一种远程高压电机绝缘测试装置的开发研究

何锁侠，佟洪明，肖 骥，李开寒

（1.南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司，江苏南京 210041；2.武汉科技大学，湖北武汉430081）

1 引言

南钢矿业公司选矿厂因生产工艺的特殊性，需要频繁的对球磨机进行摇测绝缘。目前，传统的在高压柜后对设备摇测绝缘的方法有3种，第一种是测试人员到现场，打开高压柜后门，对被试品充分放电后用相应电压等级的兆欧表进行检测；第二种是在高压柜后门上开孔，检测绝缘时，打开孔盖板，用绝缘棒将线连到被试品，进行绝缘检测；第三种是将断路器及小车拖出仓，打开高压柜内活门，用绝缘棒将线连到被试品进行绝缘检测。这3种方法都要测试人员到现场手动操作，并且要破坏高压柜的“五防”机构【1】，对人员、设备都造成了危害，增加检修费用。

因此，研究一套远程遥测设备绝缘的装置，使设备绝缘摇测不用打开高压柜门，不用人员手动现场操作，而是在远方利用电脑操作检测高压设备的绝缘电阻非常有意义，可使设备绝缘检测真正做到由“摇测”向“遥测”的转变【2】。

2 装置整体框架的设计

梅山铁矿的4台球磨机的电机的绝缘测试主要以人工手动操作为主，操作人员危险系数比较高，破坏了高压柜的“五防”机构，针对当前高压电机绝缘测试控制自动化水平不高的问题，开发出一套以PLC为核心的远程高压电机绝缘测试装置【3】，主要包括如下几方面机构和功能，如图1所示。

图1 绝缘测试装置构造和功能图

其中线型1为数据通讯开发，线型2为PLC控制逻辑设计设备，线型3为机械联锁控制设计。

（1）HⅠM显示屏，该设备可直观显示4台高压电机的绝缘值，并能记录前20次测量绝缘值参数，测试数据自动更新，现场数据报警及历史数据生成。

（2）S7-200 PLC，该设备作为整个设备的核心，其主要功能是实现对检测过程进行逻辑控制，并与绝缘测试仪和触摸屏进行信息通讯。

（3）绝缘测试仪，该设备主要作为高压电机绝缘的测量设备，快速准确测量电机的绝缘，并向PLC传送电机绝缘测试的实时数据。

（4）机械抓，该装置主要实现绝缘测试线与被试品之间的自动连接与分离。

3 P L C控制系统设计

3.1 硬件设备的改造与设计

3.1.1 绝缘测试仪表的改造

绝缘测试仪是该装置的主要测量装置，如图2所示【4】，为电子绝缘电阻表的结构框图。在装置调试的过程中发现了一些问题，主要概括为以下2点：

图2 电子式绝缘电阻表的结构框图

(1)交流零线、地线对绝缘值测量的影响

在实验中，首先使用三相四线制AC220V通过开关电源转换为DC12V向绝缘测试装置供电。分别使用绝缘测试装置和传统绝缘摇表，对现场电机A相反复测量绝缘值，发现绝缘测试装置测量值与真实值偏差很大，由绝缘测试装置测量值的特性发现，当测量端未短路时，绝缘测试装置的L测量端和E接地端接入了另一个等效电阻。故而判断AC220V转换DC12V开关电源地线零线与绝缘测试装置的地线未完全隔离。

(2)RS-485通信对绝缘值测量的影响

在S7-200与连接上RS-485通信电缆测量绝缘值得到测量数据，通过对测量数据的分析得知在通信开启状态下，绝缘测量值受到干扰。RS485总线是一种常见的串行总线标准，虽然采用平衡发送与差分接收的方式，具有抑制共模干扰的能力，但在现场复杂的环境下，各个节点之间存在很高的共模电压已经超过了RS-485接收器的极限接收电压。

针对以上两种依次出现的故障状况，对原有的绝缘测试仪表进行了两方面的改造：

1)选择现场DC220V电源通过开关电源转换为DC12V为绝缘测试仪供电，完全隔离开了地线之间的干扰；

2)通过DC-DC将系统电源和RS-485收发器的电源隔离；通过使用二次集成芯片将信号隔离，彻底消除共模电压的影响。

至此，通过加入RS-485通信模块和控制模块，将原有高压绝缘测试仪独自研发成了一种具有测量准确、具有高抗干扰能力的新一代电子式绝缘检测仪。使测量数据能够上传入上位机，并且通过上位机可以控制高压绝缘检测仪检测。

3.1.2 机械抓

机械抓具有自动投切及智能电动驱动装置，如图3、图4所示，驱动装置具有动静触头两部分，通过远程遥控电动机带动动触头与静触头闭合与断开，实现绝缘测试线与被试品之间的自动连接与分离，也可手动操作；装置上增加辅助接点，实现与断路器及地刀之间的闭锁与反闭锁，确保摇绝缘与高压柜五防功能的结合。

图4 绝缘检测电动驱动装置控制原理

图3 绝缘检测机械抓示意图

3.2 绝缘监测设备控制逻辑设计

按照检测工艺和操作要求，安全准确的完成监测工作，设计如下控制时序。

如图5所示，在绝缘测试装置控制柜上电后，监测每个高压电机的高压电源是否分闸，机械手是否咬合，小车是否到试验位。在系统启动后，高压电源分闸，机械臂咬合，小车到试验位（即准备好）的高压电机A相继电器闭合，2 s后绝缘测试装置检测，10S后绝缘测试装置结束检测（其中第8秒将检测数据发送给PLC），2S后A相继电器断开，6S后开始检测B相。B相检测时序与A相相同。在该电机检测结束后，系统自动开始检测下一个准备好的高压电机绝缘值。

