摘要：为了提高矿用电器设备的可靠性，保证煤矿电网的安全运行，提出矿用永磁固封式真空断路器操作机构控制系统的设计方案。基于 PIC 单片机设计控制系统硬件电路和软件程序，包括 IGBT 驱动电路和控制信号电路，对 IGBT 动作过电压缓冲技术和硬件抗干扰技术进行研究。试验表明，该系统可以控制永磁机构驱动矿用永磁固封式真空断路器完成分合闸操作，满足设计的预期要求。
关键词：煤矿；固封式；真空断路器；永磁机构；单片机
煤炭是我国能源结构的主体，煤炭行业的安全和健康发展一直都是党和国家高度重视的问题。近年来，在国家政策方针的指导下，陆续关闭了一批安全生中不达标的小煤矿，加大安全科技投入，使煤矿安全生产事故整体形势持续稳定好转，煤矿开采环境得到明显改善，安全生产形势呈现总体稳定、趋向好转的发展态势。煤矿安全生产事故总量、死亡人数和百万吨死亡率呈现逐年下降的趋势，但煤矿安全生产形势依然严峻，重大灾害预防理论和技术基础还不够完善，导致井下重特大事故时有发生，安全生产重大隐患未能得到有效治理。一些地区煤炭企业的配电网络落后、电器设备陈旧老化，严重影响煤矿安全生产问题的根本解决[1]。
煤矿隔爆型高压真空配电装置是煤矿井下电网的重要组成部分，用于切换电网支路、分断故障电流、保护下级供电网络，起到控制和保护的双重作用。矿用永磁固封式真空断路器是煤矿隔爆型高压真空配电装置控制和保护功能的主要执行元件，其性能好坏直接关系到井下电网的安全和稳定。因此，开展矿用永磁固封式真空断路器操作机构控制系统研究，对于减少井下事故隐患、提高煤矿电网可靠性和保障人民群众生命财产安全具有重要的意义。
1 永磁机构
高压断路器的主要作用体现在出头的分合动作上，而分合动作主要通过操作机构驱动实现，因此操作机构性能的优劣决定了高压断路器的工作性能以及可靠性。永磁机构是继液压、弹簧和电气机构之后发展起来的真空断路器操作机构，它具有结构简单、可控性强、机械部件少且累计运动公差小等优点。永磁机构机械传动过程简单，零部件大约是弹簧机构的40%，运动部件只有一个，使得永磁机构的机械寿命特别长，能够达到 10 万次或者更高。
将电磁机构和永久磁铁的特殊性结合在一起，永磁机构通过励磁线圈产生的磁场直接驱动动铁心，动铁心带动断路器主轴，进而驱动动触头完成分合闸操作。通过对永磁机构的结构进行合理设计和采用先进控制算法对分合闸过程进行合理调节，使操作动作时间的分散性能够控制在 1 ms 之内。
2 控制系统硬件电路设计
针对矿用永磁固封式真空断路器用单稳态永磁机构控制系统，由于其控制对象——单稳态永磁机构采用电动合闸及弹簧分闸的动作机理，合闸时永磁机构的输出力既要保证触头的可靠闭合，还要为分闸弹簧储能，所以合闸操作要有很大的电流。控制系统采用 PIC 单片机为核心处理器，它主要由电源单元、控制面板、显示屏、电容器组、驱动电路、IGBT、传感器、电容器组电压检测电路和 CAN 通信电路等组成，系统结构如图1 所示。电源单元将外界交流电源转换成不同电压等级的直流电，为电容器组和控制系统提供电源[2-3]。
图1 真空断路器操作机构控制系统结构
Fig. 1 Structure of control system for actuator of mine-used permanent-magnet sealed vacuum circuit breaker
控制面板可将控制指令输入到处理器中，是人与控制系统信息传递的平台。显示屏是显示系统和工作环境的状态，它包括控制系统状态、断路器分合闸状态、电容器组电压和环境瓦斯浓度等参数。传感器用于测量与控制系统相关的变量，包括电压、电流及瓦斯浓度等。IGBT 接收处理器的控制指令，对电容器组充电回路和永磁机构线圈进行控制，CAN 通信电路通过 CAN 通信网络将系统信息传递给监测中心，为地面工作人员进行操作、控制和监测提供数据参考[4]。
2.1 IGBT 驱动电路
煤矿井下设备必须能够承受潮湿及强电磁干扰等恶劣的工作环境，IGBT 驱动电路的可靠性直接关系到动作指令的执行情况，采用单管大功率驱动器K841L 作为核心驱动芯片，保证 IGBT 的可靠动作和故障保护，驱动保护电路如图2 所示。K841L 是EXB841 芯片的替代产品，克服 EXB841 驱动负压较小、抗干扰能力低的缺点，只需要提高驱动电源电压就可以增加驱动负压，增强了电路的稳定性和安全性。K841L 芯片具有短路、过电流检测功能，同时可以在故障发生时封锁信号的输出。
图2 IGBT 驱动保护电路
Fig. 2 IGBT drive and protection circuit
