基于PLC的矿井低压柜漏电试验远方操作系统设计

李虎

（皖北煤电集团有限责任公司机运部，安徽宿州，234000）

0 引言

随着煤矿大型综采机电设备的不断普及，煤矿井下低压电网的漏电保护重要性愈发突出。传统的漏电保护试验操作，主要分两种：一种在中央变电所或区域变电所，需要人工按“漏电试验”按钮进行漏电试验操作；一种在远方配电点，在进行漏电保护试验操作时，需要漏电试验电工和瓦斯检查人员配合进行，在环境安全前提下，打开低压配电开关壳体，将试验电阻连通电源某相，再进行漏电保护试验。上述传统漏电试验操作方法，不但需要大量的人力成本，而且一定程度会影响煤炭生产；其次对现场漏电试验操作人员造成一定的安全隐患。文献[1]采用矿用漏电保护试验与远方合闸装置，包括移动变电站，通过低压线路与多台用电设备进行电气连接，其远方漏电试验装置连接装有遥控机构；文献[2-3]提出一种煤矿远方人工漏电跳闸试验装置，该试验装置连接在最远端的控制开关内进行试验；建立漏电保护智能监控系统和通电漏电试验保护装置动作特性的方法，将数据无线传输，分析判断漏电保护的工作状态。介绍一种应用于井下高压防爆开关的基于时序鉴别原理的高压漏电保护装置的硬件设计，通过现场试验分析了该装置的实用性。公开一种漏电保护装置，该装置能获得良好的防水密封性能和更可靠准确的漏电试验结果。公开了一种具有无线遥控功能的井下电网远方漏电保护试验装置，采用载波遥控技术完成试验，试验跳闸后可以对上一级馈电开关进行复位送电，大大减少了操作时间，提高了作业效率，但该项产品市场价格较高，难以在煤矿大面积推广应用。上述远方漏电试验操作方法一定程度上达到预期效果,但是在与煤矿原有供电系统地对接上均存在一定的“数据孤岛”现象。

为了达到“节员增效”，本文基于提出一种基于PLC的远方漏电试验操作系统，基于无人值守的目标，改造现场的低压配电开关，实现在地面集控后台远方漏电试验操作，并能远方漏电试验复位，后台实时记录漏电试验操作记录，在保证煤矿低压电网安全性前提下，提高了煤矿的生产效率。

1 远方漏电试验操作系统总体设计

当变电所某一出线电缆发生破损时，漏电保护装置判断漏电流是否超出限定值，若超出保护限值，及时切断电源回路，从而防止电气故障的的进一步扩大，保障人身与设备安全。目前煤矿井下漏电故障的主要原因如下[2]：

(1)煤矿环境原因

敷设在井下巷道的电缆，由于煤矿井下的温度与湿度较大，且运行多年，井下电缆绝缘层容易出现老化、性能下降等问题，电缆局部存在绝缘电阻下降导致放电隐患与漏电，若遇瓦斯超限，极易发生爆炸，造成不可避免的伤害；同时还会因为偶发过电压与过电流，使得电缆部分绝缘降低处发送击穿现象，从而产生集中性漏电现象。

开关设备在井下环境的长期使用，接线柱等部位容易因为潮湿环境导致漏电。柜体内部的控制变压器、接触器、继电器以及线圈等内部元件，也会因为各自原因导致绝缘恶化与漏电；低压馈电开关中地过流继电器，当调整螺杆设置不当时，也会因为对地放电而造成漏电现象。

(2)人为原因

对井下电缆维护与管理不当。比如，线缆的摆放不规范，造成电缆外皮与周边环境长期摩擦破损；或者工人工作时劳动工具容易将电缆割伤或碰伤。此外在搬运大型机电设备时候，对电缆保护措施不到位，造成电缆砸伤或破损漏电事故发生；开关设备检修后，未能及时清理干净开关内的线头与金属碎片，或者将检修工具与零件遗忘在馈电开关内，这些额外部件极易碰到相线，导致送电后漏电现象的发生。

电缆施工接线错误、电缆与设备连接芯线接头不牢靠，封堵不严，压板不紧造成接头松动脱落，使得相线接触金属外壳而导致漏电。对已经受潮的电气设备，未经严格的干燥处理与对的绝缘电阻与耐压试验，又投入运行也极易导致漏电故障发生。

为达到节员增效目标，可以改变传统煤矿漏电保护试验操作惯例，通过PLC扩展数字量输出与输入口，分别与现场控制执行动作机构实现数据交互，使得地面监控后台能够远方执行漏电试验操作，完成漏电保护试验工作。

基于PLC的煤矿远方漏电试验操作系统的整体结构如图1所示。整个系统分为三层：第一层位于地面机电集控中心，通过地面集控中心可以实时观测到井下设备的实际情况，能够实时掌控远方漏电试验操作的结果，后台计算机能够实时记录远方漏电试验操作事件，包括试验时间、试验开关、操作人、试验操作结果评估等信息；第二层是以太网传输部分。井下环网节点交换机负责地面机电集控中心与现场漏电试验操作点PLC装置的数据交互。第三层是井下二级变电所和远方配电点，它是煤矿井下供电的远端部分也是最需要实现远方漏电试验操作的地方。该系统主要通过现场隔爆型PLC控制柜执行漏电试验操作逻辑，达到漏电试验操作效果，并能将实时试验结果反馈给地面机电集控中心。

