堆料机综合保护装置在线监测系统

齐佳龙

秦皇岛港股份有限公司第九港务分公司

1 引言

秦皇岛港煤五期堆料机高压进线柜采用西门子7SJ62-5EB90-1FD0综合保护装置(以下简称7SJ62综保装置)进行保护整定，该设备具有电流速断保护、欠压保护、接地故障保护等功能。7SJ62综保装置的运行可靠性关系到整个堆料机供电系统稳定性，一旦综保装置运行状态异常，就可能造成保护功能失效，同时还会导致高压柜真空断路器跳闸，严重的甚至会烧坏综保装置。

2017年，煤五期某堆料机曾发生一起高压进线柜掉电故障。初步检查发现高压柜7SJ62综保装置的220 V控制电源跳闸，导致高压柜VD4真空断路器跳闸。技术人员更换综保装置的保险后，仍无法合闸。拆解综保装置后，发现线路板已烧毁，只能选择更换新的装置，导致长时间的故障延时。此次堆料机高压柜掉电是因为综保装置发生故障后，没有被及时发现并进行处理修复，长时间带故障运行造成设备损坏。因此，开发一套能够实时监测综合保护装置运行状态，并及时发现综保装置异常情况和故障隐患的系统，对保障堆料机高压供电系统的稳定性起着十分重要的作用。

2 系统基本结构

本项目一方面利用7SJ62综保装置完备的保护功能，根据现场设备运行实际情况设置整定保护参数；另一方面，通过DIGSI软件建立7SJ62综保装置与PLC之间的通信，编写PLC程序实现状态参数采集，并在FactoryTalk SE 6.0平台环境下开发堆料机综保装置在线监测系统。管理人员可以通过安装的客户端软件访问该系统，实现远程查看和监测堆料机高压柜综保装置运行情况。

系统主要包括以下几个部分：①DIGSI4.91软件DP通信设置；②保护参数定值的计算；③编写的PLC程序，采集参数，设置过流、欠压等报警；④运用于FactoryTalk SE 6.0软件开发堆料机综保装置监测系统客户端软件平台。系统结构框图见图1。

图1 系统结构框图

3 数据采集设计

为了监测7SJ62综保装置的运行状态，首先将采集到的测量值上传至PLC，然后对采集到的数据进行分析处理。要读取7SJ62综保装置中的测量数据，需要分为两个步骤：PC机与7SJ62通信设置、7SJ62与PLC通信设置。

(1)PC机与7SJ62通信设置：PC机通过安装DIGSI软件与7SJ62进行通信，使用RS232通信电缆，需要使用交叉线，交叉线接法只需要将公头端子2、3与母头的端子3、2连接，5与5连接即可。

(2)7SJ62与PLC通信设置：通过Profibus总线将7SJ62综保装置实时数据传递至PLC，通信前需要配置综保装置中的参数，参数配置软件采用西门子开发的DIGSI 4.91软件，地图文件版本选择mapping file 3-3；DP地址需参照各设备的Profibus通信中规划的数值来进行设置，秦皇岛港煤五期堆料机中需设置DP_Address=4，其他参数为默认值，设置完成后即可与PLC之间通信。

4 保护参数计算

4.1 电流速断保护

电流速断保护主要针对电动机内部定子绕组以及电源进线发生相间及接地短路故障的保护，在电动机启动过程期间以及启动结束后续运行过程中，应分别选用不同方法计算电流整定值Izd[1]。

在电动机启动时，为满足电动机在满载启动过程中短路保护不发生动作，因此要求保护动作电流整定值Izd应大于满载启动时启动电流Iqd，即：

Izd=k×Iqd

(1)

式中，k为电动机启动电流倍数，一般k取值为5～7。

在电动机后续运行过程中，保护动作电流整定值Izd的整定可不必考虑电动机的启动电流影响[2]。因此，按照额定电流Ie的整数倍整定，即：

Izd=n×Ie

(2)

式中，n为电动机额定电流倍数，一般n取值为5～8。

按照上述方案设计电流速断保护数值，能够提高电动机在启动及运行过程中电流速断保护的灵敏性和可靠性。当满足故障电流大于保护动作电流整定值Izd的条件时，电流速断保护即可迅速动作跳闸。堆料机悬皮高压电机选用型号为西门子1LA4352-6AN60-Z，额定功率为355 kW，额定电流为43 A。代入上述两个公式，保护动作电流整定值Izd定值应取344 A。

4.2 欠电压保护

电动机欠压运行时转矩将急剧下降，会造成电动机过载。当电动机端电压下降到额定电压的60%时，电动机将无法正常启动，因此必须对电动机设置欠电压保护[3]，即：

Uzd=0.6×Ue

(3)

式中，Uzd为电压整定值，kV；Ue为额定电压值，kV。

堆料机进线柜额定电压为6 kV，代入公式(3)，Uzd应取3.6 kV。当各相线电压均小于欠压保护动作电压整定值时，即U小于Uzd，且达到规定的延时时间后，欠电压保护发生，断路器跳闸。当电动机所接母线的进线断路器跳闸而使母线失电时，欠压保护将会闭锁而不至于误动作，同时7SJ62综保装置会显示PT断线报警信号。

5 PLC程序设计

5.1 电量采集程序

首先，根据该监测系统的设计要求，建立相应的标签表，在PLC程序中逐个创建相应的标签(见表1)。

表1 PLC程序标签表

通过PLC程序中BTD指令采集出能够表征电力系统运行状态的电量，主要包括：电压、电流、功率因数、系统频率等。电流采集程序见图2。

图2 电流采集程序

5.2 故障报警程序

根据计算的过流和欠压定值，编写PLC报警程序，当大于Idz或者小于Udz时，报警程序触发。过电流报警程序见图3。

图3 过电流报警程序

6 上位机界面设计

应用FactoryTalk SE 6.0软件开发西门子7SJ62在线监测系统。在FactoryTalk SE中，首先将各个高压柜的分合闸状态引入界面中，然后添加PLC程序读取的来自7SJ62综合保护装置中的参数变量，使其在界面中逐一显示出来，方便查看，最后添加PLC程序中设置的报警标签。当综保装置出现任何异常情况时，该监测系统便能清晰直观地显示出来。

7 结语

应用该系统，可实现对堆料机高压进线柜西门子7SJ62综合保护装置运行状态的动态监测，并及时报警。开发的上位机界面不仅便于技术人员远程查看、监视设备的运行动态，还可第一时间了解设备故障原因，及时发现故障隐患，有效避免因综保突发故障造成长时间停机、中断生产情况的发生。