符特 宋福杰 盛華軍

(羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 羅定 527200)

0 引言

大多數(shù)電力系統(tǒng)故障基本都是輸送電線路產(chǎn)生的相關(guān)故障，由于這種故障的瞬時(shí)性，所以，當(dāng)故障出現(xiàn)后就會(huì)造成線路斷開(kāi)，此時(shí)只要在故障排除后，將斷路器進(jìn)行重新合閘就能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性的供電。換句話(huà)說(shuō)，也就是由于電力系統(tǒng)中產(chǎn)生類(lèi)似瞬時(shí)性的故障，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自己消除，繼而使繼電器的保護(hù)裝置產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，斷路器通過(guò)自動(dòng)重合閘裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)合閘，減少了沒(méi)有必要的停電，保證了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。由此可以看出，重合閘成功與否決定于能否實(shí)現(xiàn)可靠的工作。傳統(tǒng)的重合閘裝置都是基于電磁式的控制，而本設(shè)計(jì)采用PLC控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化重合閘，這類(lèi)重合閘具有很強(qiáng)的抗干擾能力、高可靠性及強(qiáng)擴(kuò)展能力等。

1 電磁式控制的重合閘裝置

電磁式控制的重合閘裝置的工作過(guò)程是連續(xù)性的，動(dòng)作完成的過(guò)程中任何一級(jí)動(dòng)作出現(xiàn)故障，如，繼電器出現(xiàn)動(dòng)作拒絕、錯(cuò)誤、卡住、熔焊時(shí)造成粘連現(xiàn)象和氧化等，針對(duì)其中的任意一個(gè)觸點(diǎn)，繼電器從開(kāi)始啟動(dòng)后，由于某一級(jí)的原因使重合閘完成動(dòng)作的信號(hào)無(wú)法發(fā)出，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)重合閘的功能。這種通過(guò)每級(jí)聯(lián)動(dòng)的控制方式大大降低了電力系統(tǒng)工作的可靠性。具體的多級(jí)工作過(guò)程如圖1所示。

圖1 多級(jí)工作過(guò)程

電磁式控制重合閘的內(nèi)部電路中的HL是信號(hào)燈，它的主要任務(wù)是對(duì)自動(dòng)重合閘裝置的工作準(zhǔn)備正常與否，以及中間繼電器的觸點(diǎn)KM完好與否進(jìn)行監(jiān)視。對(duì)電容C正常充電，信號(hào)燈HL繼而點(diǎn)亮。重合閘的工作過(guò)程是:KM觸點(diǎn)中的KM1、KM2、KM3、KM4常開(kāi)觸點(diǎn)如果被粘連住，相應(yīng)的KM4常閉觸點(diǎn)即斷開(kāi)，信號(hào)燈HL則熄滅。具體電路如圖2所示。通過(guò)此監(jiān)視過(guò)程可以看出，整個(gè)電路存在著較大的局限性，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)燈HL的變化，線路一旦發(fā)生相應(yīng)的瞬時(shí)自消性的故障，那么自動(dòng)重合閘裝置就失去作用。

圖2 重合閘內(nèi)部繼電器原理圖

除此之外，由于電磁式控制重合閘裝置只有多個(gè)繼電器協(xié)同作用時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)重合閘的功能，因此必須進(jìn)行大量的導(dǎo)線連接，由此也增加了故障率，同時(shí)，由于大量的導(dǎo)線連接，加大了機(jī)器的調(diào)試與檢修難度，不利于自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)。而且，這種傳統(tǒng)的電磁方式控制的重合閘裝置的功能又比較單一，擴(kuò)展相應(yīng)的控制功能比較困難。

2 重合閘自動(dòng)化的PLC控制

2.1 設(shè)計(jì)思想

PLC控制器，由于其優(yōu)良的性能，在條件惡劣的環(huán)境下能夠可靠地工作，平均無(wú)故障時(shí)間可以達(dá)到5×104h以上。實(shí)現(xiàn)PLC的重合閘自動(dòng)化控制，可利用已經(jīng)過(guò)定義的各種內(nèi)部輔助性的繼電器對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式的觸點(diǎn)繼電器進(jìn)行替代，再加以軟件的編程控制，實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)際連接的邏輯關(guān)系替代，根本上完成相應(yīng)動(dòng)作的物理連接的簡(jiǎn)化。即當(dāng)啟動(dòng)繼電器相應(yīng)保護(hù)性動(dòng)作后，重合閘完成動(dòng)作的信號(hào)只需經(jīng)過(guò)PLC的邏輯性處理即可發(fā)出，觸點(diǎn)在動(dòng)作過(guò)程中不參與。由此，解決了傳統(tǒng)的機(jī)械式的觸點(diǎn)繼電器的很多弊端，控制圖如圖3所示。