为了抑制操作瞬态过电压的产生，降低 IGBT 损耗，改变开关器件的运行轨迹，在 IGBT 的集电极和发射极之间设计充放电型 RCD 缓冲电路，由图2 中C1、D1 和 R4 组成。IGBT 在关断的过程中，电容 C通过二级管充电，吸收操作产生的瞬态过电压 du/dt，在 IGBT 开通后，通过电阻 R 放电，为下次充电做准备。二极管 D1 必须选用快速恢复二极管，其额定电流应应大于 IGBT 额定电流的 1/10。此外，为了减小线路电感，吸收电容应该选用内部电感较小的电容。
2.2 控制信号传输电路
图3 分合闸电路原理
Fig. 3 Circuit of breaker shifting
控制性设计时选择单片机的 RB4 端口作为分合闸控制信号输入端，分合闸电路原理如图3 所示。当动作指令输入时，按钮 S1 闭合后，控制信号经过L1、 C2 组成滤波电路及 R1、C1 组成的滤波电路处理后，驱动 TLP521 光电耦合器导通，在 TLP521 的二次侧控制指令输出，控制信号通过 PIC16F877A 的RB4 端口进入单片机。在控制信号输入端设计由两只二极管 D2、D3 反向串联组成的钳位电路，保证后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。
2.3 硬件抗干扰措施
电磁干扰经常通过电源线与信号线传导耦合进入电子设备，降低了系统的可靠性和稳定性，所以在电路设计时必须采取措施抑制或消除电磁干扰[5]。抗干扰的措施主要有隔离抗干扰、接地抗干扰、滤波抗干扰和去耦抗干扰等。在进行电路板设计时，应坚持相关元件靠近的原则，散热大的元器件尽量放置在通风且散热较好的位置，合理布线保证强弱电信号相分离，减小电磁和高频信号干扰。电路板印刷时，采用数据线传输方向和电源线及地线一致的措施，以提高系统的抗噪声能力。整个电路板周围用地线封闭，进而提高系统抗共模干扰能力。
3 控制系统软件程序设计
硬件电路是控制系统功能实现的基础，软件程序是其功能实现的灵魂。MPLAB-ICD 是针对 Microchip公司 PIC16F87X 系列单片机软件编译、调试和开发的工具，它利用 Microchip 公司的在线串行编程技术，在 MPLAB-IDE 集成开发环境下，在所仿真的PIC16F87X 单片机中嵌入监控程序以实现实时仿真。控制系统软件主程序首先对单片机进行初始化处理，然后判断是否有中断产生，如果有中断产生，将判断是何种中断，然后进行相应操作，并采集位置传感器信号进行 AD 转换，判断断路器的位置，未到达终点位置时继续采集位置信号直到操作完成，主程序流程如图4 所示。
图4 主程序流程
Fig. 4 Flow chart of main program
4 试验结果
为了验证所设计控制系统的可行性和合理性，在现有矿用永磁固封式真空断路器永磁机构基础上，完成合闸试验操作。选用量程为 200 A 的 CHF200B 霍尔电流互感器 (5 V 稳压电源供电，1 V 电压对应 40 A电流) 和 50 mm 高精度直线位移传感器 (15 V 稳压电源供电，1 V 电压对应 3.3 mm 行程)，分别对矿用永磁固封式断路器的动触头行程和永磁机构电流进行测量。
试验采集合闸过程永磁机构电流曲线和矿用永磁固封式真空断路器动触头行程数据，在 OriginPro 软件上对数据进行处理，得到电流和动触头行程曲线如图5、6 所示。由图5 可知，合闸操作过程永磁机构合闸电流曲线上升大约 1.05 V，根据电压与电流对应关系得到电流值约为 42.5 A，操作时间为 92 ms。由图6 可知，在合闸操作过程中，矿用永磁固封式真空断路器动触头行程曲线上升 2.63 V，根据电压与动触头行程对应关系计算可得其行程约为 8.8 mm，动作时间为 92 ms。
图5 合闸操作电流曲线
Fig. 5 Variation curve of current during closing operation
图6 合闸操作动触头行程曲线
Fig. 6 Variation curve of stroke of moving contact during closing operation
5 结语
根据永磁机构的原理和技术参数，结合单片机PIC16F877A 所设计的矿用永磁固封式真空断路器操作机构控制系统，与矿用永磁固封式真空断路器联机调试进行试验。试验结果表明，该控制系统能够驱动矿用永磁固封式真空断路器可靠完成分合闸，满足断路器的操作要求，同时系统能够对煤矿瓦斯浓度进行实施监测。
