基于永磁操作機構(gòu)的饋電開關(guān)研究與設(shè)計

楊 志

(山西煤炭進出口集團，山西 太原 030006)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國民經(jīng)濟對于能源尤其是煤炭資源的需求量持續(xù)攀升，煤炭企業(yè)的產(chǎn)能和技術(shù)手段也在不斷進步，綜采設(shè)備的用電容量和電壓等級不斷上升，我國井下供電系統(tǒng)的安全性也面臨著考驗。井下饋電開關(guān)是井下配電系統(tǒng)重要的組成部分，承擔(dān)著保護供電線路和用電設(shè)備的重要責(zé)任，其保護動作的快速性和準確性尤為重要。傳統(tǒng)的饋電開關(guān)采用彈簧機構(gòu)或電磁機構(gòu)，近年來基于永磁操作機構(gòu)的饋電開關(guān)得到較廣泛的應(yīng)用，本文針對永磁操作機構(gòu)的饋電開關(guān)保護系統(tǒng)進行研究具有重要意義。

1 井下配電系統(tǒng)及其饋電開關(guān)

1.1 煤礦井下配電系統(tǒng)

饋電開關(guān)是煤礦井下供電系統(tǒng)重要的配電設(shè)備，要想設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理、動作準確的饋電開關(guān)，首先應(yīng)分析井下供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點。隨著井下用電設(shè)備容量和電壓等級的提高，綜采電壓和裝機容量不斷提升。目前我國煤礦多采用6 kV或10 kV動力電纜向井下供電，經(jīng)降壓后由井下配電裝置為各電氣設(shè)備供電。井下配電網(wǎng)的主要設(shè)備有移動變電站、總分饋電開關(guān)和磁力啟動器等，煤礦井下配電系統(tǒng)示意圖如圖1所示，總饋電開關(guān)Z從變壓器副邊接出，向各分饋電開關(guān)F1、F2等供電，然后經(jīng)各磁力啟動器向不同負載供電，形成了以變電站為核心的放射式結(jié)構(gòu)。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，煤礦供電系統(tǒng)的中性點不接地，由于這種接線方式單相接地故障發(fā)生時接地點電流小，又稱為小電流接地系統(tǒng)。

圖1 煤礦井下配電系統(tǒng)示意圖

1.2 基于永磁操作機構(gòu)的饋電開關(guān)

井下配電網(wǎng)的運行狀態(tài)有正常、異常和故障三種。異常狀態(tài)指的是電力系統(tǒng)在短時內(nèi)可以運行，例如系統(tǒng)中出現(xiàn)過載；故障狀態(tài)指的是電力系統(tǒng)不能運行，需要立即采取保護動作，否則將造成人身或電氣設(shè)備的損害，例如系統(tǒng)中發(fā)生短路、漏電等故障。饋電開關(guān)即是對配電網(wǎng)異常狀態(tài)和故障狀態(tài)進行保護動作的關(guān)鍵設(shè)備。

目前我國應(yīng)用廣泛的饋電開關(guān)采用彈簧機構(gòu)和電磁機構(gòu)，近些年隨著技術(shù)的進步，基于永磁操作機構(gòu)的饋電開關(guān)逐漸普及。常見的永磁操作機構(gòu)有三種，分別是單線圈式、雙線圈式和磁路分離式，三種結(jié)構(gòu)的永磁操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)、原理和特點不同。單線圈式采用一個勵磁線圈提供合閘動力，分閘動力由彈簧機構(gòu)提供，這種結(jié)構(gòu)的永磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，但是由于其結(jié)構(gòu)特點永磁體容易壞。雙線圈式分合閘由不同的兩個線圈提供動力，有合閘位置、中間位置和分閘位置三個位置，在分閘和合閘保持位置時均由永磁力保持，這種結(jié)構(gòu)的永磁機構(gòu)所需能量最小，圖2為雙線圈永磁機構(gòu)分合閘動作示意圖。磁路分離式是一種優(yōu)化磁路的結(jié)構(gòu)，使用永磁材料最少，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)精度要求高。

1-驅(qū)動桿；2-工作氣隙Ⅰ；3-合閘線圈；4-永磁體；5-動鐵芯；6-靜鐵芯；7-分閘線圈；8-工作氣隙Ⅱ

2 饋電開關(guān)硬件設(shè)計

饋電開關(guān)保護裝置通過斷路器實現(xiàn)所保護饋線各項故障保護功能，安裝在防爆腔內(nèi)，包括核心控制器模塊、模擬量采集模塊、人機接口模塊、通信模塊和開關(guān)量輸入輸出模塊和其他模塊等。

