一种交流220V设备电源监视器的设计及应用

冯有为，柯 昭，王 钢，王洪伟，郝 翰

（湖北西塞山发电有限公司，湖北黄石 435000）

0 引言

当前，在工业控制领域内，许多重要控制设备在运行条件下需要长期带电工作，而一些特殊控制设备自身由于结构原因无法建立直接的工作反馈信号，比如火电厂汽轮机危急遮断系统中的AST 阀，在机组正常运行时AST 阀必须处在带电状态，一旦前后AST 阀失电（4 只AST 一般设置为串并联结构）就会造成停机，从而对AST 阀的工作状态实施有效监控成为重中之重。然而，现阶段主要通过建立在AST 油系统上的油压控制器来间接观察AST 阀的工作状态，一旦油压控制器因取样孔堵塞、节点失效而无法实现有效监控时，同时AST 阀的控制回路出现故障，则会造成严重的后果。很多现场对AST 电磁阀短路现象进行分析，找出了引起短路的几种原因并做了相应处理，由控制回路引起的电源问题是可以克服的，但由线圈硬件方面引起的短路，在保证汽机安全稳定运行的前提下，只好先采取供电回路中增加快速熔断器的方法加以解决，但AST 电磁阀电源回路中的开路故障问题仍待解决[1]。还有大型变频器、控制器内部冷却风扇，这些冷却风扇由于嵌置在设备内部，由内置温度传感器控制启停，在巡检时很难判断风扇是否能正常工作，一旦冷却风扇回路存在缺陷，变频器极易造成超温，造成设备非停和板卡硬件损坏。因此通过完善变频器内部通风散热回路及报警功能，为变频器厂家提供了改进措施，进而实现变频器在现场的安全、稳定运行，从而为节能降耗奠定了良好基础[2]。

与此同时，在控制系统的日常维护过程中，电源系统作为仪表及控制系统的动力系统，其故障往往影响面大，不但降低了控制系统的可靠性，甚至是造成安全实施失效，交流电源设计主要包括电气专业的UPS 或GPS设计和仪表专业220 V 电源设计，电气侧电源设计一般配置一路UPS 和一路GPS，但从近年来的实际运行情况看还是应配置两路UPS 更为可靠，两路UPS 可以独立供电，也可以并机供电，双电源切换装置的切换响应时间也满足要求[3]，电源切换装置在热控系统电源中应用广泛，其可靠性影响发电厂自动化系统正常运行。不同型式的电源切换装置断电切换时间差别较大，对于要求较高的计算机控制系统，按照国家标准要求，切换时间应不超过20 ms，保证当主电源出现故障时能自动切换到备用电源控制系统能正常工作[4]。所以工控行业高度重视整个系统的电源设计，而单体设备电源回路存在诸多薄弱环节，如存在许多类似AST 阀的重要的控制设备，这些控制设备在长期的工作过程中往往会出现因碰壳接地、绝缘降低等过流造成的短路故障，或者因就地接线柜端子松脱、电缆断线、电磁阀接头虚接等造成的开路故障，如果这些故障因缺乏有效的监控而未及时处理，则会对整个控制系统的正常工作造成严重的影响，并有可能威胁到工作人员的人身安全。通常常见的设备电源故障监视采用以下两种方式，如图1所示。

图1 常见设备电源回路监视电气原理

方式一是通过负载回路在短路时，电源接入端的空开QF 过流跳闸，导致继电器K 线包失电，继电器的常闭干接点闭合作为短路故障状态输出送至DCS 或PLC 系统的显示终端。方式二是通过负载回路在短路时，熔断器FU 过流熔断，并接在熔断器FU 的发光二极管被点亮，提醒巡检维护人员该回路发生短路故障。这两种设计都基于解决设备电源回路中的短路故障，并且报警方式单一，回路的开路故障缺失有效的监测。为此开发一款具备设备电源回路中开路、短路故障的状态监测，同时具备多种报警方式的监视器成为该设计的初衷[5]。

1 设计原理

该设计方案的回路中包含有3 组监视回路：（1）正常工作监测回路；（2）短路故障监测回路；（3）开路故障监测回路。各回路独立工作并对设备电源回路实现实时在线的监测，其工作电气原理图如图2所示。

图2 监视器电气原理

该交流220 V 设备电控回路监视器设计的元器件包括：一组电源输入接线柱、一组电源输出接线柱，两组故障状态（短路、开路）输出节点接线柱，带蜂鸣器的设备开路指示灯、带蜂鸣器的设备短路指示灯、正常工作指示灯，电压继电器K1、电流继电器K2、电压继电器K3 和熔断器FU。由电流继电器K2 的常开触点K22 和正常工作指示灯串联构成第一路监视回路；由电压继电器K3 的常开触点K32 和电压继电器K1 的常闭触点K12及设备短路指示灯串联构成第二路监视回路，由电压继电器K3的常开触点K31、电压继电器K1的常开触点K11和电流继电器K2的常闭触点K21及设备开路指示灯串联构成第三路监视回路。第一路、第二路和第三路监视回路均从电源输入接口处取电。电流继电器K2采用欠电流继电器；其动作电流值可以通过电流调整旋钮调整电流继电器K2的电流整定值，从而通过电流值判断回路中存在开路或局部开路故障。

当负载设备PL处于正常工作状态时，由于回路正常工作的电流大于电流继电器K2的欠电流设定值，此时电流继电器K2呈吸合状态，其常开触点K22闭合，这使得第一路监视回路导通，LED1绿色指示灯常亮，方便巡检人员查阅负载设备PL是否处于正常的工作状态。

