基于永磁操作机构的馈电开关设计分析

任俊卿

（晋能控股煤业集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

引言

煤炭是国民经济最重要的资源，因为煤矿企业持续加强的技术与产能，所以不仅高标准要求电压等级和用电容量合适的综采设备，同时也要求较高安全程度的井下供电程序。在井下配电的所有程序中，馈电开关最为重要，直接反应用电设备及供电线路的保护程度，所以要求具备准确性和快速性较高程度的动作保护。传统馈电开关都是老旧的电磁甚至弹簧结构，逐步被永磁操作所代替，本文重点研究了馈电开关的永磁操作保护系统设计并展开研究。

1 井下馈电开关和相关的配电系统介绍

1.1 井下煤矿的配电程序

煤矿井下供电程序中馈电开关最为重要的设备，为了使馈电开关动作准确且结构合理，对其特点和结构进行了分析。在不断提升井下设备相应的电压等级及容量的同时，也增加了装机容量以及综采电压。我国煤矿当前进行井下供电选择的动力电缆基本是l0 kV 或6 kV 这两种，针对不同设备供电之前必须先进行降压处理。配电网在井下设备包含磁力启动器和电开关的总分馈以及移动变电站，图1配电系统是井下煤矿全局，变压器接的Z 总馈电开关出自副边，供电不同的F1、F2 分馈电开关，到达磁力启动器最终到达负载，其结构是放射式，核心是变电站。依据《煤矿安全规程》[1-2]，不可接地供电中性点，优点是故障出现在单相接地后，会有极小的接地电流，此系统为小电流接地。

图1 煤矿井下配电系统示意图

1.2 馈电开关的永磁机构

井下电网一般会出现故障或异常这2 种状态。电路出现漏电甚至短路时不设置保护动作则无法正常运行电力系统，导致设备损坏甚至人身伤害；而电力系统异常状态是短期运行时发生过载现象。电网出现故障或异常时，通过馈电开关设置保护动作比较有效。我国当前设计的馈电开关大多引用电磁机构或弹簧机构，随着不断成熟的技术，最终选择的馈电开关操作是永磁机构。其中，应用最多的是磁路分离和双线圈以及单线圈式，它们具备不同的特点和原理，其操作结构的永磁机构也各有特点。单线圈式结构最简单，比较容易被损坏，合闸动力的提供紧靠励磁线圈一个作用，弹簧机构为分闸动力作用。需要最少能量的是双线圈式，具体见图2，提供动力时由两个不同线圈为分合闸作用，有3 个不同的位置，分闸和合闸还有中间位置，永磁力控制合适的合闸与分闸位置。要求较高精度且具备最复杂结构的是磁路分离式，它用到极少的永磁材料，磁路结构相对优化。

图2 双线圈永磁机构分合闸动作示意图

2 馈电开关的硬件设计

馈电开关利用断路器实现保护作用，保证保护出现故障的馈线，大多是防爆腔中安装保护装置，比如输出及输入模块，通信及人机接口还有采集模拟量以及控制器核心模块，其他模块还有开关量。

1）采集模拟量模块：主要对电网采集所有的运行参数，比如：三相电压或电流，零序电流及电压，还有对地电阻，在井下出现故障后，根据相关参数进行判断。双运放LM258 芯片配合互感器完成电压的采集，其高频信号的滤除是利用低通滤波的二阶电路完成。

2）控制器核心模块：主要是处理和采集馈电开关所有的相关数据，通过对故障数据结果分类由上位机通信或者控制发出指令。馈电开关通常选用TMS320F28335 型TI 公司的保护系统。实现主控制器完成数字信号的生产，应对较大的数据量和严苛的实时性，其CPU 结构选择的定点是32 位的控制器，可以应对较大的扩展场合。

3）通信模块：选择CAN 国标通信串行协议的系统，28335 主控制器可以实现总线控制器CAN，其CAN 主要配置了CTM1050 收发器，具备的特性是总线保护和电源隔离，省略了连接元件，控制器直接使用连接，增加了可靠性[3]。

4）输出和输入的开关量模块：是所有硬件实现馈电开关检测状态或按键信息接收的前提，比如不同的分合闸还有闭锁信号，其光电隔离选择了TLP521 光耦芯片，继电器的驱动动作主要依靠达林顿管，它的ULN2003 阵列选择了NPN 型共七组去组成达林顿管，继电器选择的大小是600 Ω，具备40 mA 的吸合电流以及供电电源是24 V。

5）人机接口：键盘和液晶显示模块都属于人机接口。其中能够显示故障信息以及电网参数的是显示模块，MCU 直接和液晶显示的点阵型屏连接后，可以看到四排汉字，背光设置动作需要利用IO 控制口实现，操作人员通过背光调节是否开启可以实现节能减耗。串行通信必须具备较高的主控频率，可以降低不少的GPIO 接口。

6）其他模块：包含存储电路和抗干扰电路以及温度测量和永磁驱动等四个模块。

3 馈电开关的相关软件设计

馈电开关相关保护器系统的软件主要有三部分：功能软件和驱动程序以及支持包的基础底层，其中通讯和人机交互以及故障保护和分析等子程序，还有采集数据和主程序都属于功能软件。基础系统的软件有驱动程序和支持包的基础底层，而功能软件主要实现的是编写系统软件的作用。

图3 是保护装置的馈电开关所显示的相关流程主程序。初始化设备在开始程序后实现，接着判断馈电开关的当前状态，电网参数的采集和数据分析处理，必须处于闭合的馈电开关状态下；而漏电闭锁动作发生在馈电开关发生断开的状态。漏电故障需要借助结果的分析去正确判断，执行机构必须在漏电故障发生后第一时间动作，并将故障信息进行记录。在无漏电故障的状态下，继续设置菜单，再判断是否发生过压甚至过流等相关故障，执行判别程序检测出现故障后，将电网参数重新采集，再完成之后的判断。

图3 馈电开关保护装置主程序流程

4 结语

未来煤炭开采的井下供电发展方向为智能化及其数字化，改造升级后的相关系统可以保障安全性煤炭企业实现更加平稳的市场开拓。在不断成熟的馈电开关发展技术前景下，以往的弹簧机构或电磁机构逐步被永磁机构而取代。在馈电开关永磁机构操作模式下，井下出现过压或过流甚至漏电故障后，系统可以第一时间监测并准确跳闸，进一步保证了安全的井下供电环境。