基于永磁操作机构的馈电开关研究与设计

杨 志

(山西煤炭进出口集团，山西 太原 030006)

0 引言

随着我国经济的飞速发展，国民经济对于能源尤其是煤炭资源的需求量持续攀升，煤炭企业的产能和技术手段也在不断进步，综采设备的用电容量和电压等级不断上升，我国井下供电系统的安全性也面临着考验。井下馈电开关是井下配电系统重要的组成部分，承担着保护供电线路和用电设备的重要责任，其保护动作的快速性和准确性尤为重要。传统的馈电开关采用弹簧机构或电磁机构，近年来基于永磁操作机构的馈电开关得到较广泛的应用，本文针对永磁操作机构的馈电开关保护系统进行研究具有重要意义。

1 井下配电系统及其馈电开关

1.1 煤矿井下配电系统

馈电开关是煤矿井下供电系统重要的配电设备，要想设计出结构合理、动作准确的馈电开关，首先应分析井下供电系统的结构和特点。随着井下用电设备容量和电压等级的提高，综采电压和装机容量不断提升。目前我国煤矿多采用6 kV或10 kV动力电缆向井下供电，经降压后由井下配电装置为各电气设备供电。井下配电网的主要设备有移动变电站、总分馈电开关和磁力启动器等，煤矿井下配电系统示意图如图1所示，总馈电开关Z从变压器副边接出，向各分馈电开关F1、F2等供电，然后经各磁力启动器向不同负载供电，形成了以变电站为核心的放射式结构。《煤矿安全规程》规定，煤矿供电系统的中性点不接地，由于这种接线方式单相接地故障发生时接地点电流小，又称为小电流接地系统。

图1 煤矿井下配电系统示意图

1.2 基于永磁操作机构的馈电开关

井下配电网的运行状态有正常、异常和故障三种。异常状态指的是电力系统在短时内可以运行，例如系统中出现过载；故障状态指的是电力系统不能运行，需要立即采取保护动作，否则将造成人身或电气设备的损害，例如系统中发生短路、漏电等故障。馈电开关即是对配电网异常状态和故障状态进行保护动作的关键设备。

目前我国应用广泛的馈电开关采用弹簧机构和电磁机构，近些年随着技术的进步，基于永磁操作机构的馈电开关逐渐普及。常见的永磁操作机构有三种，分别是单线圈式、双线圈式和磁路分离式，三种结构的永磁操作机构结构、原理和特点不同。单线圈式采用一个励磁线圈提供合闸动力，分闸动力由弹簧机构提供，这种结构的永磁机构结构简单，但是由于其结构特点永磁体容易坏。双线圈式分合闸由不同的两个线圈提供动力，有合闸位置、中间位置和分闸位置三个位置，在分闸和合闸保持位置时均由永磁力保持，这种结构的永磁机构所需能量最小，图2为双线圈永磁机构分合闸动作示意图。磁路分离式是一种优化磁路的结构，使用永磁材料最少，但是结构复杂，生产精度要求高。

1-驱动杆；2-工作气隙Ⅰ；3-合闸线圈；4-永磁体；5-动铁芯；6-静铁芯；7-分闸线圈；8-工作气隙Ⅱ

2 馈电开关硬件设计

馈电开关保护装置通过断路器实现所保护馈线各项故障保护功能，安装在防爆腔内，包括核心控制器模块、模拟量采集模块、人机接口模块、通信模块和开关量输入输出模块和其他模块等。

(1) 核心控制器模块。核心控制器负责馈电开关数据的采集与处理，然后根据采集的数据分辨各类故障，并根据故障类型发出控制指令和上位机通信等工作。由于馈电开关保护系统对实时性要求较高且数据量较大，因此选择TI公司生产的TMS320F28335数字信号处理器作为主控制器，这款控制器采用32位定点CPU结构，具有足够外设，能够满足扩展要求。

(2) 模拟量采集模块。模拟量采集指的是采集电网的各项运行参数，根据井下供电系统的常见故障，确定需要采集的参数有对地绝缘电阻、零序电流和零序电压、三相电流和三相电压。经过互感器和双运放芯片LM258采集合适的电压，经过二阶低通滤波电路进行滤波滤除高频信号。

(3) 人机接口模块。人机接口模块主要包括液晶显示模块和键盘模块。显示模块能够显示电网参数和故障信息，点阵型液晶显示屏能够与MCU直接连接，能够显示4排汉字，并且能够通过控制器的IO口进行背光设置，方便工作人员调节背光开启与否，减少不必要的电能损耗。在主控制器频率足够高的情况下采取串行通信，大幅度减小了GPIO接口数量。

(4) 通信模块。本系统采用国际标准化串行通信协议CAN，主控制器28335具有CAN总线控制器功能，在设计时配置CAN收发器CTM1050，该收发器具有电源隔离、总线保护等特性，使用时直接与控制器连接，无需其他中间元器件，可靠性高。

(5) 开关量输入输出模块。开关量输入输出模块是接收按键信息、检测馈电开关状态信息(如各种闭锁信号、分合闸信号)的硬件基础，采用光耦芯片TLP521进行光电隔离，然后经过达林顿管驱动继电器动作，达林顿管采用七组NPN型阵列ULN2003，本设计采用600 Ω继电器，采用24 V供电电源时其吸合电流为40 mA。

(6) 其他模块。除了上述模块之外，本系统还有永磁驱动模块、温度测量模块、抗干扰电路模块和存储电路模块等。

3 馈电开关软件设计

馈电开关软件系统主要指馈电开关保护器软件系统，包括基础底层支持包、驱动程序和功能软件三大部分，基础底层支持包和驱动程序是软件系统的基础，本系统软件编写的主要是功能软件部分。功能软件包括主程序、数据采集与分析子程序、故障保护子程序、人机交互子程序和通讯子程序等。

馈电开关保护装置主程序流程如图3所示。程序开始后进行设备初始化，然后对馈电开关状态进行判断，如果馈电开关断开，则进行漏电闭锁判断，如果馈电开关闭合，则采集电网参数，进行数据处理分析，对分析结果进行判断是否发生漏电故障，发生漏电故障后执行机构动作，显示和记录故障信息。若判断结果为没有发生漏电故障，那么进行菜单设置，然后依次进行过流故障和过压故障判断，若有故障判别程序均执行后，返回循环，继续采集电网参数，准备进行下一轮判断。

图3 馈电开关保护装置主程序流程

4 结束语

煤炭开采未来向着数字化和智能化方向发展，井下供电系统的升级改造对提高煤炭企业的安全性、实现高效发展具有重要意义。随着技术的发展，基于永磁操作机构的馈电开关正逐步替代基于电磁机构和弹簧机构的馈电开关。本文研究的基于永磁机构的馈电开关系统能够在井下发生漏电、过流、过压等故障情况下准确跳闸，提高了井下供电系统的安全性。