当负载设备PL发生短路故障时，由于回路中的短路电流过大而导致熔断器FU 熔断，此时电压继电器K1 的线圈两端的电压会由220 V 降低至0 V，从而电压继电器K1 的线圈失电，其常闭触点K12 保持闭合状态；电压继电器K3 的线圈两端的电压维持在220 V，其常开触点K32 闭合；从而第二路监视回路导通，LED3 点亮后红色闪烁并伴有蜂鸣声，以声光报警方式告知巡检维护人员负载设备PL发生短路故障；与此同时，短路状态远程输出接口9 之间的串联线路导通，该导通的开关量信号会传输至远程DCS 系统或PLC 系统，由显示设备实时显示负载设备PL发生短路故障，从而对远程的监控人员进行光字牌或弹出式报警信息提示。

当负载设备PL 发生开路故障时，电压继电器K1 和电压继电器K3 的线圈均保持有电，常开触点K11 与K31闭合；在负载设备PL 开路时，因流过电流继电器K2 的线圈的电流过小导致电流继电器K2由吸合状态转变为释放状态，电流调整旋钮10 用于调整电流继电器K2 的电流动作值，其中电流整定值根据电流继电器K2在设备调试阶段由设备实际工作的电流值整定，电流继电器K2的常闭触点K21 呈闭合状态，从而第三路监视回路导通，LED2点亮显示黄色闪烁并伴有蜂鸣声，以声光报警方式告知巡检维护人员负载设备PL 发生开路故障；与此同时，两个开路状态远程输出接口8之间的串联线路导通，该导通的开关量信号会传输至远程DCS系统或PLC系统，由显示设备实时显示负载设备PL发生开路故障，从而对远程的监控人员进行光字牌或弹出式报警信息提示。该回路具有故障保持功能，即使电源回路是发生瞬间的跳动性开路后恢复正常，该监视器也会记录该故障状态，待人工手动确认后方能消除故障报警，为设备由于接线松动类隐患排查提供了有效证据[6]。

2 功能验证

该监视器原理及功能测试时选用3 只额定电压AC220～240 V，额定电流为0.11 A 风扇并联作为负载测试（模拟干式变压器三相铁心冷却风扇），工作在正常条件下，回路工作电流为0.33 A，人工将电流继电器动作定值整定为小于0.23 A 动作，3 只风扇工作正常。正常工作状态图如图3所示。

图3 系统正常工作状态

当回路正常工作时，设备电源回路发生突发性回路开路，模拟“B相”风扇“L线”故障断线时，此时设备电源回路中发生局部开路无接地，熔断器未过流烧损，“B 相”风扇停止工作，其余风扇正常工作，回路工作电流下降至0.20 A，低于电流继电器动作值0.23 A，电流继电器及“K2”继电器动作，开路故障输出节点“闭合”，开路故障报警灯点亮闪烁并伴有报警声音输出。故障状态显示如4所示。

当回路正常工作时，设备电源回路发生突发性短路，熔断器“FU”熔断后，系统工作电流下降至0.03 A，“K1”“K2”继电器动作，短路故障报警，短路输出节点“闭合”。短路路故障报警灯点亮闪烁并伴有报警声音输出。故障状态显示如5所示.。

图4 系统开路故障状态

图5 系统短路故障状态

监视器可靠性测试：当回路正常工作时，通过拔掉“K1”“K2”“K3”继电器以及拆除电流继电器工作电源，3 只风扇均能正常工作，说明监测装置回路中即使局部或全部发生故障时，输出电源均可实现稳定、可靠供电，保障设备正常运行，验证了监视器在设备电源回路中只是充当“眼睛”的角色，能够及时将回路中的异常工况通过声光报警和节点状态输出作为信息反馈检修维护及监盘人员，同时该监视器在负载接入方面灵活多变，既可以实现对单一设备电控回路监测也可监视多个相同类型的负载（如上述试验采用了3个相同载荷的风扇）。如图6所示。

图6 监视器全故障条件下设备运转正常

3 外观设计

在该监视器各项功能得到充分调试验证试验后，为满足工业化现场使用在电气回路、元器件集成度，外观造型等进行了优化设计，优化后的结构示意图如图7所示。

图7 本方案结构示意

外观设计是电气产品研发的关键环节，要想真正发挥其作用就应该在研发前期一并展开，通过创新手法整合各方资源，将工程技术问题和形态造型艺术融为一体，最终达到电气产品的实用、美观、合理的高标准要求[7]。

4 结束语

本设计方案特点：（1）实现了对控制设备的短路和断路故障实施有效地在线监控，以便及时发现和处理设备电控回路中的故障隐患；（2）具备故障就地声光报警功能及远程输出功能，通过接入PLC 或者DCS 系统实现光字牌报警和作为故障设备相关联设备的逻辑组态的提供逻辑判据；（3）可选负载对象广泛，可以是电磁阀、风扇、就地测量仪表等；（4）负载接入方式灵活，可以单个设备接入也可相同类型设备并联接入；（5）成本低廉，工作稳定可靠，监控回路结构简单，输入、输出电源采用直联接法，即使在监视装置故障失灵条件下，负载设备供电电源也不会中断，大大减少了实际使用过程中的故障发生率；（6）体积小，可以安装在设备配电柜的槽钢上，逐一设备分配，替代原来的输出端子排使用[8]。