基于永磁操作機構(gòu)的饋電開關(guān)設(shè)計分析

任俊卿

（晉能控股煤業(yè)集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

引言

煤炭是國民經(jīng)濟最重要的資源，因為煤礦企業(yè)持續(xù)加強的技術(shù)與產(chǎn)能，所以不僅高標準要求電壓等級和用電容量合適的綜采設(shè)備，同時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程度，所以要求具備準確性和快速性較高程度的動作保護。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，本文重點研究了饋電開關(guān)的永磁操作保護系統(tǒng)設(shè)計并展開研究。

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)動作準確且結(jié)構(gòu)合理，對其特點和結(jié)構(gòu)進行了分析。在不斷提升井下設(shè)備相應(yīng)的電壓等級及容量的同時，也增加了裝機容量以及綜采電壓。我國煤礦當(dāng)前進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)，到達磁力啟動器最終到達負載，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，優(yōu)點是故障出現(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)漏電甚至短路時不設(shè)置保護動作則無法正常運行電力系統(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)是短期運行時發(fā)生過載現(xiàn)象。電網(wǎng)出現(xiàn)故障或異常時，通過饋電開關(guān)設(shè)置保護動作比較有效。我國當(dāng)前設(shè)計的饋電開關(guān)大多引用電磁機構(gòu)或彈簧機構(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和原理，其操作結(jié)構(gòu)的永磁機構(gòu)也各有特點。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作用，彈簧機構(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，提供動力時由兩個不同線圈為分合閘作用，有3 個不同的位置，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 雙線圈永磁機構(gòu)分合閘動作示意圖

2 饋電開關(guān)的硬件設(shè)計

饋電開關(guān)利用斷路器實現(xiàn)保護作用，保證保護出現(xiàn)故障的饋線，大多是防爆腔中安裝保護裝置，比如輸出及輸入模塊，通信及人機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)進行判斷。雙運放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 公司的保護系統(tǒng)。實現(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)量和嚴苛的實時性，其CPU 結(jié)構(gòu)選擇的定點是32 位的控制器，可以應(yīng)對較大的擴展場合。

3）通信模塊：選擇CAN 國標通信串行協(xié)議的系統(tǒng)，28335 主控制器可以實現(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)動動作主要依靠達林頓管，它的ULN2003 陣列選擇了NPN 型共七組去組成達林頓管，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）人機接口：鍵盤和液晶顯示模塊都屬于人機接口。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 控制口實現(xiàn)，操作人員通過背光調(diào)節(jié)是否開啟可以實現(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)動等四個模塊。

3 饋電開關(guān)的相關(guān)軟件設(shè)計

饋電開關(guān)相關(guān)保護器系統(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，其中通訊和人機交互以及故障保護和分析等子程序，還有采集數(shù)據(jù)和主程序都屬于功能軟件?；A(chǔ)系統(tǒng)的軟件有驅(qū)動程序和支持包的基礎(chǔ)底層，而功能軟件主要實現(xiàn)的是編寫系統(tǒng)軟件的作用。

圖3 是保護裝置的饋電開關(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)行機構(gòu)必須在漏電故障發(fā)生后第一時間動作，并將故障信息進行記錄。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)展方向為智能化及其數(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，以往的彈簧機構(gòu)或電磁機構(gòu)逐步被永磁機構(gòu)而取代。在饋電開關(guān)永磁機構(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)可以第一時間監(jiān)測并準確跳閘，進一步保證了安全的井下供電環(huán)境。