图5 系统检测控制时序

3.3 P L C与绝缘测试仪的通信设计

(1)通信硬件进行搭建

PLC与绝缘测试仪采用RS-485通信协议通讯，S7-200通讯口引脚分配定义，如下表1所示。并对PLC和绝缘测试仪的具体通讯协议和通信设置进行设置，如表2所示。

表1 R S 485通信口引脚分配

表2 P L C 485通信口协议配置

(2)通信软件进行设计

通信软件设计的流程如图6所示。

在发送读取数据命令过程中，何时触发发送中断是个重要的问题。经研究实验发现，在绝缘值测量过程中，由于电机属于电容性电阻，故而通过绝缘测试装置测量绝缘值时，存在一个充电过程。绝缘测试装置在开始检测后，检测值会随充电情况上升只到充电饱和，故而选择在每次绝缘测试装置开始工作（可在触摸屏上设置检测时间长度）触发发送中断，将绝缘测试装置中的实时数据发送到PLC中，并储存在相应地址中。

图6 通信软件设计的流程图

故而PLC在VW4至VW16即测试时间中，通过SM0.5时钟脉冲发生位，每秒向仪表通信模块发送请求，获得实时检测数据。

4 触摸屏的设计

4.1 触摸屏的页面设计

本触摸屏设计为4个页面，分别为：主页面，当前绝缘值页面，绝缘报警值设定页面，历史参数页面【5】。可以通过触摸屏幕下端的相应的按钮实现各画面的切换，如图7所示。

图7 触摸屏页面

如图7所示，显示的是初始画面，显示时间，可以通过“时间设置”按钮，可以设置现场时间。

触摸“当前绝缘值”按钮，就可以分别显示1-4路（4个电机），每一路 A、B、C各自的绝缘值；再触摸“当前绝缘值”页面中的“启动”按钮便可以开始绝缘值检测，通过绝缘值与绝缘报警值相互比较，系统判断绝缘值正常和故障，并产生报警；触摸“停止”按钮，完成检测工作，并且监测数据自动显示在历史参数画面；触摸屏上1号至4号按钮，可以进入详细参数显示界面，如图8所示。绝缘报警值设定页面，触摸绝缘报警值显示窗口，弹出小键盘，输入绝缘报警值，并可以对其进行微调。绝缘报警值设定绝缘值的下限，一旦绝缘测试值小于该值则产生报警。

图8 当前绝缘值画面

触摸“历史参数”，历史参数页面就可显示每次检测完成后，每一个检测数据；报警信息；巡检仪数据发送时间。

4.2 触摸屏数据处理脚本开发

触摸屏通过以太网与S7-200的以太网模块通信，而根据通信协议，从PLC地址中采集的数据需要经过编译才可正确显示在触摸屏上。

为了解决这个问题，在触摸屏的后台脚本中编写了程序。其中小数点位，单位信息，测量值信息，分别储存在VW206，VW208两个字地址中。内部变量S_1a为提取后的单位地址，R_1a为测量值信息，T_1a小数点位信息。经过如此处理系统正确处理了从PLC传输到触摸屏上的信息，并使其以直观方便的形式显示出来。

5 远程遥控设计

5.1 对高配测控柜的改造设计

高配测控柜均有远程控制及遥信功能，可用后台电脑操作。为了实现绝缘遥测的目的，对高配测控柜进行了改造，增加了DO板及压板。

5.2 对高配测控柜的通信改造

为了实现绝缘数据遥信的目的，通过RS485通讯线及PSX643集中式规约转换装置，编写Modbus规约转换程序将PLC储存的绝缘测试值上传到电脑后台。高配综保后台绝缘测试画面如图9所示。

图9 高配综保后台绝缘测试画面

6 结束语

所开发研究的远程高压电机绝缘测试装置运用于梅山铁矿的4台球磨机的电机的绝缘测试，提高了高压电机绝缘检测的自动化水平的，保障了工人的人身安全，受到厂方的一致好评！

1）当以直流220V供电，采用完全隔离的RS-485通讯模块测量现场绝缘值正确。

2）在高压试验位信号、机械抓咬合信号、高压柜分闸信号全部发送到绝缘检测仪装置中后，触摸启动按钮开始绝缘值检测工作。至检测完成后，触摸停止按钮停止检测，记录数据。全部过程一键式操作，安全便捷。

3）设计的高压电机绝缘测试装置具有一套绝缘测试系统测试多台电机绝缘，不论是远程还是就地测量，均不用打开高压柜后门，测量速度快，对设备的机械结构破坏小，值班人员操作安全系数高。

[1]中国电力企业联合会.3～110KV高压配电装置设计规范 [M].北京：人民出版社，2009.

[2]刘杰.高压电机绝缘在线监测系统的研究 [D].太原理工大学，2010.

[3]陈远立.电气控制与可编程控制器[M].广州：华南理工大学出版社，2004.

[4]曹作群,肖红清,王萍.电子式绝缘电阻表[J].测量与设备，2001：30-32.

[5] 刘思文.触摸屏界面通用设计原理研究[D].上海交通大学，2009.