1 概況
目前，安全滑觸線廣泛用于給固定行駛軌道的各種運輸、起重、轉(zhuǎn)運等移動機械設(shè)備進行供電，如軌道抓斗機、行吊、門式起重機、入廠煤采制樣機、葉輪給煤機、斗輪堆取料機等。安全滑觸線與裸滑觸線相比，安全滑觸線導(dǎo)體外都有絕緣護套保護，防護外殼為工程塑料和鋁塑合金型兩種材料，導(dǎo)體為鋁合金 (內(nèi)鑲不銹鋼條 ) 或純銅。因其不受雨雪霜凍影響，適用于露天、水霧、酸霧、導(dǎo)電粉塵等較差環(huán)境。
安全滑觸線包括單極鋁滑觸線、單極銅滑觸線、多極管式安全滑觸線、無接縫安全滑觸線等形式，主要由兩部分組成：滑線導(dǎo)軌 (固定部分，與電源相接 ) 與導(dǎo)電器 (滑動部分，可在滑線軌道或內(nèi)滑動與銅條接觸取電，導(dǎo)電器用于與移動設(shè)備相連 )。
導(dǎo)電器安裝在導(dǎo)電器撥叉上，導(dǎo)電器撥叉安裝在運動的設(shè)備上，隨設(shè)備移動，導(dǎo)電器上電刷在滑觸線內(nèi)移動，從而實現(xiàn)不間斷供電。安全滑觸線系統(tǒng)一般由四條單極滑觸線組合為三相四線制供電的滑觸線系統(tǒng)，相間距為 80 mm。此外，常用的還有三相三線制、三相五線制系統(tǒng)。圖 1 為典型的安全滑觸線安裝結(jié)構(gòu)。
2 故障分析
長滑線導(dǎo)軌由單長 4 m/ 根或 6 m/ 根，使用連接器連接而成。較長的滑觸線系統(tǒng)要考慮熱脹冷縮帶來的影響，在不使用膨脹部件時，系統(tǒng)的長度*大可達到 200 m，如果系統(tǒng)長度超過 200 m，每100 m 要安裝一個膨脹器。由于每根滑線導(dǎo)軌間都有連接間隙以及設(shè)備運行的軌道間也存在收縮縫，受天氣變化、自然老化、安裝質(zhì)量、維護保養(yǎng)等方面的影響，滑線導(dǎo)軌和設(shè)備行駛軌道逐漸產(chǎn)生一些較大的間隙，導(dǎo)電器在經(jīng)過滑線導(dǎo)軌間隙或設(shè)備經(jīng)過軌道間隙時會出現(xiàn)卡跳等情況，造成導(dǎo)電器與滑線導(dǎo)軌瞬間分離，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電刷脫落或跳出滑線導(dǎo)軌。
滑觸線導(dǎo)電器的使用一般分為單導(dǎo)電器和雙導(dǎo)電器，即導(dǎo)電器與每相滑線導(dǎo)軌接觸取電為單組或雙組。
(1) 單導(dǎo)電器滑觸線。單導(dǎo)電器滑觸線的導(dǎo)電器因間隙處卡跳，會與滑線導(dǎo)軌瞬間分離，造成導(dǎo)電器及設(shè)備瞬間的單相失電，其后果：一是控制回路元件失電復(fù)位，可能造成控制邏輯紊亂；二是產(chǎn)生沖擊電流和高電壓 (一些三相電系統(tǒng)會因缺相造成中性點偏移 )。由于故障時間短，對于行車等簡單控制電氣設(shè)備的控制回路元件影響不大，但對于一些控制復(fù)雜的設(shè)備，特別是包含微機或可編程序控制器 (PLC) 的設(shè)備，如螺旋卸車機、葉輪給煤機、入廠煤采制樣機等，其微機或 PLC 受到瞬間停電沖擊的影響較大，往往會造成設(shè)備的損壞。
單導(dǎo)電器滑觸線的導(dǎo)電器因間隙處嚴(yán)重卡跳，導(dǎo)致電刷脫落或跳出滑線導(dǎo)軌，導(dǎo)電器及設(shè)備單相失電，如果控制電源未接在失電相，則可能導(dǎo)致三相負(fù)載設(shè)備在缺相情況下繼續(xù)運行，造成設(shè)備毀壞的嚴(yán)重后果。
單導(dǎo)電器滑觸線出現(xiàn)瞬間失電的頻率較高，供電可靠性低，在電刷脫落或跳出滑線導(dǎo)軌后，只能依靠普通的缺相保護電路實現(xiàn)停機，避免滑導(dǎo)線嚴(yán)重?fù)p壞。
(2) 雙導(dǎo)電器滑觸線。雙導(dǎo)電器滑觸線結(jié)構(gòu)見圖 2，在一導(dǎo)電器某相的電刷因間隙處卡跳與滑線導(dǎo)軌瞬間分離時，另一導(dǎo)電器同相的電刷與滑線導(dǎo)軌繼續(xù)保持接觸，以保證可靠供電，而不會出現(xiàn)瞬間失電現(xiàn)象。因此，雙導(dǎo)電器滑觸線供電比單導(dǎo)電器滑觸線更為可靠。