(1) 核心控制器模塊。核心控制器負責(zé)饋電開關(guān)數(shù)據(jù)的采集與處理，然后根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分辨各類故障，并根據(jù)故障類型發(fā)出控制指令和上位機通信等工作。由于饋電開關(guān)保護系統(tǒng)對實時性要求較高且數(shù)據(jù)量較大，因此選擇TI公司生產(chǎn)的TMS320F28335數(shù)字信號處理器作為主控制器，這款控制器采用32位定點CPU結(jié)構(gòu)，具有足夠外設(shè)，能夠滿足擴展要求。

(2) 模擬量采集模塊。模擬量采集指的是采集電網(wǎng)的各項運行參數(shù)，根據(jù)井下供電系統(tǒng)的常見故障，確定需要采集的參數(shù)有對地絕緣電阻、零序電流和零序電壓、三相電流和三相電壓。經(jīng)過互感器和雙運放芯片LM258采集合適的電壓，經(jīng)過二階低通濾波電路進行濾波濾除高頻信號。

(3) 人機接口模塊。人機接口模塊主要包括液晶顯示模塊和鍵盤模塊。顯示模塊能夠顯示電網(wǎng)參數(shù)和故障信息，點陣型液晶顯示屏能夠與MCU直接連接，能夠顯示4排漢字，并且能夠通過控制器的IO口進行背光設(shè)置，方便工作人員調(diào)節(jié)背光開啟與否，減少不必要的電能損耗。在主控制器頻率足夠高的情況下采取串行通信，大幅度減小了GPIO接口數(shù)量。

(4) 通信模塊。本系統(tǒng)采用國際標(biāo)準化串行通信協(xié)議CAN，主控制器28335具有CAN總線控制器功能，在設(shè)計時配置CAN收發(fā)器CTM1050，該收發(fā)器具有電源隔離、總線保護等特性，使用時直接與控制器連接，無需其他中間元器件，可靠性高。

(5) 開關(guān)量輸入輸出模塊。開關(guān)量輸入輸出模塊是接收按鍵信息、檢測饋電開關(guān)狀態(tài)信息(如各種閉鎖信號、分合閘信號)的硬件基礎(chǔ)，采用光耦芯片TLP521進行光電隔離，然后經(jīng)過達林頓管驅(qū)動繼電器動作，達林頓管采用七組NPN型陣列ULN2003，本設(shè)計采用600 Ω繼電器，采用24 V供電電源時其吸合電流為40 mA。

(6) 其他模塊。除了上述模塊之外，本系統(tǒng)還有永磁驅(qū)動模塊、溫度測量模塊、抗干擾電路模塊和存儲電路模塊等。

3 饋電開關(guān)軟件設(shè)計

饋電開關(guān)軟件系統(tǒng)主要指饋電開關(guān)保護器軟件系統(tǒng)，包括基礎(chǔ)底層支持包、驅(qū)動程序和功能軟件三大部分，基礎(chǔ)底層支持包和驅(qū)動程序是軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)軟件編寫的主要是功能軟件部分。功能軟件包括主程序、數(shù)據(jù)采集與分析子程序、故障保護子程序、人機交互子程序和通訊子程序等。

饋電開關(guān)保護裝置主程序流程如圖3所示。程序開始后進行設(shè)備初始化，然后對饋電開關(guān)狀態(tài)進行判斷，如果饋電開關(guān)斷開，則進行漏電閉鎖判斷，如果饋電開關(guān)閉合，則采集電網(wǎng)參數(shù)，進行數(shù)據(jù)處理分析，對分析結(jié)果進行判斷是否發(fā)生漏電故障，發(fā)生漏電故障后執(zhí)行機構(gòu)動作，顯示和記錄故障信息。若判斷結(jié)果為沒有發(fā)生漏電故障，那么進行菜單設(shè)置，然后依次進行過流故障和過壓故障判斷，若有故障判別程序均執(zhí)行后，返回循環(huán)，繼續(xù)采集電網(wǎng)參數(shù)，準備進行下一輪判斷。

圖3 饋電開關(guān)保護裝置主程序流程

4 結(jié)束語

煤炭開采未來向著數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，井下供電系統(tǒng)的升級改造對提高煤炭企業(yè)的安全性、實現(xiàn)高效發(fā)展具有重要意義。隨著技術(shù)的發(fā)展，基于永磁操作機構(gòu)的饋電開關(guān)正逐步替代基于電磁機構(gòu)和彈簧機構(gòu)的饋電開關(guān)。本文研究的基于永磁機構(gòu)的饋電開關(guān)系統(tǒng)能夠在井下發(fā)生漏電、過流、過壓等故障情況下準確跳閘，提高了井下供電系統(tǒng)的安全性。