矿用无触点电气开关的研究

2012-07-17贾传圣

通信电源技术 2012年5期

关键词：保护器磁力接触器

贾传圣，张宁

（江苏师范大学电气工程及其自动化学院，江苏徐州221000）

0 引言

中国是一个产煤及用煤的大国，煤炭是支持国民经济生活的主要能源。在生产煤炭能源的同时，煤炭行业也扮演着能源消耗大户的角色。合理、环保、安全的产煤用煤，加快煤矿现代化的进程，提高井下的安全生产，加强工作效率就变得尤为重要。

煤矿井下的工作情况复杂，环境恶劣。当煤尘和瓦斯遇到电气火花便具有爆炸的可能，这直接威胁到矿井内工人的生命安全。为了解决这一问题，使用无触点开关取代有触点的各类接触器是避免电气火花的有力措施。

现有的常规可控开关都是由交流接触器、真空开关、或者油开关与继电器或者电源操作机构构成，由于自身物理结构的限制，在机械动作时，其开断容量很难在此基础上进行大幅度的提高和技术更新。并且，其动、静触头分开时，引起的电弧会延长电气开关的动作时间和速度。

因此，煤矿井下对故障电流能够及时快速断开，解决有触点的电气开关可能引起的电弧火花的问题，采用新型无触点电气开关来取代传统“线圈—簧片触点式”继电器（MER），以实现容量更大、性能更优的开关技术来迅速投切电气设备变得迫在眉睫。

1 煤矿井下电气开关发展及特点

下面根据煤矿井下电气控制开关的发展状况和使用情况，介绍几种典型电气控制开关，结合目前煤矿井下生产发展所需要求，分析和比较它们的技术特点以及优劣。

1．1 QC83－80型磁力启动器

磁力启动器是直接起动控制、远距离控制和联锁控制以保护采、掘、运等用电设备的组合式开关电器。它具有多种保护功能，并且可以实现集中控制和联锁控制。QC83－80型磁力启动器为传统的启动器。

QC83－80型磁力启动器是仿照前苏联技术的磁力启动器，是我国煤矿井下使用时间较长的磁力启动器。其控制特点是主回路电源电压是660 V或380 V，控制回路的电压是36 V，属于低电压控制高电压，小电流控制大电流，主要结构包括隔爆外壳、换向隔离开关、主接触器和控制、保护元件等。其中接触器是用于远距离频繁地接通与断开交直流主电路以及大容量控制电路的一种自动切换电器。

但是，由于煤矿井下所含有的有害气体的浓度比较高，特别是瓦斯和空气混合后极其容易发生爆炸事故。由于电机的启动会伴有电磁火花，容易引起瓦斯爆炸。因此QC83－80型磁力启动器逐渐淘汰，而采用真空开关替代传统的“线圈—簧片触点式”接触器，来避免电弧火花引起的危害，加强煤矿井下系统运行的安全可靠性。

1．2 QC83－120（225）Z型真空磁力启动器

QC83－120（225）Z型真空隔爆型电磁启动器是一种组合电器，主要由隔离开关、接触器、熔断器、继电保护装置、按钮等元件组成，并将其装在隔爆外壳中，用来控制和保护电动机。

传统QC系列启动器使用真空接触器其分断能力小、触点易烧损和熔焊、开关维修量大，所以逐渐不能适应生产的需要。为此，《煤矿安全规程》规定：井下40 kW及以下的电动机，应采用真空电磁启动器控制。

QC80－120（225）Z型真空磁力启动器隔爆外壳和电路板与QC83－80型基本相同，只是进、出线接线盒合并为一个，内部采用真空接触器和JDB型电动机综合保护器。

1．2．1 真空接触器原理

QC83－120（225）Z型真空磁力启动器与QC83－80型磁力启动器的主要区别是用真空接触器来替代传统的接触器。这是由于利用真空灭弧的原理，用来频繁接通和断开正常工作电流，具有熄弧能力强、耐压性能好、操作频率较高、触头寿命长、无电弧外喷、体积小、重量轻、维修周期较长的优点，适合在防爆场合使用。