圖3 PLC自動(dòng)化控制框圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

為了對(duì)PLC中輸出的觸點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，只有借助于大功率的KA1和KA2微型繼電器完成相應(yīng)的合閘和分閘的信號(hào)轉(zhuǎn)換，才能與斷路器中的相應(yīng)功能(合/分閘)的線圈進(jìn)行連接。由于繼電器KA1和KA2的線圈都是感性負(fù)載，故而分別并聯(lián)一個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)續(xù)流，以減少切換過(guò)程中的電磁干擾。采用UPS供電保證PLC安全工作，同時(shí)也可以更好地隔離一些干擾。利用PLC實(shí)現(xiàn)控制之后，只需要將合閘繼電器和分閘繼電器中的相應(yīng)功能線圈和KA1、KA2繼電器中常開(kāi)的無(wú)源觸點(diǎn)相連接形一控制回路，內(nèi)部連接圖如圖4所示。利用軟件編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重合閘及其他的保護(hù)性功能，簡(jiǎn)化了邏輯關(guān)系，整個(gè)線路的接線更加簡(jiǎn)單，便于維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖4 系統(tǒng)內(nèi)部接線圖

根據(jù)系統(tǒng)控制要求以及需配置的I/O點(diǎn)數(shù)的分析，該設(shè)計(jì)選擇一種超小型的PLC機(jī)型，這種機(jī)型不需要任何電纜的連接就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。為便于相關(guān)工藝的更改或增加相應(yīng)的控制功能，以及故障的維修，因此在確定具體的I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)必須留有20%的備用量，以保證其擴(kuò)展能力，具體連接圖如圖5所示。系統(tǒng)故障信號(hào)常規(guī)的接線方法有:一是通過(guò)并聯(lián)的方式只使用了一個(gè)PLC的輸入點(diǎn);二是故障信號(hào)和I/O點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。通過(guò)對(duì)接線方法分析可知，后者雖然達(dá)不到前者資源的節(jié)省，但卻有利于實(shí)現(xiàn)報(bào)警的組態(tài)畫(huà)面的顯示?；诖?，該設(shè)計(jì)選用第二種接線方法。

圖5 I/O接線分配圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

利用PLC的控制方式實(shí)現(xiàn)重合閘的自動(dòng)化功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電磁式控制重合閘的所有的功能，還實(shí)現(xiàn)了靈活控制以及延時(shí)的高精度，完成的主要功能有:

1)重合閘完成相應(yīng)的功能動(dòng)作后，程序會(huì)進(jìn)行自動(dòng)返回初始化，為下一次的功能動(dòng)作的完成做準(zhǔn)備。

2)對(duì)斷路器進(jìn)行手動(dòng)斷開(kāi)的操作或者當(dāng)線路出現(xiàn)永久性的故障時(shí)進(jìn)行合閘操作，進(jìn)入鎖定狀態(tài)，即自動(dòng)重合閘相應(yīng)回路的閉鎖功能。

3)完成重合次數(shù)的限制。

4)規(guī)定次數(shù)的重合閘的功能完成后，相應(yīng)的功能動(dòng)作信號(hào)不予發(fā)出即不完成相同動(dòng)作。

5)跳閘和防止后加速。

6)按照瞬時(shí)自消性故障在線路中出現(xiàn)的性質(zhì)，可以通過(guò)軟件對(duì)重合閘動(dòng)作的準(zhǔn)備時(shí)間進(jìn)行任意的延時(shí)設(shè)定的功能等。

自動(dòng)跳閘和自動(dòng)合閘流程圖設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 自動(dòng)跳閘、重合閘流程圖

