一種交流220V設(shè)備電源監(jiān)視器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馮有為，柯 昭，王 鋼，王洪偉，郝 翰

（湖北西塞山發(fā)電有限公司，湖北黃石 435000）

0 引言

當(dāng)前，在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)，許多重要控制設(shè)備在運(yùn)行條件下需要長(zhǎng)期帶電工作，而一些特殊控制設(shè)備自身由于結(jié)構(gòu)原因無(wú)法建立直接的工作反饋信號(hào)，比如火電廠汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)中的AST 閥，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)AST 閥必須處在帶電狀態(tài)，一旦前后AST 閥失電（4 只AST 一般設(shè)置為串并聯(lián)結(jié)構(gòu)）就會(huì)造成停機(jī)，從而對(duì)AST 閥的工作狀態(tài)實(shí)施有效監(jiān)控成為重中之重。然而，現(xiàn)階段主要通過(guò)建立在AST 油系統(tǒng)上的油壓控制器來(lái)間接觀察AST 閥的工作狀態(tài)，一旦油壓控制器因取樣孔堵塞、節(jié)點(diǎn)失效而無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控時(shí)，同時(shí)AST 閥的控制回路出現(xiàn)故障，則會(huì)造成嚴(yán)重的后果。很多現(xiàn)場(chǎng)對(duì)AST 電磁閥短路現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出了引起短路的幾種原因并做了相應(yīng)處理，由控制回路引起的電源問(wèn)題是可以克服的，但由線圈硬件方面引起的短路，在保證汽機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，只好先采取供電回路中增加快速熔斷器的方法加以解決，但AST 電磁閥電源回路中的開(kāi)路故障問(wèn)題仍待解決[1]。還有大型變頻器、控制器內(nèi)部冷卻風(fēng)扇，這些冷卻風(fēng)扇由于嵌置在設(shè)備內(nèi)部，由內(nèi)置溫度傳感器控制啟停，在巡檢時(shí)很難判斷風(fēng)扇是否能正常工作，一旦冷卻風(fēng)扇回路存在缺陷，變頻器極易造成超溫，造成設(shè)備非停和板卡硬件損壞。因此通過(guò)完善變頻器內(nèi)部通風(fēng)散熱回路及報(bào)警功能，為變頻器廠家提供了改進(jìn)措施，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變頻器在現(xiàn)場(chǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，從而為節(jié)能降耗奠定了良好基礎(chǔ)[2]。

與此同時(shí)，在控制系統(tǒng)的日常維護(hù)過(guò)程中，電源系統(tǒng)作為儀表及控制系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)，其故障往往影響面大，不但降低了控制系統(tǒng)的可靠性，甚至是造成安全實(shí)施失效，交流電源設(shè)計(jì)主要包括電氣專(zhuān)業(yè)的UPS 或GPS設(shè)計(jì)和儀表專(zhuān)業(yè)220 V 電源設(shè)計(jì)，電氣側(cè)電源設(shè)計(jì)一般配置一路UPS 和一路GPS，但從近年來(lái)的實(shí)際運(yùn)行情況看還是應(yīng)配置兩路UPS 更為可靠，兩路UPS 可以獨(dú)立供電，也可以并機(jī)供電，雙電源切換裝置的切換響應(yīng)時(shí)間也滿(mǎn)足要求[3]，電源切換裝置在熱控系統(tǒng)電源中應(yīng)用廣泛，其可靠性影響發(fā)電廠自動(dòng)化系統(tǒng)正常運(yùn)行。不同型式的電源切換裝置斷電切換時(shí)間差別較大，對(duì)于要求較高的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，切換時(shí)間應(yīng)不超過(guò)20 ms，保證當(dāng)主電源出現(xiàn)故障時(shí)能自動(dòng)切換到備用電源控制系統(tǒng)能正常工作[4]。所以工控行業(yè)高度重視整個(gè)系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)，而單體設(shè)備電源回路存在諸多薄弱環(huán)節(jié)，如存在許多類(lèi)似AST 閥的重要的控制設(shè)備，這些控制設(shè)備在長(zhǎng)期的工作過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)因碰殼接地、絕緣降低等過(guò)流造成的短路故障，或者因就地接線柜端子松脫、電纜斷線、電磁閥接頭虛接等造成的開(kāi)路故障，如果這些故障因缺乏有效的監(jiān)控而未及時(shí)處理，則會(huì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的正常工作造成嚴(yán)重的影響，并有可能威脅到工作人員的人身安全。通常常見(jiàn)的設(shè)備電源故障監(jiān)視采用以下兩種方式，如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)設(shè)備電源回路監(jiān)視電氣原理

