基于永磁操作機構的饋電開關設計分析

任俊卿

（晉能控股煤業集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

引言

煤炭是國民經濟最重要的資源，因為煤礦企業持續加強的技術與產能，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，饋電開關最為重要，直接反應用電設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。傳統饋電開關都是老舊的電磁甚至彈簧結構，逐步被永磁操作所代替，本文重點研究了饋電開關的永磁操作保護系統設計并展開研究。

1 井下饋電開關和相關的配電系統介紹

1.1 井下煤礦的配電程序

煤礦井下供電程序中饋電開關最為重要的設備，為了使饋電開關動作準確且結構合理，對其特點和結構進行了分析。在不斷提升井下設備相應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，針對不同設備供電之前必須先進行降壓處理。配電網在井下設備包含磁力啟動器和電開關的總分饋以及移動變電站，圖1配電系統是井下煤礦全局，變壓器接的Z 總饋電開關出自副邊，供電不同的F1、F2 分饋電開關，到達磁力啟動器最終到達負載，其結構是放射式，核心是變電站。依據《煤礦安全規程》[1-2]，不可接地供電中性點，優點是故障出現在單相接地后，會有極小的接地電流，此系統為小電流接地。

圖1 煤礦井下配電系統示意圖

1.2 饋電開關的永磁機構

井下電網一般會出現故障或異常這2 種狀態。電路出現漏電甚至短路時不設置保護動作則無法正常運行電力系統，導致設備損壞甚至人身傷害；而電力系統異常狀態是短期運行時發生過載現象。電網出現故障或異常時，通過饋電開關設置保護動作比較有效。我國當前設計的饋電開關大多引用電磁機構或彈簧機構，隨著不斷成熟的技術，最終選擇的饋電開關操作是永磁機構。其中，應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，其操作結構的永磁機構也各有特點。單線圈式結構最簡單，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雜結構的是磁路分離式，它用到極少的永磁材料，磁路結構相對優化。

圖2 雙線圈永磁機構分合閘動作示意圖

2 饋電開關的硬件設計

饋電開關利用斷路器實現保護作用，保證保護出現故障的饋線，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，其他模塊還有開關量。

1）采集模擬量模塊：主要對電網采集所有的運行參數，比如：三相電壓或電流，零序電流及電壓，還有對地電阻，在井下出現故障后，根據相關參數進行判斷。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所有的相關數據，通過對故障數據結果分類由上位機通信或者控制發出指令。饋電開關通常選用TMS320F28335 型TI 公司的保護系統。實現主控制器完成數字信號的生產，應對較大的數據量和嚴苛的實時性，其CPU 結構選擇的定點是32 位的控制器，可以應對較大的擴展場合。

3）通信模塊：選擇CAN 國標通信串行協議的系統，28335 主控制器可以實現總線控制器CAN，其CAN 主要配置了CTM1050 收發器，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）輸出和輸入的開關量模塊：是所有硬件實現饋電開關檢測狀態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參數的是顯示模塊，MCU 直接和液晶顯示的點陣型屏連接后，可以看到四排漢字，背光設置動作需要利用IO 控制口實現，操作人員通過背光調節是否開啟可以實現節能減耗。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動等四個模塊。

3 饋電開關的相關軟件設計

饋電開關相關保護器系統的軟件主要有三部分：功能軟件和驅動程序以及支持包的基礎底層，其中通訊和人機交互以及故障保護和分析等子程序，還有采集數據和主程序都屬于功能軟件。基礎系統的軟件有驅動程序和支持包的基礎底層，而功能軟件主要實現的是編寫系統軟件的作用。

圖3 是保護裝置的饋電開關所顯示的相關流程主程序。初始化設備在開始程序后實現，接著判斷饋電開關的當前狀態，電網參數的采集和數據分析處理，必須處于閉合的饋電開關狀態下；而漏電閉鎖動作發生在饋電開關發生斷開的狀態。漏電故障需要借助結果的分析去正確判斷，執行機構必須在漏電故障發生后第一時間動作，并將故障信息進行記錄。在無漏電故障的狀態下，繼續設置菜單，再判斷是否發生過壓甚至過流等相關故障，執行判別程序檢測出現故障后，將電網參數重新采集，再完成之后的判斷。

圖3 饋電開關保護裝置主程序流程

4 結語

未來煤炭開采的井下供電發展方向為智能化及其數字化，改造升級后的相關系統可以保障安全性煤炭企業實現更加平穩的市場開拓。在不斷成熟的饋電開關發展技術前景下，以往的彈簧機構或電磁機構逐步被永磁機構而取代。在饋電開關永磁機構操作模式下，井下出現過壓或過流甚至漏電故障后，系統可以第一時間監測并準確跳閘，進一步保證了安全的井下供電環境。