基于永磁机构的智能隔爆真空馈电开关的研究

基于永磁机构的智能隔爆真空馈电开关的研究

董建忠

开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司,河北 唐山 063108

摘要：现阶段配电系统构建中真空开关应用较为常见，可在电力系统运行期间实现分断、接通有效控制，并通过实时监控降低系统出现故障的可能。新型真空馈电开关应用，可实现以电力系统为载体发挥测量、自诊断、保护、显示、通讯等功能，并在运行过程中起到过压、过载、欠压、漏电等故障问题的有效保护。鉴于此，本文从永磁操动机构概述分析入手，在此基础上阐明智能隔爆真空馈电开关的具体设计，旨在助力我国煤矿开采事业的安全开展。

关键词：永磁机构；馈电开关；智能；设计

1 永磁操动机构概述

作为新型操动机构的一种，永磁机构的构成涉及到永久磁铁与电磁机构，运行期间真空断路器可在永久磁铁的作用下实现在分闸或合闸位置的保持，无需借助脱扣锁扣即可实现对断路器的有效控制。同时，可以真空断路器负载为基准进行永磁机构输出力的设计，通过与灭弧室直接连接来达到提升运行稳定性的目的。目前对于永磁机构得到研发与研究多集中于12KV真空断路器上，分析配电系统中真空断路器广泛应用的原因，主要是在维护成本、绿色环保、安全性等方面存在显著优势。永磁机构在配电系统断路器中的应用，主要特点表现为：（1）单稳态锁扣设计。分别将机械锁扣与永磁锁扣应用于分闸与合闸位置，借助机械设计来提升开关稳定性。结构设计不涉及凸轮、连杆构件，再加上单轴直动设计实现结构体积的缩减[1]。（2）分合闸操作的控制以单线圈为基准，即在开关运行期间分合闸操作的实现以电磁线圈为控制主体，确保机械结构可靠性增强。

2 基于永磁机构的智能型真空馈电开关设计

2.1 永磁机构控制部分设计

2.1.1 关键部件功能

其功能设计具体包括：（1）以合理波动范围的确定为前提进行电源输入电压的设计，实现以80V为基准来稳定控制输出电压，避免在过电压或低电压状态下真空断路器无法维持在正常运行状态。（2）能量以储能电容器为载体进行有效存储，在分合闸控制时，电容器会将脉动电能传递至分合闸线圈，电能量控制在2600W左右，进而为分合闸操作的完成提供电能支撑。同时，电容器可在放电后10s充满。对于分合闸电流的控制，则以晶闸管、晶体管等的应用为依托。在失电情况下，受到元件性质的影响使得分合闸线圈电流无法出现突变，为避免过电压对开关造成影响，需借助续流二极管来提升永磁机构的运行稳定性。（3）依托于对无接触检测位置的应用来实现开关有效接近，即通过检测来全面、精准反馈铁心位置信息，单片微型计算机对于相关信息的接收，则以光电隔离部分为载体。

2.1.2 永磁断路器控制原理

永磁断路器的控制结构组成涉及到时间控制器、信号处理控制器等，运行期间可依托于同步断路器完成对电流实时值的检测，并负责对合分闸指令的接收，在对控制单元进行指令下达时，可做到对指令下达时间的决定[2]。运行期间控制单元对永磁机构运动的操作，需依托于励磁电流传感器以及开关单元，对于断路器动作是否存在误差的检查，则以位置传感器为载体来判断动作是否到位。开关单元功能体现为以预先设置时刻为基准，确保断路器可始终保持动作的精准性。

2.2 断路器动作位置检测

永磁机构闭环运动的实现，主要是以分合闸线圈的励磁电流传感器为载体，利用控制单元来达到运动操作的目的。对于位置检测传感器的应用，为保证其动作位置得以精准、科学检测，可采用电容式传感器来提升运行稳定性。此类传感器应用，可依托于光电耦合实现将信号传输至单片微型计算机中，相较于其他耦合器应用，光电耦合器在运行年限、体积控制、抗干扰性、工作温度等方面存在显著优势。

2.3 微型计算机控制单元硬件总体结构设计

智能真空馈电开关监测装置可依托于电流、电压变送器将电信号转变为电压信号，并借助放大器将电压信号控制在0~5V范围内，以CPU为载体进行电压信号的接收。利用A/D转换器将电压信号转变为数字信号，利用CPU进行数据处理与计算，最终以显示屏为基准进行计量数据的显示。基于对保护参数的获取，通过CPU分析判断后进行闭锁信号的发出。且运行期间开关量输入状态、保护接口、接触器等受到CPU的定期检测与扫描。

2.3.1 单片微型计算机选择

作为智能真空馈电开关中的重要组成，微型计算机选择是否合理与开关控制效果之间存在密切关联。对于微型计算机的选择，需保证在系统出现故障时可利用计算机进行故障位置的及时定位，并控制故障电流切断。同时，运行期间产生的大量动态数据可利用微型计算机进行有效处理。本文以PIC16F877A微型计算机为例，相较于其他微型计算机应用，在驱动能力、空间设计、外接器件控制等方面存在显著优势。

2.3.2 计算机外部晶振电路

单片机芯片在运行期间可通过时钟振荡电路设计来实现对电路部分进行时钟信号的提供，同时可作为外接芯片与单片机之间的通信渠道，以确保在运行期间各电路的时钟信号始终保持在同步状态。以XT模式振荡器的应用为例，其自激多谐振荡的构建涉及到电容与石英晶体，且晶体固有频率直接影响到振荡器工作频率控制。

2.3.3 开关量输入通道

在开关运行期间监控装置应用可做到对近控、单机/联机选择、急停、电压选择、主回路返回、复位等开关量输入参数的实时监测。针对开关量信号电气隔离的实现，需以光电隔离开关的应用为前提，确保运行阶段弱电、强电得到有效隔离，避免控制板在强电信号错误的影响下增大损坏概率。以达林顿管的应用为例，可在运行过程中对报警铃、继电器以二次侧为基准实现直接控制，同时利用总线缓冲器进行达林顿管的驱动。开关量输入驱动具体如图1所示，其中U3、U4、U5为主要固态继电器驱动，其中U3的中间继电器以二次侧驱动拓展为基准，该继电器并未在主电路板上直接安装，主要是通过外接形式进行使用永磁机构关合的电子器件驱动，避免电路板在运行期间受到高压侵入的影响。U4可实现对报警铃J2的直接驱动，作为交流无触点固态继电器的一种，可在运行阶段依据电压电流故障的情况的发生进行报警铃控制。U5可发挥出捡漏回路控制的作用，通过对J3继电器驱动来实现漏电闭锁功能。

图1 开关量输出

3 结语

综上所述，真空馈电开关的合理设计与应用，可在促进井下供电系统安全运行的同时，避免井下漏电、过压等故障出现对煤矿安全开采造成威胁。鉴于此，需在明确真空馈电开关应用意义的前提下，结合供配电系统安全、稳定运行需求进行永磁机构智能真空馈电开关的优化设计，实现为井下安全供电系统支撑。

参考文献：

[1]任俊卿.基于永磁操作机构的馈电开关设计分析[J].机械管理开发,2021,36(10):3.

[2]赵庆飞.煤矿井下真空馈电开关智能控制系统[J].山西焦煤科技,2020,44(2):2.