雙導(dǎo)電器滑觸線在應(yīng)用中存在一個較大的安全隱患。當(dāng)導(dǎo)電器卡跳嚴(yán)重時，即滑觸線雙導(dǎo)電器某相的電刷脫落或跳出滑線導(dǎo)軌的絕緣護套外，由于另一個導(dǎo)電器同一相保持正常供電，移動機械設(shè)備將繼續(xù)行駛，電刷脫落或跳出滑線導(dǎo)軌的導(dǎo)電器就會刮碰滑線導(dǎo)軌的絕緣護套及吊架夾、固定架等，造成滑觸線嚴(yán)重?fù)p壞，而普通的缺相保護電路無法檢測出該故障。
3 解決方案
雙導(dǎo)電器滑觸線在使用上的可靠性遠(yuǎn)高于單導(dǎo)電器滑觸線，因此，針對其在應(yīng)用中的安全隱患，通過增加電流測量、比較電路等措施及時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電器掉電故障，實現(xiàn)對設(shè)備進行保護停機，確保安全使用。設(shè)計原理為在雙導(dǎo)電器滑觸線導(dǎo)電器的引線電纜上增加電流互感器，所有電流互感器通過各自的電流變送器將電流量的變化信號送到 PLC，由內(nèi)置程序判斷是否有導(dǎo)電器掉電的情況，并及時停止設(shè)備。
以一相滑觸線為示例，雙導(dǎo)電器為該滑觸線上兩個接觸點，電源通過導(dǎo)電器 1、導(dǎo)電器 2 為設(shè)備供電，如圖 3 所示。如果是兩相及以上的滑觸線，增加相應(yīng)的電流互感器和變送器，其信號同樣送入PLC，由 PLC 程序統(tǒng)一進行比較和判斷，控制負(fù)載的運行或停止。
在設(shè)備正常狀態(tài)下，導(dǎo)電器 1、導(dǎo)電器 2 都會有電流通過，電流互感器感應(yīng)導(dǎo)線電流并以一定的比例關(guān)系輸出，一般輸出為標(biāo)準(zhǔn)的 0～ 5 A 或0～ 500 mA 交流電流信號，并送入變送器，變送器將該信號轉(zhuǎn)變?yōu)?4～ 20 mA 或 0～ 10 V 直流信號送入 PLC，PLC 內(nèi)部通過事先設(shè)計的程序進行比較和判斷。一旦檢測到某個輸入點的值為零，即輸出比較邏輯值，經(jīng)延時后，該值若依然為零，則判斷為該點對應(yīng)的導(dǎo)電器掉電，輸出控制信號停止設(shè)備運行。延時時間可以設(shè)定在 0.5 ～ 1 s，能躲過導(dǎo)電器因間隙處卡跳與滑觸線瞬間分離的時間即可，這樣不僅可以避免單個導(dǎo)電器瞬間卡跳的影響，保證設(shè)備的穩(wěn)定性，又可防止導(dǎo)電器跳出滑觸線絕緣護套造成的嚴(yán)重后果。
電流互感器的選用應(yīng)根據(jù)設(shè)備負(fù)載電流的大小合理選配，安裝和接線應(yīng)符合安全要求，有可靠的接地，并保證二次回路不得開路，以免開路產(chǎn)生高電壓造成設(shè)備損壞或危及人身安全。變送器輸出信號可以選用 4～ 20 mA 或 0～ 10 V，與 PLC 的輸入端口要求一致。電流互感器和變送器可以采用功能合一的穿孔電流變送器。
大型組合結(jié)構(gòu)的電氣設(shè)備，存在三相不對稱電流，零線滑觸線也需要將電流信號傳入 PLC，用于判斷零線導(dǎo)電器失電故障，相比于相線的電流互感器，應(yīng)采用小電流的電流互感器。
控制邏輯一般在原設(shè)備 PLC 上進行改造，滿足有足夠的模擬量輸入點即可，否則需新增一臺PLC。如果不使用 PLC 設(shè)備，可以采用繼電器控制方式替代，其電路原理與 PLC 內(nèi)部設(shè)計的程序一致。由于滑導(dǎo)線導(dǎo)電器故障出現(xiàn)時并未中斷供電，所以，在 PLC 輸出一個控制信號將設(shè)備負(fù)載停止運行的同時，可以將指令通過指示燈、顯示器、觸摸屏、蜂鳴器等方式顯示或觸發(fā)報警，提醒操作人員及時發(fā)現(xiàn)和消除故障。
4 應(yīng)用實例
某電廠 2 臺入廠煤采制樣機采用雙導(dǎo)電器滑觸線，由于使用年限較長，逐漸出現(xiàn)行走軌道間隙較大和滑導(dǎo)線安裝質(zhì)量問題，經(jīng)常出現(xiàn)滑導(dǎo)線撞壞故障，以至于維護人員將滑觸線一導(dǎo)電器拆除，改為單導(dǎo)電器滑觸線。使用單導(dǎo)電器滑觸線后，滑導(dǎo)線撞壞缺陷基本消除，但由于導(dǎo)電器因間隙處卡跳，造成采樣過程中頻繁出現(xiàn)失電停機現(xiàn)象，需上電重啟，嚴(yán)重影響作業(yè)效率，甚至出現(xiàn) PLC、上位機板件燒毀故障。經(jīng)過詳細(xì)觀察、分析和研究后，采用上述方案進行實施。
