矿用永磁断路器控制装置研究 本文关键词：永磁，断路器，装置，控制，研究
矿用永磁断路器控制装置研究 本文简介：摘要:断路器是煤矿井下重要的电气设备，通过分合闸操作保证煤矿电力系统的正常运行。断路器的操作机构决定了设备的整体可靠性，目前国内煤矿用真空断路器多采用弹簧操作机构，存在零部件数量多、可控性差及可靠性不高等问题，使煤矿井下电力系统的可靠性下降。通过分析矿用永磁断路器原理得出了装置设计方案，装置硬件设计
矿用永磁断路器控制装置研究 本文内容：
摘要:断路器是煤矿井下重要的电气设备，通过分合闸操作保证煤矿电力系统的正常运行。断路器的操作机构决定了设备的整体可靠性，目前国内煤矿用真空断路器多采用弹簧操作机构，存在零部件数量多、可控性差及可靠性不高等问题，使煤矿井下电力系统的可靠性下降。通过分析矿用永磁断路器原理得出了装置设计方案，装置硬件设计以Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４系列的ＭＢ９ＢＦ１６８Ｎ微控制器为核心，采用ＩＧＢＴ设计了主控电路，装置软件设计基于ＲＴ－ｔｈｒｅａｄ嵌入式实时操作系统，采用分层和模块化设计方法，研制的功能完善、结构合理及高可靠性的矿用永磁断路器控制装置，实现了矿用永磁断路器的智能控制。
关键词:矿用断路器；永磁操作机构；ＭＢ９ＢＦ１６８Ｎ；主控电路；智能控制
安全生产是煤矿企业经营发展的首要任务，煤矿井下电气设备的可靠性和智能化对煤矿井下安全生产具有很大的影响。断路器是煤矿井下重要的电气设备，通过分合闸操作保证电力系统的正常运行，断路器的操作机构决定了设备的整体可靠性。目前，国内煤矿用真空断路器多采用弹簧操作机构，弹簧操作机构复杂的动作原理使其不但存在零部件数量多的问题，而且还存在分合闸时间和分合闸速度离散性大及可控性差问题，断路器整体可靠性不高，使煤矿井下电力系统的可靠性下降。永磁操作机构采用电磁力实现分合闸动作及稳态位置的保持功能，采用较少的零部件有利于断路器实现免维护。另外，永磁操作机构的力学特性可使中压断路器具有理想的分合闸速度［１］。因此，矿用断路器采用永磁操作机构是矿用断路器智能化技术发展的一个方向，研究和开发永磁断路器配套的智能控制装置具有很大的理论意义和实用价值。
１永磁断路器操作机构原理
矿用永磁断路器根据所采用的操作机构的类型分为单稳态和双稳态两种，两者工作原理类似，主要区别在于分闸方式及操作线圈数量不同［２］。本文首先通过对双稳态矿用永磁断路器原理的分析与研究，得出控制永磁操作机构动作的方法。双稳态永磁操作机构主要由分合闸线圈、永磁体、动铁芯及静铁芯构成［３］。静铁芯位于外部四周，永磁体位于静铁芯中间，分闸线圈位于永磁体的上面，合闸线圈位于永磁体的下面，双稳态永磁操作机构的结构及合分闸过程如图１所示。合闸过程如图１（ａ）所示，图中序号Ⅰ所示为分闸状态时永磁体产生的磁力线，序号Ⅱ所示为操作电流通过合闸线圈产生的磁力线。永磁体在静铁芯上部产生的磁场方向与序号Ⅱ正好相反，两者抵消后所产生的电磁力使动铁芯受上磁极的吸附减弱。当通过合闸线圈的电流逐渐增大，动铁芯开始向下运动，动铁芯上部与静铁芯上磁极间的空气间隙逐步变大，上部磁阻逐渐增大，动铁芯受上磁极吸力减小，而下部空气间隙逐步减小使磁阻也逐渐减小，下磁极对动铁芯吸力逐渐增大，动铁芯在方向向下增大的合力作用下加速向下运动，当下磁极完全接触动铁芯时完成合闸动作。分闸操作原理和上述合闸过程正好相反，如图１（ｂ）所示，图中序号Ⅰ所示为合闸状态时永磁体产生的磁力线，序号Ⅲ所示为操作电流通过分闸线圈产生的磁力线，当通过分闸线圈的电流逐渐增大，动铁芯开始向上运动，上磁极完全接触动铁芯时完成分闸动作。
