王淑強(qiáng)

（山西潞安配售電有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046204）

引言

煤礦供電系統(tǒng)為煤礦生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿υ?，鑒于綜采工作面相對(duì)復(fù)雜且惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，煤礦供電網(wǎng)絡(luò)時(shí)常會(huì)發(fā)生漏電、短路的故障，從而影響綜采工作面的正常生產(chǎn)任務(wù)。若對(duì)煤礦供電網(wǎng)絡(luò)中的故障無(wú)法進(jìn)行及時(shí)、快速地排除，極易對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員和設(shè)備造成嚴(yán)重的后果。真空斷路器為保護(hù)工作面電網(wǎng)的重要設(shè)備，其核心部件為操作機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低且分散性較大的問(wèn)題，使得真空斷路器的性能降低[1]。因此，本文以永磁機(jī)構(gòu)替換傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)提高真空斷路器的性能，重點(diǎn)解決傳統(tǒng)真空斷路器動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)、可靠性低以及分散性大的問(wèn)題。

1 真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的確定

基于永磁機(jī)構(gòu)的真空短路器主要包括真空滅弧室、永磁機(jī)構(gòu)和相關(guān)控制分系統(tǒng)。永磁真空斷路器基于其內(nèi)部的真空滅弧室的動(dòng)觸頭和靜觸頭的關(guān)閉和開(kāi)合實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁機(jī)構(gòu)的智能化控制。為保證永磁式真空斷路器充分保證供電網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行，要求永磁機(jī)構(gòu)不僅可適應(yīng)真空滅弧室的工作要求，而且還必須兼?zhèn)浔阌诳刂频奶攸c(diǎn)[2]。

目前，根據(jù)永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的不同可分為單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)，二者的基本結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2 所示。

圖1 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

綜合對(duì)比單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì)，可總結(jié)為如下幾點(diǎn)：

1）相比雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)，單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)合閘時(shí)還需克服彈簧的拉力，即單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的合閘保持力要求較大；

2）單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在永磁體退磁的風(fēng)險(xiǎn)；

3）雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)相比單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)能夠更好適應(yīng)并滿足斷路器分閘特性較高的場(chǎng)合應(yīng)用要求[3]。

綜上，永磁式真空斷路器應(yīng)選用雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)為核心完成設(shè)計(jì)。

1.2 真空斷路器雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定

雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)需要結(jié)合真空滅弧室的具體要求確定，包括觸頭行程、超行程、觸頭壓力、分閘合閘速度等參數(shù)，最終完成雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)靜動(dòng)鐵心、永磁體以及線圈等結(jié)構(gòu)的確定[4]。本文所設(shè)計(jì)的雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)應(yīng)用的真空滅弧室的相關(guān)參數(shù)如下頁(yè)表1 所示。

結(jié)合表1 中真空滅弧室的相關(guān)指標(biāo)要求，可得出雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)中永磁體的保持力應(yīng)為3980 N，對(duì)應(yīng)的動(dòng)鐵心行程為13 mm。結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算公式，參照上述相關(guān)指標(biāo)要求得出雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)靜動(dòng)鐵心、永磁體以及線圈等結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如下頁(yè)表2 所示。

表1 真空滅弧室關(guān)鍵參數(shù)

表2 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

綜合上述雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)各部件的結(jié)構(gòu)尺寸得出雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)。

2 永磁機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與模擬試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的性能，本小節(jié)將針對(duì)雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其關(guān)鍵性能進(jìn)行測(cè)試。

2.1 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)由各種電路和DSP 中央控制器組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖3 所示，雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)可分為信號(hào)采集單元、真空斷路器、控制單元三部分。在信號(hào)采集單元，電壓互感器對(duì)線路中的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行采集，并經(jīng)由處理器對(duì)其進(jìn)行調(diào)理后得出符合范圍要求的模擬信號(hào)；在控制單元中，儲(chǔ)能電容的主要功能為對(duì)雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的線圈進(jìn)行供電。

在實(shí)際生產(chǎn)中，控制系統(tǒng)在初始化完成后首先檢測(cè)儲(chǔ)能電容是否完成充電任務(wù)；儲(chǔ)能電容充電完成后永磁機(jī)構(gòu)中的線圈可否正常工作。然后，信號(hào)采集單元對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，重點(diǎn)對(duì)電壓的相位角進(jìn)行分析判斷為真空斷路器的分閘和合閘操作提供依據(jù)。最后，基于永磁機(jī)構(gòu)的滯環(huán)控制算法判斷分閘和合閘線圈是否斷電，當(dāng)斷電后即一個(gè)控制流程結(jié)束。

2.2 真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)模擬試驗(yàn)

在上述真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)完成設(shè)計(jì)和相關(guān)控制系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上搭建模擬測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證，重點(diǎn)對(duì)真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)合閘線圈的電流波形、合閘速度等指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證；與此同時(shí)，基于MATLAB 軟件建立仿真模型，從理論層面對(duì)真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)和模擬的對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

如表3 所示，基于MATLAB 仿真軟件所得的數(shù)據(jù)在各方面均優(yōu)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這是由于在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程受到各方面因素的干擾使其存在一定的誤差。但是，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差在合理范圍之內(nèi)[5]。因此，所設(shè)計(jì)的真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)能夠在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，并從根本上解決了傳統(tǒng)斷路器操作機(jī)構(gòu)可靠性低、反應(yīng)速度慢，分散性大的問(wèn)題。

3 結(jié)論

煤礦供電系統(tǒng)為保證工作面各類大中型設(shè)備安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，煤礦供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行需要各類設(shè)備提供保障。真空斷路器為供電網(wǎng)路出現(xiàn)漏電、短路等故障的主要保護(hù)設(shè)備，本文針對(duì)其完成了永磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)并對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)如下：

1）雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)在合閘保持力、退磁風(fēng)險(xiǎn)以及斷路器分閘特性要求等方面均優(yōu)于單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)；

2）結(jié)合真空滅弧室的具體要求，并依據(jù)相關(guān)理論計(jì)算公式完成了雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)；

3）基于設(shè)計(jì)好的永磁機(jī)構(gòu)為其配置基于DSP 控制器的控制系統(tǒng)，并搭建模擬試驗(yàn)平臺(tái)得出所設(shè)計(jì)的永磁機(jī)構(gòu)能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求，并有效解決了傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)可靠性低、反應(yīng)速度慢，分散性大的問(wèn)題。