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第4 期 总第1 2 8 期 N o ． 4 S UM N o ． 1 2 8 机 械 管 理 开 发 MEC HANI C AL MANAGEMENT AND DEV EL 0P ME NT 2 0 1 2 年 8 月 Au g ． 2 0 1 2 基于O MR O N P L C的矿井供电设备保护系统研究 张震 内蒙古神华包头能源有限责任公司李家壕煤矿， 内蒙古 自 治区东胜0 1 7 0 0 0 摘要 从 矿 井供 电系统连 续性及安全性 的角度 出发 ， 阐述 了开发供 电设备 智能保护 系统的重要意义 。重 点设计 了矿用电机 、 电缆的保护 系统硬件电路， 编写了相应的软件流程图。系统选用O MR O NP L C作为中央处理单元， 主 要实现矿井供电设备的漏电、 过载、 短路 、 过压、 欠压等故障保护及 自 诊断功能。在正式投运前进行的地面测试试验 结果表明 该保护器动作可靠、 性能稳定， 达到了预期设计 目标， 满足了矿井供 电设备保护的功能。 关键词 可编程逻辑控制器； 电力系统； 保护； 故障 中图分类号 T D 6 1 1 ． 5 文献标识码 A 文章编号1 0 0 3 7 7 3 x 2 0 1 2 0 4 0 2 0 3 0 2 0引 言 近年来 ， 随着我国经济的快速发展， 煤炭产销量逐 年提升 。而煤矿井下开采环境依然恶劣 ， 负荷波动大 ， 工况不稳定 ， 电器设备长期使用 ， 瓦斯 、 煤尘积聚 、 滴水 冒顶事故等会使电气设备绝缘强度逐渐降低 。据不 完全统计 ， 全国国有重点煤矿每年烧毁电机2 0 0 0 0 台 左右， 一个年产值3 0 0 万t 的矿井， 平均每月烧毁电机 8 O台 。此外 ， 每年还经常发生电缆火灾等事故 ， 其经 济损失相当严重。全国重点煤矿平均每年发生 电缆着 火 事故 4 0 0 ～ 6 0 0次 ， 大约损 坏 1 6 m m 电缆 5 0 0 k m i S 。 此外， 由于工人操作不当也会使供电设备出现漏电及 单相接地等故障， 甚至发生更为严重的短路事故。可 能引起瓦斯 、 煤尘爆炸 ， 直接危及人身安全和矿井设备 生产安全。与此同时 ， 随着矿井供电负荷的增大 ， 供 电 距离的增长 ， 以及机械化程度的提高和开采深度 的不 断延伸也给安全供电带来了难度。为有效保证人身及 设备的安全， 对煤矿 自动化系统提出了更高的要求。 基于上述原因 ， 开发研制矿井供 电系统智能保护系统 显得尤其重要 。 1 矿井供 电系统特点及保护原理 煤矿安全规程 规定， 井下配电变压器不得采用中 性点直接接地方式 ； 由地面中性点直接接地的变压器 或发电机不得直接 向井下供 电 。中性点非直接接地 的供电方式的特点是， 如果发生人体触电时， 则触电电 流值较中性点直接接地 系统要小 ， 所 以对人身的危害 较小 ； 如果发生单相接地时 ， 系统回路阻抗较大 ， 单相 接地电流值很小 ， 不会引起变压器 、 供电设备及线路损 坏事故或者引起 瓦斯 、 煤尘爆炸 。主要采取的保护原 理如下所述。 1 过流保护 过流保护是煤矿井下供电系统 中三 大保护之一， 它是保证井下供电安全可靠所必需的保 护措施。在保护系统的设计 中， 针对过流 的严重程度 则采用反时限的保护原理实现； 对于三相短路故障， 则 采用基于功率 因数检测 的相敏保护原理来实现 。 2 漏 电保护 单相接地是煤矿井下电网中出现概 率最高的故障形式， 约为全部电气故障7 0 ％。发生单 相接地后 ， 系统的线电压仍然对称。若没有接地保护， 没备还能继续运行 ， 但其绝缘承受的电压是正常运行 的1 ． 7 倍。更为严重的是在设备运行期间， 接地点的间 歇性 电弧有可能引起瓦斯和煤尘爆炸 ， 危及矿井安全 ， 所以， 对单相接地故障必须装设单独的保护装置 选择性漏电保护原理实现。 3 电压保护 采 用鉴 幅的思路实现 ， 经 由电压互 感器获得系统二次 电压并与实际给定值作 比较 ， 如果 超出电压幅值时， 则系统给予保护和报警指示。 4 负序保护 但当发生不对称短路故障时， 电网 中就会产生负序 电流 ， 依据电网发生不对称性故障时 电网电流中负序分量的大小作为保护依据， 电网进行 不对称故障保护的检测的方法称为负序分量检测法。 采用的保护方法称为负序保护法 。 2 硬件电路设计 保护系统硬件是保证整套保护系统正常运行 的基 础 ， 其性能优劣直接影响保护 的可靠性 。硬件 电路的 设计原则为 系统信号检测准确可靠； 用户操作简单， 方便； 保护功能完善、 成本低廉。