礦用無觸點電氣開關的研究

賈傳圣，張 寧

（江蘇師范大學電氣工程及其自動化學院，江蘇 徐州221000）

0 引 言

中國是一個產煤及用煤的大國，煤炭是支持國民經濟生活的主要能源。在生產煤炭能源的同時，煤炭行業也扮演著能源消耗大戶的角色。合理、環保、安全的產煤用煤，加快煤礦現代化的進程，提高井下的安全生產，加強工作效率就變得尤為重要。

煤礦井下的工作情況復雜，環境惡劣。當煤塵和瓦斯遇到電氣火花便具有爆炸的可能，這直接威脅到礦井內工人的生命安全。為了解決這一問題，使用無觸點開關取代有觸點的各類接觸器是避免電氣火花的有力措施。

現有的常規可控開關都是由交流接觸器、真空開關、或者油開關與繼電器或者電源操作機構構成，由于自身物理結構的限制，在機械動作時，其開斷容量很難在此基礎上進行大幅度的提高和技術更新。并且，其動、靜觸頭分開時，引起的電弧會延長電氣開關的動作時間和速度。

因此，煤礦井下對故障電流能夠及時快速斷開，解決有觸點的電氣開關可能引起的電弧火花的問題，采用新型無觸點電氣開關來取代傳統“線圈—簧片觸點式”繼電器（MER），以實現容量更大、性能更優的開關技術來迅速投切電氣設備變得迫在眉睫。

1 煤礦井下電氣開關發展及特點

下面根據煤礦井下電氣控制開關的發展狀況和使用情況，介紹幾種典型電氣控制開關，結合目前煤礦井下生產發展所需要求，分析和比較它們的技術特點以及優劣。

1．1 QC83－80型磁力啟動器

磁力啟動器是直接起動控制、遠距離控制和聯鎖控制以保護采、掘、運等用電設備的組合式開關電器。它具有多種保護功能，并且可以實現集中控制和聯鎖控制。QC83－80型磁力啟動器為傳統的啟動器。

QC83－80型磁力啟動器是仿照前蘇聯技術的磁力啟動器，是我國煤礦井下使用時間較長的磁力啟動器。其控制特點是主回路電源電壓是660 V或380 V，控制回路的電壓是36 V，屬于低電壓控制高電壓，小電流控制大電流，主要結構包括隔爆外殼、換向隔離開關、主接觸器和控制、保護元件等。其中接觸器是用于遠距離頻繁地接通與斷開交直流主電路以及大容量控制電路的一種自動切換電器。

但是，由于煤礦井下所含有的有害氣體的濃度比較高，特別是瓦斯和空氣混合后極其容易發生爆炸事故。由于電機的啟動會伴有電磁火花，容易引起瓦斯爆炸。因此QC83－80型磁力啟動器逐漸淘汰，而采用真空開關替代傳統的“線圈—簧片觸點式”接觸器，來避免電弧火花引起的危害，加強煤礦井下系統運行的安全可靠性。

1．2 QC83－120（225）Z型真空磁力啟動器

QC83－120（225）Z型真空隔爆型電磁啟動器是一種組合電器，主要由隔離開關、接觸器、熔斷器、繼電保護裝置、按鈕等元件組成，并將其裝在隔爆外殼中，用來控制和保護電動機。

傳統QC系列啟動器使用真空接觸器其分斷能力小、觸點易燒損和熔焊、開關維修量大，所以逐漸不能適應生產的需要。為此，《煤礦安全規程》規定：井下40 kW及以下的電動機，應采用真空電磁啟動器控制。

QC80－120（225）Z型真空磁力啟動器隔爆外殼和電路板與QC83－80型基本相同，只是進、出線接線盒合并為一個，內部采用真空接觸器和JDB型電動機綜合保護器。

1．2．1 真空接觸器原理

QC83－120（225）Z型真空磁力啟動器與QC83－80型磁力啟動器的主要區別是用真空接觸器來替代傳統的接觸器。這是由于利用真空滅弧的原理，用來頻繁接通和斷開正常工作電流，具有熄弧能力強、耐壓性能好、操作頻率較高、觸頭壽命長、無電弧外噴、體積小、重量輕、維修周期較長的優點，適合在防爆場合使用。

1．2．2 真空磁力啟動器的不足之處

由于真空接觸器的真空滅弧室在制造過程中，對工藝的要求比較高，如果工藝不良，就會造成真空磁力啟動器失效，從而導致失去了防爆性能而引發瓦斯爆炸。因此，從根本上解決無電氣火花產生的可能性上來說，真空磁力啟動器作為電氣開關控制元件，在電路的控制中還是存在一定的安全隱患。

2 基于PLC的礦用無觸點電氣開關的研究

2．1 系統設計框圖

本設計從系統控制運行的安全穩定性考慮出發，旨在能夠從根源上切斷電弧產生的可能，故而采用無觸點開關，即使用固態開關來代替真空電磁起動器，并結合PLC可編程邏輯智能控制器件，以及必要的外圍電路，設計出適合煤礦井下無觸點電氣開關控制電路。設計原理框圖如圖1所示。