方式一是通過(guò)負(fù)載回路在短路時(shí)，電源接入端的空開(kāi)QF 過(guò)流跳閘，導(dǎo)致繼電器K 線包失電，繼電器的常閉干接點(diǎn)閉合作為短路故障狀態(tài)輸出送至DCS 或PLC 系統(tǒng)的顯示終端。方式二是通過(guò)負(fù)載回路在短路時(shí)，熔斷器FU 過(guò)流熔斷，并接在熔斷器FU 的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，提醒巡檢維護(hù)人員該回路發(fā)生短路故障。這兩種設(shè)計(jì)都基于解決設(shè)備電源回路中的短路故障，并且報(bào)警方式單一，回路的開(kāi)路故障缺失有效的監(jiān)測(cè)。為此開(kāi)發(fā)一款具備設(shè)備電源回路中開(kāi)路、短路故障的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，同時(shí)具備多種報(bào)警方式的監(jiān)視器成為該設(shè)計(jì)的初衷[5]。

1 設(shè)計(jì)原理

該設(shè)計(jì)方案的回路中包含有3 組監(jiān)視回路：（1）正常工作監(jiān)測(cè)回路；（2）短路故障監(jiān)測(cè)回路；（3）開(kāi)路故障監(jiān)測(cè)回路。各回路獨(dú)立工作并對(duì)設(shè)備電源回路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測(cè)，其工作電氣原理圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)視器電氣原理

該交流220 V 設(shè)備電控回路監(jiān)視器設(shè)計(jì)的元器件包括：一組電源輸入接線柱、一組電源輸出接線柱，兩組故障狀態(tài)（短路、開(kāi)路）輸出節(jié)點(diǎn)接線柱，帶蜂鳴器的設(shè)備開(kāi)路指示燈、帶蜂鳴器的設(shè)備短路指示燈、正常工作指示燈，電壓繼電器K1、電流繼電器K2、電壓繼電器K3 和熔斷器FU。由電流繼電器K2 的常開(kāi)觸點(diǎn)K22 和正常工作指示燈串聯(lián)構(gòu)成第一路監(jiān)視回路；由電壓繼電器K3 的常開(kāi)觸點(diǎn)K32 和電壓繼電器K1 的常閉觸點(diǎn)K12及設(shè)備短路指示燈串聯(lián)構(gòu)成第二路監(jiān)視回路，由電壓繼電器K3的常開(kāi)觸點(diǎn)K31、電壓繼電器K1的常開(kāi)觸點(diǎn)K11和電流繼電器K2的常閉觸點(diǎn)K21及設(shè)備開(kāi)路指示燈串聯(lián)構(gòu)成第三路監(jiān)視回路。第一路、第二路和第三路監(jiān)視回路均從電源輸入接口處取電。電流繼電器K2采用欠電流繼電器；其動(dòng)作電流值可以通過(guò)電流調(diào)整旋鈕調(diào)整電流繼電器K2的電流整定值，從而通過(guò)電流值判斷回路中存在開(kāi)路或局部開(kāi)路故障。

當(dāng)負(fù)載設(shè)備PL處于正常工作狀態(tài)時(shí)，由于回路正常工作的電流大于電流繼電器K2的欠電流設(shè)定值，此時(shí)電流繼電器K2呈吸合狀態(tài)，其常開(kāi)觸點(diǎn)K22閉合，這使得第一路監(jiān)視回路導(dǎo)通，LED1綠色指示燈常亮，方便巡檢人員查閱負(fù)載設(shè)備PL是否處于正常的工作狀態(tài)。