本系统控制器选用 O MR O N C P M2 A H 一 2 0 C D R A型 P L C， 它是一种性能稳 定、 高速通信的可编程控制器。在一较小单元内综合 的功能非常丰富 ， 包括数字量膜 拟量输入 、 输 出、 脉冲 检测 、 定时中断以及大规模组网功能等 。本机含有 l 2 点 2 4 V输入和 8 点继 电器输出端 ， 同时可扩展 5 块功 能模块 ， 带有一个 R S 2 3 2 C物理接 口和一个外围接 口， 使用这两个接 口都可以与上位工控机或带 D B 9 ／ R S 2 3 2 串行 口 设备相连， 实现通信功能 。 此外 ， 本系统还扩展了数字量输入模块 l 块 。主 要功能为实现系统正常启动、 正常停止、 复位等信号的 输入。模拟量输出模块2 块， 功能为实现系统电压、 电 流、 功率因数等信号的采集。系统具体硬件设计， 如图 1 所示 ， 图中C P M2 A H为中央处理单元 ， HMI 为人机界 面 ， 2 0 E D R 一 1 、 A D 0 4 1 1 、 A D 4 1 2 分别为数字量输人与 模拟量输入扩展模块。A ／ H为自动与手动切换信号。 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 2 6 作者简介 张震 1 9 8 6 一 ， 男， 内蒙古自 治区乌兰察布人， 助理工程师， 本科， 主要从事煤矿电气自 动化控制技术方面的工作。E - m a i l z z 4 5 7 2 y a h o o ． t o m ．c n ． 2 0 3 第4 期 总第1 2 8 期 机 械 管 理 开 发 2 0 1 2 年8月 C S I 、 WS D、 D S O 分别为系统控制信号输入、 工作状态显 示和数字信号输出。D S I 1 、 A S I 1 、 A S I 2 分别为其它数 字信号输入 、 模拟信号输入 1 和模拟信号输人2 。 CP M2 AH H cP M l AH CP M 1 AH CPM1 A CP U r _ _ 1 2 O EDR1 r1 AD0 41 - 1 r_ 1 AD0 41- 2 3软件设计 甲 审 笪 堡 l 广 是否漏 电 ≥一 ＼／ 刷 新显示 l漏 电闭锁试验 畲 I 丽 注释原 因I 图2控制 系统部分软件流程 智能保护算法就是将连续的电流 、 电压输入信号 转换成可用于计算机处理的数字量， 再算出电流、 电压 等的有效值 以及相位和复 阻抗等 。系统上 电后 ， P L C 在第一个扫描周期内分别对工作参数 、 时钟中断 、 计数 器、 定时器以及对于通信端口进行初始化。主程序的 功能为循环扫描数字量输入信号、 模拟量输入信号以 及调用子程序等。设备启动后， 首先选择控制方式为 自动／ 手 动 ， 如果选择 自动 ， 则 P L C将采集到的信号与 根据预先设定的电压、 电流等电信号幅值比较， 判断是 否动作 。相反 ， 如果选择手动操作 ， 则P L C将接受现场 工人的操作指令， 按照操作指令进行一些测试或检修 工作 。保护系统软件设计流程 ， 如图2 所示 。 3 ． 2 子程序中断程序 当系统完成初始化后便进入子程序运行 ， 首先进 行漏电闭锁试验 ， 若本支路对地绝缘 电阻小于漏电闭 锁电阻设定值 ， 漏电闭锁不合闸。若闭锁无故障则进 入保护子程序。系统循环扫描其他故障信号。特别是 当有人身触电时或其他重大故障时， 则 P L C 通过中断 的方式暂时停止正在执行的任务而转向执行更重要的 任务 ， 以保证保护的快速性实现要求。 3 ． 3 抗干扰程序 指令重复执行程序 ， 适 用开关量输 入／ 输出 的抗 干扰 。一般连续两次或两次以上的采集结果基本相同 时才视为有效。若多次采集后， 信号总是变化不定， 可 停止采集， 发出报警信号。针对模拟量信号的采集可 用滤波技术 ， 数字滤波具有可靠性高和稳定性好的特 点 ， 本文采用递推平均滤波法计算得到的电参量值较 真实可信。 4 结论 矿井智能保护系统已于 2 0 1 1 年底调试完备 ， 在进 行的相应故障测试试验可得 出结论 ， 采用性价 比较高 的O MR O N公司 P L C作为 中央处理单元 ， 并增加 了控 制器抗干扰方面的措施 ， 数据采集准确可靠 ， 模拟故障 时动作灵敏快速 ， 满足保护基本要求 ； 系统的失误操作 或运行故障均可在人机界面内提供注释信息， 有效缩 短了查找和排除故障时间， 提高了效率； 整体系统的成 功测试证实了方案的正确性与合理性， 具有一定的推 广应用价值 。 参考文献 【 1 】 刘俊卿． 