基于永磁操作機(jī)構(gòu)的饋電開關(guān)設(shè)計(jì)分析

任俊卿

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016）

引言

煤炭是國民經(jīng)濟(jì)最重要的資源，因?yàn)槊旱V企業(yè)持續(xù)加強(qiáng)的技術(shù)與產(chǎn)能，所以不僅高標(biāo)準(zhǔn)要求電壓等級和用電容量合適的綜采設(shè)備，同時(shí)也要求較高安全程度的井下供電程序。在井下配電的所有程序中，饋電開關(guān)最為重要，直接反應(yīng)用電設(shè)備及供電線路的保護(hù)程度，所以要求具備準(zhǔn)確性和快速性較高程度的動作保護(hù)。傳統(tǒng)饋電開關(guān)都是老舊的電磁甚至彈簧結(jié)構(gòu)，逐步被永磁操作所代替，本文重點(diǎn)研究了饋電開關(guān)的永磁操作保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并展開研究。

1 井下饋電開關(guān)和相關(guān)的配電系統(tǒng)介紹

1.1 井下煤礦的配電程序

煤礦井下供電程序中饋電開關(guān)最為重要的設(shè)備，為了使饋電開關(guān)動作準(zhǔn)確且結(jié)構(gòu)合理，對其特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。在不斷提升井下設(shè)備相應(yīng)的電壓等級及容量的同時(shí)，也增加了裝機(jī)容量以及綜采電壓。我國煤礦當(dāng)前進(jìn)行井下供電選擇的動力電纜基本是l0 kV 或6 kV 這兩種，針對不同設(shè)備供電之前必須先進(jìn)行降壓處理。配電網(wǎng)在井下設(shè)備包含磁力啟動器和電開關(guān)的總分饋以及移動變電站，圖1配電系統(tǒng)是井下煤礦全局，變壓器接的Z 總饋電開關(guān)出自副邊，供電不同的F1、F2 分饋電開關(guān)，到達(dá)磁力啟動器最終到達(dá)負(fù)載，其結(jié)構(gòu)是放射式，核心是變電站。依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[1-2]，不可接地供電中性點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是故障出現(xiàn)在單相接地后，會有極小的接地電流，此系統(tǒng)為小電流接地。

圖1 煤礦井下配電系統(tǒng)示意圖

1.2 饋電開關(guān)的永磁機(jī)構(gòu)

井下電網(wǎng)一般會出現(xiàn)故障或異常這2 種狀態(tài)。電路出現(xiàn)漏電甚至短路時(shí)不設(shè)置保護(hù)動作則無法正常運(yùn)行電力系統(tǒng)，導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至人身傷害；而電力系統(tǒng)異常狀態(tài)是短期運(yùn)行時(shí)發(fā)生過載現(xiàn)象。電網(wǎng)出現(xiàn)故障或異常時(shí)，通過饋電開關(guān)設(shè)置保護(hù)動作比較有效。我國當(dāng)前設(shè)計(jì)的饋電開關(guān)大多引用電磁機(jī)構(gòu)或彈簧機(jī)構(gòu)，隨著不斷成熟的技術(shù)，最終選擇的饋電開關(guān)操作是永磁機(jī)構(gòu)。其中，應(yīng)用最多的是磁路分離和雙線圈以及單線圈式，它們具備不同的特點(diǎn)和原理，其操作結(jié)構(gòu)的永磁機(jī)構(gòu)也各有特點(diǎn)。單線圈式結(jié)構(gòu)最簡單，比較容易被損壞，合閘動力的提供緊靠勵磁線圈一個(gè)作用，彈簧機(jī)構(gòu)為分閘動力作用。需要最少能量的是雙線圈式，具體見圖2，提供動力時(shí)由兩個(gè)不同線圈為分合閘作用，有3 個(gè)不同的位置，分閘和合閘還有中間位置，永磁力控制合適的合閘與分閘位置。要求較高精度且具備最復(fù)雜結(jié)構(gòu)的是磁路分離式，它用到極少的永磁材料，磁路結(jié)構(gòu)相對優(yōu)化。

圖2 雙線圈永磁機(jī)構(gòu)分合閘動作示意圖

2 饋電開關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

饋電開關(guān)利用斷路器實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用，保證保護(hù)出現(xiàn)故障的饋線，大多是防爆腔中安裝保護(hù)裝置，比如輸出及輸入模塊，通信及人機(jī)接口還有采集模擬量以及控制器核心模塊，其他模塊還有開關(guān)量。

1）采集模擬量模塊：主要對電網(wǎng)采集所有的運(yùn)行參數(shù)，比如：三相電壓或電流，零序電流及電壓，還有對地電阻，在井下出現(xiàn)故障后，根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行判斷。雙運(yùn)放LM258 芯片配合互感器完成電壓的采集，其高頻信號的濾除是利用低通濾波的二階電路完成。