當(dāng)負(fù)載設(shè)備PL發(fā)生短路故障時(shí)，由于回路中的短路電流過(guò)大而導(dǎo)致熔斷器FU 熔斷，此時(shí)電壓繼電器K1 的線圈兩端的電壓會(huì)由220 V 降低至0 V，從而電壓繼電器K1 的線圈失電，其常閉觸點(diǎn)K12 保持閉合狀態(tài)；電壓繼電器K3 的線圈兩端的電壓維持在220 V，其常開(kāi)觸點(diǎn)K32 閉合；從而第二路監(jiān)視回路導(dǎo)通，LED3 點(diǎn)亮后紅色閃爍并伴有蜂鳴聲，以聲光報(bào)警方式告知巡檢維護(hù)人員負(fù)載設(shè)備PL發(fā)生短路故障；與此同時(shí)，短路狀態(tài)遠(yuǎn)程輸出接口9 之間的串聯(lián)線路導(dǎo)通，該導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)量信號(hào)會(huì)傳輸至遠(yuǎn)程DCS 系統(tǒng)或PLC 系統(tǒng)，由顯示設(shè)備實(shí)時(shí)顯示負(fù)載設(shè)備PL發(fā)生短路故障，從而對(duì)遠(yuǎn)程的監(jiān)控人員進(jìn)行光字牌或彈出式報(bào)警信息提示。

當(dāng)負(fù)載設(shè)備PL 發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，電壓繼電器K1 和電壓繼電器K3 的線圈均保持有電，常開(kāi)觸點(diǎn)K11 與K31閉合；在負(fù)載設(shè)備PL 開(kāi)路時(shí)，因流過(guò)電流繼電器K2 的線圈的電流過(guò)小導(dǎo)致電流繼電器K2由吸合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫艩顟B(tài)，電流調(diào)整旋鈕10 用于調(diào)整電流繼電器K2 的電流動(dòng)作值，其中電流整定值根據(jù)電流繼電器K2在設(shè)備調(diào)試階段由設(shè)備實(shí)際工作的電流值整定，電流繼電器K2的常閉觸點(diǎn)K21 呈閉合狀態(tài)，從而第三路監(jiān)視回路導(dǎo)通，LED2點(diǎn)亮顯示黃色閃爍并伴有蜂鳴聲，以聲光報(bào)警方式告知巡檢維護(hù)人員負(fù)載設(shè)備PL 發(fā)生開(kāi)路故障；與此同時(shí)，兩個(gè)開(kāi)路狀態(tài)遠(yuǎn)程輸出接口8之間的串聯(lián)線路導(dǎo)通，該導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)量信號(hào)會(huì)傳輸至遠(yuǎn)程DCS系統(tǒng)或PLC系統(tǒng)，由顯示設(shè)備實(shí)時(shí)顯示負(fù)載設(shè)備PL發(fā)生開(kāi)路故障，從而對(duì)遠(yuǎn)程的監(jiān)控人員進(jìn)行光字牌或彈出式報(bào)警信息提示。該回路具有故障保持功能，即使電源回路是發(fā)生瞬間的跳動(dòng)性開(kāi)路后恢復(fù)正常，該監(jiān)視器也會(huì)記錄該故障狀態(tài)，待人工手動(dòng)確認(rèn)后方能消除故障報(bào)警，為設(shè)備由于接線松動(dòng)類(lèi)隱患排查提供了有效證據(jù)[6]。

2 功能驗(yàn)證

該監(jiān)視器原理及功能測(cè)試時(shí)選用3 只額定電壓AC220～240 V，額定電流為0.11 A 風(fēng)扇并聯(lián)作為負(fù)載測(cè)試（模擬干式變壓器三相鐵心冷卻風(fēng)扇），工作在正常條件下，回路工作電流為0.33 A，人工將電流繼電器動(dòng)作定值整定為小于0.23 A 動(dòng)作，3 只風(fēng)扇工作正常。正常工作狀態(tài)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)正常工作狀態(tài)