矿用电动机智能综合保护装置的设计【 D 1 ． 北京 中 国矿业大学 ， 2 0 0 6 5 6 6 2 ． 【 2 ] 余道洋．矿用智能型电动机综合保护器【 J 1 ． 工矿 自动化， 2 0 0 8 2 9 4 9 5 ． 【 3 1 梁美妮． 煤矿井下高压开关综合保护单元的研制[ D 1 ． 北京 中国矿业大学， 2 0 0 9 6 8 7 6 ． 【 4 】 专家解读 编委会． 煤矿安全规程 专家 解读【 M] ．北京 中国矿业大学出版社， 2 0 1 0． [ 5 】 殷洪义． 可编程序控制器选择设计与维护【 M】 ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 6 】 宫淑贞 ， 王冬青， 徐世许．可编程控制器原理及应用【 M】 ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 5 ． Th e Re s e a r c h o f M i ne Po we r Su ppl y Eq ui p m e nt Pr o t e c t i o n S y s t e m Ba s e d o n t h e 0M RoN S e r i e s P LC ZHANG Zhe n h e B a o t o u E n e r g y L i m i t e d L i a b i l i t y C o mp a n y o f S h e n h u a i n I n n e r Mo n g o l i a ， L i J i a h a o C o a l Mi n e ， D o n g s h e n g 0 1 7 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t F r o m t h e p o i n t o f mi n e p o we r s u p p l y c o n t i n u i t y a n d s e c u r i t y ， d e s c r i b e d t h e i mp o r t a n t s i g n i fic a n c e o f p o we r s u p p l y e q u i p me n t i n t e l l i g e n t p r o t e c t i o n s y s t e m． p r o t e c t i o n s y s t e m h a r d wa r e c o n fi g u r a t i o n o f mo t o r a n d c a b l e i s d e s i g n e d a n d s o f t wa r e fl o w i s c o mp i l e d i n t h i s p a p e r ． S e l e c t i o n OMRON P L C a s C P U， t o a c h i e v e L e a k a g e ， o v e r c u r r e n t ， s h o r t c i r c u i t ， u n d e r v o l t a g e ， o v e r v o h a g e a n d s e l f - d i a g n o s t i c f u n c t i o n ． B y r u n n i n g r e s u l t s i n fie l d s h o w t h a t t h e s y s t e m i s s t e a d y i n p e r f o r ma n c e ， s i mp l e i n o p e r a t i o n ， c o r r e c t i n c o mmu n i c a t i o n ， v i l e i n c o s t ， a n d wi l l b e o f g r e a t a p p l i e d v a l u e i n e n g i n e e r i n g ． Ke y wo r d s p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r ； p o we r s y s t e m； p r o t e c t i o n ； f a u l t 2 0 4
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