２装置设计
本文装置的硬件设计采用电力电子器件ＩＧＢＴ结合ＭＣＵ的控制方式，控制电路以Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ４系列的ＭＢ９ＢＦ１６８Ｎ微控制器为核心，结合主控电路及大容量电容器接收保护指令进行分闸和合闸操作。软件基于ＲＴ－ｔｈｒｅａｄ嵌入式实时操作系统，采用分层和模块化设计方法，研制了功能完善、结构合理及高可靠性的矿用永磁断路器控制装置。装置电源主用包括控制电路所用的弱电模块，以及分合闸操作所用的电源。本文选用ＺＡ５－２Ｄ０５２４Ｔ２０模块电源，该模块电源输入为交流８５～２６５Ｖ，５路输出，原副边互相隔离。第一路输出为±５Ｖ、０．５Ａ，供ＭＣＵ使用；第二路输出为±２４Ｖ、０．１Ａ，供告警继电器、储能出口继电器及闭锁出口使用；后三路输出均为±２４Ｖ、０．０２Ａ，供桥式控制电路的驱动电路使用。５路输出互相独立，减少了耦合性，保证了驱动电路可靠工作。另外，本模块电源具有欠压保护、过热保护、短路保护等功能。
２．１主控电路的设计
控制电路主要完成对永磁断路器的分合闸操作，本文控制采用了桥式结构电路。由于分合闸线圈在关断瞬间会产生很高的反压，放电回路电流的峰值可达１００Ａ以上。ＩＧＢＴ具有电压控制、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、饱和压降低、安全工作区域宽等特点，所以本文选用了仙童公司的栅射电压为±２５Ｖ单片式ＮＰＮ型ＩＧＢＴ，型号为ＦＧＬ６０Ｎ１００ＢＮＴＤ，耐压高且脉冲电流大，ＶＣＥＳ为１０００Ｖ，ＩＣ为６０Ａ，脉冲电流ＩＣＭ为２００Ａ。主控电路原理如图２所示，图２中左右两侧电容分别为分闸电容、合闸电容，Ｌ为永磁机构线圈，Ｑ７、Ｑ８、Ｑ９、Ｑ１０为ＩＧＢＴ，Ｄ３、Ｄ４为防反二极管。ＶＯ＋、ＶＯ－接至上述充电电源模块输出，对分合闸电容进行充电及管理。ＭＣＵ根据需要，动作于后述驱动电路，当ＩＧＢＴ器件Ｑ７、Ｑ９均导通时，可使操作闸线圈获得从Ｌ－流向Ｌ＋方向的电流，控制断路器实现分闸动作，当ＩＧＢＴ器件Ｑ８、Ｑ１０均导通时，可使操作闸线圈获得从Ｌ＋流向Ｌ－方向的电流，控制断路器实现合闸动作。该控制电路可用于单线圈、双线圈情况，即可用于单稳态及双稳态两种永磁机构断路器。图２中，电气结点ＰＩＮ－４、ＰＩＮ－５、ＰＩＮ－８、ＰＩＮ－９、ＰＩＮ－１０、ＰＩＮ－１１代表装置中的对外接线端子。当永磁机构操作线圈为单线圈时，短接ＰＩＮ－９、ＰＩＮ－１０，需分闸限流电阻时，将其接入ＰＩＮ－８、ＰＩＮ－１１之间，否则短接ＰＩＮ－８、ＰＩＮ－１１。然后将操作线圈正、负分别接入ＰＩＮ－８、ＰＩＮ－９之间。当永磁机构操作线圈为双线圈时，ＰＩＮ－９、ＰＩＮ－１０不短接，ＰＩＮ－８、ＰＩＮ－１１不短接，将合闸线圈正、合线圈负接入ＰＩＮ－８、ＰＩＮ－１０之间，分闸线圈正、分线圈负接入ＰＩＮ－９、ＰＩＮ－１１之间。由于分合闸线圈在关断瞬间会产生很高的反压，为保护电路在分合闸线圈两端并联了压敏电阻，其型号为１４Ｋ４７１。