由圖6可知，利用PLC的控制方式實(shí)現(xiàn)防止跳閘的功能可以通過(guò)軟件編程，從而達(dá)到替代傳統(tǒng)電磁方式控制的重合閘裝置中KM繼電器的內(nèi)部自保持回路，并且將繼電器中的兩級(jí)防跳措施常開(kāi)觸點(diǎn)及防跳專(zhuān)用的繼電器進(jìn)行串聯(lián)，即對(duì)傳統(tǒng)的電磁方式控制的重合閘的防跳功能的硬件實(shí)現(xiàn)措施進(jìn)行完全替代。傳統(tǒng)的電磁方式控制的重合閘裝置對(duì)電容C進(jìn)行充電需15～25 s，相應(yīng)地，該時(shí)間即為重合閘進(jìn)行動(dòng)作準(zhǔn)備的時(shí)間，在進(jìn)行時(shí)間延時(shí)的程序編程時(shí)通過(guò)時(shí)間指令實(shí)現(xiàn)，基于線路出現(xiàn)具體的瞬時(shí)自消性故障的性質(zhì)，通過(guò)軟件對(duì)時(shí)間間隔的K值進(jìn)行簡(jiǎn)單的任意性修改，RC回路中的元器件的參數(shù)不會(huì)對(duì)修改造成影響。延時(shí)自動(dòng)重合閘動(dòng)作的啟動(dòng)時(shí)間也可以進(jìn)行軟件設(shè)定，同樣能夠克服出現(xiàn)于鐘表機(jī)構(gòu)的停走的弊端。PLC實(shí)現(xiàn)的控制可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單化的時(shí)間變更和高延時(shí)精度，精度最高可以達(dá)到0.001 s。

另外，由于傳統(tǒng)的過(guò)電流保護(hù)中存在時(shí)間的限制，只要出現(xiàn)一次永久性的故障，就會(huì)造成故障時(shí)間的延續(xù)，進(jìn)一步加劇危害。因此，必須實(shí)現(xiàn)故障時(shí)間的縮短。利用PLC的控制方式進(jìn)行軟件的編程設(shè)計(jì)，可以對(duì)自動(dòng)重合閘進(jìn)行后加速，主要是跳過(guò)執(zhí)行延時(shí)定時(shí)器的程序段或者對(duì)延時(shí)定時(shí)器進(jìn)行相應(yīng)的更改，縮短延時(shí)時(shí)間，完成跳閘功能回路的直接接通，可加快故障切除速度，使危害程度降至最小。

對(duì)于完成自動(dòng)重合閘實(shí)現(xiàn)重合功能次數(shù)的規(guī)定，可以通過(guò)計(jì)數(shù)器指令在梯形圖中進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果規(guī)定次數(shù)N=1，則表示自動(dòng)重合閘實(shí)現(xiàn)一次自動(dòng)重合的功能。利用這樣的編寫(xiě)設(shè)計(jì)保證程序控制功能的通用性。如果重合閘無(wú)法自動(dòng)重合，并且已經(jīng)完成了規(guī)定的重合次數(shù)，此時(shí)程序則會(huì)通過(guò)內(nèi)部繼電器及計(jì)數(shù)器對(duì)重合功能的程序段進(jìn)行閉鎖，重合閘功能停止。

3 結(jié)語(yǔ)

基于PLC的自動(dòng)重合閘裝置，實(shí)現(xiàn)硬件使用最少化及接線最簡(jiǎn)化，克服了傳統(tǒng)的電磁方式控制的重合閘裝置中復(fù)雜的接線及多動(dòng)作級(jí)數(shù)等諸多弊病，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。在軟件設(shè)計(jì)上，保證傳統(tǒng)電磁方式控制的重合閘裝置功能的N次重合，即使需要增加新的控制功能，也不必對(duì)PLC設(shè)備進(jìn)行硬件上的改變，只要完成對(duì)I/O點(diǎn)數(shù)的相應(yīng)增加，再對(duì)程序進(jìn)行改編便可以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流等保護(hù)功能。而且還可以進(jìn)行功能上的再擴(kuò)展和開(kāi)發(fā)，提高了系統(tǒng)的控制能力的實(shí)現(xiàn)和操作的靈活性，使系統(tǒng)更加實(shí)用與通用，自動(dòng)化程度更高。

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