圖1 設計原理框圖

2．2 固態開關

本設計的創新部分在于固態開關作為一種無觸點開關具備多種優點，它能夠彌補有觸點開關的不足，較好地解決電氣開關機械動作時引起電弧火花的問題。

固態開關優越性主要體現為：沒有拉弧的現象，不會因為電弧短路產生火災事故，能減少煤礦井下安全事故，對于加強煤礦安全生產有著很大的幫助。不采用觸點電器的電磁線圈能夠極大程度地降低電能的損耗，有助于資源的節約，生產效益的提高。采用無觸點電氣開關控制，會提高系統運行的可靠性，即使頻繁的起動，也不會發生由于開關故障造成的損失。從另一方面來說，對于節約金屬類資源有很大幫助，具有一定積極性。

由于沒有任何可動的機械部件以及機械動作，固態繼電器SSR由電路狀態變換實現“通”和“斷”的功能，壽命長、工作可靠性高、沒有噪聲污染、靈敏度高、控制方便、受電磁干擾小，并且具備防潮防霉的功能。交流型SSR由于采用過零觸發的技術，因此固態繼電器SSR能夠安全可靠的用在計算機輸出接口上，減少了在接口上采用MER產生的一系列對計算機的干擾。

當然固態開關也存在著只有單一觸點、需要散熱片、存在漏電流等缺點，這些都是不可避免的，但是究其特點，選擇用固態開關作為系統電路控制開關部分具備可行性。

2．3 JDB電機綜合保護器

JDB電機綜合保護器的工作原理是將電動機綜合保護器串接于電動機電源回路中，通過采集電源回路的電流、電壓等信號來反映電動機的運行狀態、工況。通過微型計算機的應用使其功能更強大。

之所以引入電動機綜合保護器，是由于電動機燒毀的主要原因是運行時出現斷相和過載燒毀繞組。因此，有電動機存在的電路應該裝設電動機保護器，以保證在電動機出現斷相和過流運行時及時切斷工作電源，保護電動機免受損壞。小型電動機的主要保護器是熱繼電器。

大型電動機如果還使用熱繼電器對電動機進行保護的話，其連接點 （即進出熱繼電器的螺絲接線點）就容易出現發熱現象而發生故障，為避免這類問題，就出現了電動機綜合保護器。

JDB電機綜合保護器主要由漏電、過載、短路、斷相等保護組成，為礦井供電、系統安全運行，給予重要保障。

2．4 雙向可控硅控制固態開關

固態開關的驅動和觸發的方式多樣，本設計選用雙向可控硅控制固態開關。雙向固態開關是適用于遠距離頻繁操作場合的理想半導體開關，具有通、斷負載電流的能力，可控制電源的開、斷部分。同時，依據雙向可控硅能解決“線圈—簧片觸點式”機械開關的弊端，能有效地消除接點顫動的問題。而且，還可以利用小功率的控制電源實現對大功率主電路的有效控制。此外，由于雙向可控硅總是在電流過零時關斷，因此具有元件數量少，電弧不易產生的優點。

3 PLC與固態開關的應用

PLC可編程控制器具備編程簡單，可在現場修改程序，維修方便，采用模塊化結構，可靠性高，體積小，可將數據結果直接輸送到計算機，控制裝置擴展時很方便等特點。

本系統PLC為晶體管輸出型，是通過光耦合器使晶體管截止或者導通以控制外部負載電路。這類輸出單元能夠為負載提供的工作電源是DC12～24 V，但是工作時必須先驅動DC12～24 V的中間繼電器，再用中間繼電器帶動AC380 V的負載，而不能直接驅動負載。

這樣，就會使得外部接線變得復雜，其機械觸點的壽命及可靠性與PLC控制系統相差甚遠，極大阻礙了控制系統性能的發揮，給工作過程帶來了不便。為了解決這個問題，使用固態開關，就能彌補不足，實現PLC直接驅動負載電路。

采用PLC可編程邏輯控制器與LCD液晶觸摸顯示屏相結合，更具有人性化風格，便于人員學習與操作，能更加及時有效、直觀、快速的進行在線修改、檢測，獲得有效數據。

操作過程為，當合上隔離開關，給LCD液晶觸摸屏一個啟動的命令，PLC可編程邏輯控制器控制雙向可控硅固態開關，固態開關得到觸發信號導通，從而能夠帶動負載啟動運行。

同時，相應的繼電保護模塊檢測電路運行，伴有漏電、閉鎖、斷相、過載、短路等保護。

系統PLC部分的設計流程圖如圖2所示。

圖2 PLC程序流程圖

4 結束語

本文提出了采用無觸點電氣開關來替代傳統交流接觸器、真空接觸器等有觸頭的電氣開關作為煤礦井下系統的控制開關部分，其目的是為了實現對煤礦井下更為安全、可靠、高效和更具現代化的控制與管理，

旨在能夠實現從根源上解決煤礦井下電氣火花、粉塵所帶來的安全隱患問題。同時無觸點電氣控制更加符合當今煤礦工業的發展趨勢與要求，因此，研究礦用無觸點電氣開關具備可行性研究價值。

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