２．２驱动电路的设计
ＩＧＢＴ在上述控制电路中使用时，开关频率比较低，另外装置的插件体积有限且需要考虑成本，所以本文没有采用专门的驱动模块，而采用光隔驱动ＩＧＢＴ。ＩＧＢＴ栅射间由ＺＡ５－２Ｄ０５２４Ｔ２０模块电源提供三路互相隔离的电源，保证电路的可靠性，又因为在主控电路中Ｑ８和Ｑ９射级接在了一起，所以驱动电源公用了一路，原理如图３所示。图３中，以分闸操作为例，当ＭＣＵ使ＩＯ口Ｐ６２输出逻辑高电平１且Ｐ６３输出逻辑高电平１，Ｐ６１输出逻辑低电平０时，光隔Ｔ１导通，Ｔ２截止，Ｔ３导通，在驱动电压Ｖ１的作用下ＩＧＢＴ器件Ｑ７导通，同时ＩＯ口Ｐ５６输出逻辑高电平１，Ｔ４导通，在驱动电压Ｖ２的作用下ＩＧＢＴ器件Ｑ９导通，Ｑ７和Ｑ９同时导通使分闸回路接通并控制断路器完成了分闸操作。本电路的巧妙之处在于Ｔ１的管脚１和２分别接至Ｔ２的管脚２和１，并由同一ＩＯ口控制，Ｔ１和Ｔ２不会同时导通，所以Ｑ８和Ｑ９不会同时导通，可以保证分闸和合闸回路不会同时得电，确保了安全可靠。同理，ＭＣＵ通过使ＩＯ口输出不同的逻辑电平可以使断路器完成合闸操作。驱动光隔副边的分压电阻使驱动电平满足ＩＧＢＴ的需要，ＴＶＳ管对栅射结进行了保护。采用ＲＣ吸收回路消除分合闸线圈在关断瞬间产生的比较大的充反压。
２．３控制功能软件设计
永磁机构控制由充电电源模块给分合闸电容充电，当分合闸储能电容均达到最低工作电压时允许分合闸操作，否则分合闸操作不允许。控制功能逻辑及软件流程如图４所示。当分合闸指令发生时，永磁控制装置判断分合位及手车位是否满足条件，如条件满足则控制操作回路接通，进行相应的分合闸操作。合闸时电流脉冲宽度为９０±６ｍｓ，分闸时电流脉冲宽度为５０±６ｍｓ，永磁断路器动作到位时，通过判断断路器位置，断开线圈电流，若为合闸则还需延时２０ｍｓ后再断开合闸线圈电流，以保证产品可靠合闸。若达到最大脉冲宽度后断路器位置仍未提供动作到位信号，则仍为动作完成，断开线圈电流，但故障指示灯一直点亮，自检输出触点闭合，表示动作不成功。若下次产品动作成功，则指示灯及自检输出触点收回。
３结语
本文研制的矿用微机永磁机构控制装置，具有多功能切换电路和防误动的控制电路，可对断路器可靠灵活地进行遥控及手动控制，装置使用范围广，可用于单稳态或双稳态、单电源或双电源等多种类型中压永磁断路器。装置在开普实验室进行了基本性能测试和电磁兼容测试，所有性能指标均满足国标和行业标准的要求，且该装置已供货千余台。
参考文献
［１］林莘．永磁机构与真空断路器［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２．
［２］吕锦柏，刘甲宾，韩玉玺，等．用于提高永磁真空断路器分合闸可靠性的控制方法［Ｊ］．高电压技术，２０１６，４２（１２）：３９８９－３９９５．
［３］陈胜．单稳态永磁机构真空断路器智能控制装置的研制［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１０．
作者：常玉峰 高建芳 程浩 单位：许继电气股份有限公司
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