當(dāng)回路正常工作時(shí)，設(shè)備電源回路發(fā)生突發(fā)性回路開(kāi)路，模擬“B相”風(fēng)扇“L線”故障斷線時(shí)，此時(shí)設(shè)備電源回路中發(fā)生局部開(kāi)路無(wú)接地，熔斷器未過(guò)流燒損，“B 相”風(fēng)扇停止工作，其余風(fēng)扇正常工作，回路工作電流下降至0.20 A，低于電流繼電器動(dòng)作值0.23 A，電流繼電器及“K2”繼電器動(dòng)作，開(kāi)路故障輸出節(jié)點(diǎn)“閉合”，開(kāi)路故障報(bào)警燈點(diǎn)亮閃爍并伴有報(bào)警聲音輸出。故障狀態(tài)顯示如4所示。

當(dāng)回路正常工作時(shí)，設(shè)備電源回路發(fā)生突發(fā)性短路，熔斷器“FU”熔斷后，系統(tǒng)工作電流下降至0.03 A，“K1”“K2”繼電器動(dòng)作，短路故障報(bào)警，短路輸出節(jié)點(diǎn)“閉合”。短路路故障報(bào)警燈點(diǎn)亮閃爍并伴有報(bào)警聲音輸出。故障狀態(tài)顯示如5所示.。

圖4 系統(tǒng)開(kāi)路故障狀態(tài)

圖5 系統(tǒng)短路故障狀態(tài)

監(jiān)視器可靠性測(cè)試：當(dāng)回路正常工作時(shí)，通過(guò)拔掉“K1”“K2”“K3”繼電器以及拆除電流繼電器工作電源，3 只風(fēng)扇均能正常工作，說(shuō)明監(jiān)測(cè)裝置回路中即使局部或全部發(fā)生故障時(shí)，輸出電源均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠供電，保障設(shè)備正常運(yùn)行，驗(yàn)證了監(jiān)視器在設(shè)備電源回路中只是充當(dāng)“眼睛”的角色，能夠及時(shí)將回路中的異常工況通過(guò)聲光報(bào)警和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)輸出作為信息反饋檢修維護(hù)及監(jiān)盤(pán)人員，同時(shí)該監(jiān)視器在負(fù)載接入方面靈活多變，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單一設(shè)備電控回路監(jiān)測(cè)也可監(jiān)視多個(gè)相同類(lèi)型的負(fù)載（如上述試驗(yàn)采用了3個(gè)相同載荷的風(fēng)扇）。如圖6所示。

圖6 監(jiān)視器全故障條件下設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常

3 外觀設(shè)計(jì)

在該監(jiān)視器各項(xiàng)功能得到充分調(diào)試驗(yàn)證試驗(yàn)后，為滿(mǎn)足工業(yè)化現(xiàn)場(chǎng)使用在電氣回路、元器件集成度，外觀造型等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 本方案結(jié)構(gòu)示意

外觀設(shè)計(jì)是電氣產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要想真正發(fā)揮其作用就應(yīng)該在研發(fā)前期一并展開(kāi)，通過(guò)創(chuàng)新手法整合各方資源，將工程技術(shù)問(wèn)題和形態(tài)造型藝術(shù)融為一體，最終達(dá)到電氣產(chǎn)品的實(shí)用、美觀、合理的高標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制設(shè)備的短路和斷路故障實(shí)施有效地在線監(jiān)控，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備電控回路中的故障隱患；（2）具備故障就地聲光報(bào)警功能及遠(yuǎn)程輸出功能，通過(guò)接入PLC 或者DCS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光字牌報(bào)警和作為故障設(shè)備相關(guān)聯(lián)設(shè)備的邏輯組態(tài)的提供邏輯判據(jù)；（3）可選負(fù)載對(duì)象廣泛，可以是電磁閥、風(fēng)扇、就地測(cè)量?jī)x表等；（4）負(fù)載接入方式靈活，可以單個(gè)設(shè)備接入也可相同類(lèi)型設(shè)備并聯(lián)接入；（5）成本低廉，工作穩(wěn)定可靠，監(jiān)控回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入、輸出電源采用直聯(lián)接法，即使在監(jiān)視裝置故障失靈條件下，負(fù)載設(shè)備供電電源也不會(huì)中斷，大大減少了實(shí)際使用過(guò)程中的故障發(fā)生率；（6）體積小，可以安裝在設(shè)備配電柜的槽鋼上，逐一設(shè)備分配，替代原來(lái)的輸出端子排使用[8]。