雙導(dǎo)電器滑觸線一般在導(dǎo)電器處將每相兩個導(dǎo)電器電纜并聯(lián)后引至控制柜。改造首先在導(dǎo)電器至控制柜之間增加一路電纜，將每相兩個導(dǎo)電器分別接入兩路電纜，形成并聯(lián)電纜狀態(tài)。理論上并聯(lián)電纜平均分配總電流，僅因電纜本身微小的阻抗差略有偏差，滑觸線的雙導(dǎo)電器與滑線導(dǎo)軌正常接觸情況下，不會出現(xiàn)兩路電流差距過大或一路有電流而另一路電流為零的情況，這也是設(shè)計的理論基礎(chǔ)。
原入廠煤采制樣機的 PLC 為 Modicon TSXQuantum 系列，CPU 為 140 CPU31110，配套一塊模擬量輸入模塊 Modicon TSX Quantum 140ACI04000。現(xiàn)場檢查該模塊有足夠的冗余通道，無需增裝模擬量輸入模塊。
由于采樣機總功率 61.7 kW，運行*大負(fù)載一般不超過 50 kW，故三相電源相線電流監(jiān)測采用6 個 CZCL-I-A7-P1-O4-φ38 單相穿孔電流變送器，電源零線電流監(jiān)測采用 2 個 CZCL-I-A3-P1-O4-φ38 單相穿孔電流變送器。CZCL-I-A7系列輸入高限為 100 A AC，CZCL-I-A3 輸入高限為 10 A AC，輸出都為 4～ 20 mA DC 信號，供電電源為 DC 24 V，精度為 0.5 %。將電源電纜依次穿過穿孔電流變送器，實現(xiàn)單相電纜電流監(jiān)測。
電流比較判斷、故障輸出程序編制。比較回路為各相兩路間電流相互比較，采用 COMPARE (比較兩個整數(shù) ) 模塊來執(zhí)行。程序設(shè)計要考慮僅控制回路或單相負(fù)載運行時，存在一相或兩相無電流的狀態(tài)，需篩選排除此正常狀態(tài)。因此，程序采用兩個比較模塊通過“與”邏輯的方式進行篩選。在某一相中，當(dāng)前一個 COMPARE 判斷一側(cè)有電流，后一個 COMPARE 判斷另一側(cè)無電流時，“與”條件成立，即導(dǎo)電器出現(xiàn)一側(cè)失電。兩個COMPARE 模塊分別設(shè)置為電流數(shù)值大于 100 和小于等于 3，作為有電和無電的條件，以數(shù)值 100為例，對應(yīng)的實際相電流值為 0.1 A，實際零電流為 0.01 A。當(dāng)某一相中的兩路導(dǎo)電器電流數(shù)值大于 100 或小于等于 3 時，即為正常的有電和無電狀態(tài)，比較回路不動作。比較回路動作后，經(jīng)時間繼電器延遲，驅(qū)動故障輸出繼電器動作，停止設(shè)備運行。延時程序主要采用 TON (接通延遲 ) 命令，延時時間設(shè)定為 0.5 s。在現(xiàn)場測試中發(fā)現(xiàn)兩導(dǎo)電器偶然存在接觸壓力和滑導(dǎo)線污漬影響，可能產(chǎn)生電流差，故增加 3 s 延遲電路，避免誤動作。
5 結(jié)束語
單導(dǎo)電器滑觸線的導(dǎo)電器因間隙處卡跳引發(fā)設(shè)備瞬間失電，造成設(shè)備停止甚至損壞；雙導(dǎo)電器滑觸線在一導(dǎo)電器因間隙處卡跳與滑觸線瞬間分離時，另一導(dǎo)電器與滑線導(dǎo)軌繼續(xù)保持接觸，保證了供電的可靠性。但因雙導(dǎo)電器滑觸線導(dǎo)電器卡跳嚴(yán)重時無法及時監(jiān)測斷電，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞的安全隱患，影響了其推廣應(yīng)用。通過增加簡單的電流測量、比較電路后，能及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場故障，對設(shè)備進行保護性停機。在某電廠入廠煤采制樣機上改造實施后，實現(xiàn)了設(shè)備故障的及時發(fā)現(xiàn)與處置，提高了設(shè)備使用效率，相關(guān)措施可在采用滑觸線供電的設(shè)備上推廣使用。