1．2．2 真空磁力启动器的不足之处

由于真空接触器的真空灭弧室在制造过程中，对工艺的要求比较高，如果工艺不良，就会造成真空磁力启动器失效，从而导致失去了防爆性能而引发瓦斯爆炸。因此，从根本上解决无电气火花产生的可能性上来说，真空磁力启动器作为电气开关控制元件，在电路的控制中还是存在一定的安全隐患。

2 基于PLC的矿用无触点电气开关的研究

2．1 系统设计框图

本设计从系统控制运行的安全稳定性考虑出发，旨在能够从根源上切断电弧产生的可能，故而采用无触点开关，即使用固态开关来代替真空电磁起动器，并结合PLC可编程逻辑智能控制器件，以及必要的外围电路，设计出适合煤矿井下无触点电气开关控制电路。设计原理框图如图1所示。

图1 设计原理框图

2．2 固态开关

本设计的创新部分在于固态开关作为一种无触点开关具备多种优点，它能够弥补有触点开关的不足，较好地解决电气开关机械动作时引起电弧火花的问题。

固态开关优越性主要体现为：没有拉弧的现象，不会因为电弧短路产生火灾事故，能减少煤矿井下安全事故，对于加强煤矿安全生产有着很大的帮助。不采用触点电器的电磁线圈能够极大程度地降低电能的损耗，有助于资源的节约，生产效益的提高。采用无触点电气开关控制，会提高系统运行的可靠性，即使频繁的起动，也不会发生由于开关故障造成的损失。从另一方面来说，对于节约金属类资源有很大帮助，具有一定积极性。

由于没有任何可动的机械部件以及机械动作，固态继电器SSR由电路状态变换实现“通”和“断”的功能，寿命长、工作可靠性高、没有噪声污染、灵敏度高、控制方便、受电磁干扰小，并且具备防潮防霉的功能。交流型SSR由于采用过零触发的技术，因此固态继电器SSR能够安全可靠的用在计算机输出接口上，减少了在接口上采用MER产生的一系列对计算机的干扰。

当然固态开关也存在着只有单一触点、需要散热片、存在漏电流等缺点，这些都是不可避免的，但是究其特点，选择用固态开关作为系统电路控制开关部分具备可行性。

2．3 JDB电机综合保护器

JDB电机综合保护器的工作原理是将电动机综合保护器串接于电动机电源回路中，通过采集电源回路的电流、电压等信号来反映电动机的运行状态、工况。通过微型计算机的应用使其功能更强大。

之所以引入电动机综合保护器，是由于电动机烧毁的主要原因是运行时出现断相和过载烧毁绕组。因此，有电动机存在的电路应该装设电动机保护器，以保证在电动机出现断相和过流运行时及时切断工作电源，保护电动机免受损坏。小型电动机的主要保护器是热继电器。

大型电动机如果还使用热继电器对电动机进行保护的话，其连接点（即进出热继电器的螺丝接线点）就容易出现发热现象而发生故障，为避免这类问题，就出现了电动机综合保护器。

JDB电机综合保护器主要由漏电、过载、短路、断相等保护组成，为矿井供电、系统安全运行，给予重要保障。

2．4 双向可控硅控制固态开关

固态开关的驱动和触发的方式多样，本设计选用双向可控硅控制固态开关。双向固态开关是适用于远距离频繁操作场合的理想半导体开关，具有通、断负载电流的能力，可控制电源的开、断部分。同时，依据双向可控硅能解决“线圈—簧片触点式”机械开关的弊端，能有效地消除接点颤动的问题。而且，还可以利用小功率的控制电源实现对大功率主电路的有效控制。此外，由于双向可控硅总是在电流过零时关断，因此具有元件数量少，电弧不易产生的优点。