图1 基于PLC的远方漏电保护试验操作系统平台整体图

2 远方漏电试验操作系统设备选型

2.1 漏电试验电阻选型

根据研究表明人体所能承受的最大电流与作用时间的乘积为30mA*s时，再预留一定的安全系数，即为安全值。从保护人身安全的角度出发，30mA*s就是漏电保护的一个指标。为实现这个指标，必须提高电网对地漏电通路的绝缘电阻。

对于中性点不接地的系统其人身触电电流I触电为

其中U相为线路的相电压，R人体为人体电阻，R绝缘为单相对的绝缘电阻。

当人身触电电流I触电≤30mA，在660V的电网，R绝缘≥ 35kΩ，总绝缘电阻（11.7kΩ），因此规定660V电网单相漏电电阻动作值为11kΩ[5]。当系统电网为1140V的单相漏电电阻动作值为20kΩ；系统电网为127V的单相漏电电阻动作值为2kΩ。

2.2 西门子PLC模块选型

根据现场对漏电试验操作的诸多技术要求，控制模块选择西门子S7-1200系列PLC，主要PLC模块选型响应现场要求。如果仅仅需要执行漏电试验动作、复位与反馈现场开关状态，只需要扩展数字量输入输出模块；如果现场馈电开关具备智能通信功能，就可以加装485串行通信模块。为实现地面监控后台实现远方漏电试验操作，需要集成以太网接口的CPU 1214C模块。除此之外，需要考虑地面监控后台微机、光电转换装置、隔爆型电阻箱以及用于视频监控的隔爆型摄像头等其他设备，系统主要设备选型如下：

表1 主要设备选型表

2.3 通信平台架构设计

煤矿井下变电所与配电点数量众多，除中央变电所以及部分区域大巷变电所位置固定外，绝大多数配电点需要根据采煤掘进面地推进而移动，地理位置与距离复杂多变。由于井下多已经完成万兆环网建设，仅仅需要从配电点扩展一条光纤通道到环网节点，即可完成配电点馈电设备远方漏电试验操作的数据交互，同时能够实时上传漏电试验操作点处的实时视频影像。

2.4 不间断电源设计

当远方漏电试验正常执行接通漏电电阻动作时，馈电开关或者上级配电柜会执行漏电跳闸动作，使PLC处于短时间的无电源状态，PLC将无法把收集到的信息传递给地面，因此需要在矿用隔爆兼本安型PLC控制箱中设置备用电池模块。当电路漏电试验成功执行漏电跳闸动作时，备用电源能够继续给PLC控制箱供电，保证数据处理与光电转换设备的正常运行，使PLC能够实时监测并上传馈电开关的实际开关状态。

3 远方漏电试验操作系统软硬件设计

3.1 硬件设计

PLC控制箱主要分为电源、PLC控制电路、本安隔离电路、人机界面以及光电转换五部分。电源主要作用是经过降压、滤波得到低压供电电源，主要分为本安型DC24V与非本安型DC24V，给不同部件提供合适的供电电源；PLC控制主要完成信号采集与逻辑控制功能；本安隔离电路主要是满足煤矿对本质安全电路的需要；人机界面以及光电转换部分能够实现数据的就地与远方交互。

磁力启动开关中的通信接口可以实时与PLC控制箱中的RS485模块实现数据交互；开关状态扩展点主要将开关状态反馈给PLC控制箱的DI模块；而磁力启动器的复位、分闸与合闸扩展点可以通过PLC控制箱的DO模块实现远方控制。磁力启动器中的单相火线通过电阻箱与PLC控制箱内的高压继电器达到模拟接地操作，从而带动对应馈电开关漏电跳闸。

当地面集控后台进行远方漏电试验时，系统根据实际电压等级，吸合对应电压等级的漏电试验电阻并可靠接地，若上级馈电开关漏电跳闸，则远方漏电保护试验操作成功。当完成远方漏电试验操作后，通过复位操作对磁力启动开关进行远方复位，保证磁力启动开关的正常运行。若上级馈电开关没有漏电跳闸，则反映了漏电保护器存在故障，提醒技术人员去现场修复。

3.2 软件设计

使用博途TIA Portal V15.1软件以及触摸屏软件进行程序模块编写，图2为系统软件程序框图，其中串行通信部分针对具备智能通信功能的磁力启动器设计的组件，如不具备智能通信功能，则通过开关内的扩展DI/DO口进行数据交互。继电器选型高压继电器，其触点最大耐压3.3kV，根据试验地点自动切换漏电试验电阻并可靠接地。远方漏电试验操作的结果实时在数据库中记录并实时反馈给地面监控后台，及时提醒工作人员的远方漏电试验操作的结果。

图2 软件程序框图