2）控制器核心模塊：主要是處理和采集饋電開關(guān)所有的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對故障數(shù)據(jù)結(jié)果分類由上位機(jī)通信或者控制發(fā)出指令。饋電開關(guān)通常選用TMS320F28335 型TI 公司的保護(hù)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)主控制器完成數(shù)字信號的生產(chǎn)，應(yīng)對較大的數(shù)據(jù)量和嚴(yán)苛的實(shí)時(shí)性，其CPU 結(jié)構(gòu)選擇的定點(diǎn)是32 位的控制器，可以應(yīng)對較大的擴(kuò)展場合。

3）通信模塊：選擇CAN 國標(biāo)通信串行協(xié)議的系統(tǒng)，28335 主控制器可以實(shí)現(xiàn)總線控制器CAN，其CAN 主要配置了CTM1050 收發(fā)器，具備的特性是總線保護(hù)和電源隔離，省略了連接元件，控制器直接使用連接，增加了可靠性[3]。

4）輸出和輸入的開關(guān)量模塊：是所有硬件實(shí)現(xiàn)饋電開關(guān)檢測狀態(tài)或按鍵信息接收的前提，比如不同的分合閘還有閉鎖信號，其光電隔離選擇了TLP521 光耦芯片，繼電器的驅(qū)動動作主要依靠達(dá)林頓管，它的ULN2003 陣列選擇了NPN 型共七組去組成達(dá)林頓管，繼電器選擇的大小是600 Ω，具備40 mA 的吸合電流以及供電電源是24 V。

5）人機(jī)接口：鍵盤和液晶顯示模塊都屬于人機(jī)接口。其中能夠顯示故障信息以及電網(wǎng)參數(shù)的是顯示模塊，MCU 直接和液晶顯示的點(diǎn)陣型屏連接后，可以看到四排漢字，背光設(shè)置動作需要利用IO 控制口實(shí)現(xiàn)，操作人員通過背光調(diào)節(jié)是否開啟可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗。串行通信必須具備較高的主控頻率，可以降低不少的GPIO 接口。

6）其他模塊：包含存儲電路和抗干擾電路以及溫度測量和永磁驅(qū)動等四個(gè)模塊。

3 饋電開關(guān)的相關(guān)軟件設(shè)計(jì)

饋電開關(guān)相關(guān)保護(hù)器系統(tǒng)的軟件主要有三部分：功能軟件和驅(qū)動程序以及支持包的基礎(chǔ)底層，其中通訊和人機(jī)交互以及故障保護(hù)和分析等子程序，還有采集數(shù)據(jù)和主程序都屬于功能軟件。基礎(chǔ)系統(tǒng)的軟件有驅(qū)動程序和支持包的基礎(chǔ)底層，而功能軟件主要實(shí)現(xiàn)的是編寫系統(tǒng)軟件的作用。

圖3 是保護(hù)裝置的饋電開關(guān)所顯示的相關(guān)流程主程序。初始化設(shè)備在開始程序后實(shí)現(xiàn)，接著判斷饋電開關(guān)的當(dāng)前狀態(tài)，電網(wǎng)參數(shù)的采集和數(shù)據(jù)分析處理，必須處于閉合的饋電開關(guān)狀態(tài)下；而漏電閉鎖動作發(fā)生在饋電開關(guān)發(fā)生斷開的狀態(tài)。漏電故障需要借助結(jié)果的分析去正確判斷，執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須在漏電故障發(fā)生后第一時(shí)間動作，并將故障信息進(jìn)行記錄。在無漏電故障的狀態(tài)下，繼續(xù)設(shè)置菜單，再判斷是否發(fā)生過壓甚至過流等相關(guān)故障，執(zhí)行判別程序檢測出現(xiàn)故障后，將電網(wǎng)參數(shù)重新采集，再完成之后的判斷。

圖3 饋電開關(guān)保護(hù)裝置主程序流程

4 結(jié)語

未來煤炭開采的井下供電發(fā)展方向?yàn)橹悄芑捌鋽?shù)字化，改造升級后的相關(guān)系統(tǒng)可以保障安全性煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)更加平穩(wěn)的市場開拓。在不斷成熟的饋電開關(guān)發(fā)展技術(shù)前景下，以往的彈簧機(jī)構(gòu)或電磁機(jī)構(gòu)逐步被永磁機(jī)構(gòu)而取代。在饋電開關(guān)永磁機(jī)構(gòu)操作模式下，井下出現(xiàn)過壓或過流甚至漏電故障后，系統(tǒng)可以第一時(shí)間監(jiān)測并準(zhǔn)確跳閘，進(jìn)一步保證了安全的井下供電環(huán)境。