)態(tài)漏電試驗(yàn)原理圖

做動(dòng)態(tài)漏電試驗(yàn)時(shí)直接將A端接入低壓防爆開關(guān)三相接線柱的輸入端的任意一端，然后將三相額定電壓接入低壓防爆開關(guān)的三相輸入端。當(dāng)接通KA15時(shí)，如果低壓防爆開關(guān)是正常的，低壓防爆開關(guān)應(yīng)該在200 ms以內(nèi)動(dòng)作。

4 動(dòng)作時(shí)間硬件以及電路設(shè)計(jì)

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)試低壓防爆開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間值，這個(gè)動(dòng)作時(shí)間值是從低壓防爆開關(guān)的斷路器或者遠(yuǎn)端控制繼電器的觸點(diǎn)上得到的，動(dòng)作信號(hào)是一個(gè)開關(guān)量的反饋信號(hào)，這個(gè)反饋信號(hào)直接送給數(shù)字電秒表可以進(jìn)行動(dòng)作時(shí)間的檢測(cè)。

圖4中KA14為額定電壓為24 V繼電器的線圈，由圖4動(dòng)作時(shí)間硬件電路圖可知，當(dāng)KAX或者SB16通電的時(shí)候，KA14線圈就會(huì)吸合，常開觸點(diǎn)閉合，產(chǎn)生閉合信號(hào)。KA12斷開時(shí)候開始計(jì)時(shí)，KAX是低壓防爆開關(guān)斷路器或者遠(yuǎn)端控制繼電器的常開觸點(diǎn)的兩端，當(dāng)?shù)蛪悍辣_關(guān)的斷路器或者遠(yuǎn)端控制繼電器動(dòng)作時(shí)，KA14上面的常開觸點(diǎn)閉合時(shí)數(shù)字電秒表停止計(jì)時(shí)。數(shù)字電秒表帶有自動(dòng)保持功能，KA11是數(shù)字電秒表的復(fù)位按鈕。為了在做試驗(yàn)前檢測(cè)數(shù)字動(dòng)作時(shí)問電路是否正常，本設(shè)計(jì)設(shè)置了一個(gè)模擬試驗(yàn)按鈕SB16，當(dāng)SB16按下時(shí)可以模擬低壓防爆開關(guān)的斷路器或者遠(yuǎn)端控制繼電器的動(dòng)作，模擬實(shí)際工作過程。

圖4 動(dòng)作時(shí)間硬件電路設(shè)計(jì)

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款低壓防爆開關(guān)綜合試驗(yàn)臺(tái)，采用德國(guó)西門子PLC300作為主控制器，硬件采用二級(jí)電氣隔離保護(hù)。試驗(yàn)臺(tái)主要特點(diǎn)是能夠兼容多個(gè)廠商的低壓防爆開關(guān)進(jìn)行電氣性能試驗(yàn)，能夠完成低壓防爆開關(guān)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的過壓、欠壓、過載、短路、漏電等保護(hù)性能參數(shù)的試驗(yàn)，由計(jì)箕機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并且顯示故障狀態(tài)以及相應(yīng)參數(shù)，提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性以及效率，試驗(yàn)臺(tái)操作方便、安全，可以提高檢修工作人員對(duì)低壓防爆開關(guān)整體電氣性能的把握，煤礦安全高效的運(yùn)行提供保障。