矿用隔爆型真空馈电开关模块化设计及故障快速排除技术研究*

0 引言

矿用隔爆型真空馈电开关在煤矿低压供电系统中有着广泛的应用，据了解年产量在100万t/a以上矿井，通常使用数量在几百台左右，其日常的维护、检修工作是煤矿安全生产的重要组成部分。在实际的维护和检修过程中存在以下问题:一是故障点查找困难。按照规程规定，馈电开关在井下进行维修时，必须断掉被维修开关的上一级电源，但在开关本体不带电情况下，对其故障点的判断较为困难，维修人员只能根据自身经验，利用感官来判断;二是检修不便，开关内各元器件的连接及固定均采用组合螺栓，当需要对故障元件进行更换时，必须用专用工具才能对其进行拆卸，再加上开关内部空间狭小、结构复杂及井下环境恶劣等因素，极大地影响了开关检修速度和效率。

在防爆电器行业“十二五”发展指导意见中，已明确将“组合式、便于维护、高可靠性的防爆电气设备和技术”作为行业发展的重点领域。为此，通过对馈电开关模块化设计以及故障自动诊断和显示等技术的研究，开发一种能够快速排除故障的新型馈电开关。其总体思路是:将馈电开关内部各电器元件划分成若干个可插拔的模块，使得无需使用专用工具也能方便的对其进行拆卸。当开关发生故障时，只需根据门盖液晶屏的故障提示，将故障元件所对应的模块“抽出”，并用新的备用模块将其“更换”，即可使开关恢复正常，不但可以提高故障查找的准确性，而且可大大缩短检修时间，对于煤矿安全、高效生产具有重要意义。

1 模块化设计

所谓模块化设计，就是从系统的观点出发，研究系统或产品的构成形式，用分解和组合的方法建立模块体系，并用模块组合成系统或产品的过程。为缩短研发周期，在对新型馈电开关进行模块化设计时，均不改变其内部各元件的电气参数。

1.1 模块的划分

矿用隔爆型真空馈电开关内电器元件主要由真空断路器、三相电流互感器、零序电流互感器、三相电抗器、控制变压器、中间继电器、阻容吸收装置、熔断器、综合保护装置、按钮件等组成，在对各元件的功能、发生故障概率、电压强弱等方面分析的基础上，本着快速检修的原则，对开关内各元件进行模块划分如下:

1)把功能相近或类似的元件尽量划分在同一个模块。

2)把发生故障概率相近的元件尽量划分在同一个模块。

由于断路器本体质量较大，再加上与断路器导电插板相配合的插座为卡簧式，插板与插座无论是啮合还是分离，均需要较大的力度，除借助滚轮在滑道上滚动省力外，还设计有断路器助力机构，以达到快速、准确插拔真空断路器的目的，如图5所示。

根据以上设计思路，将馈电开关内电器元件划分为6个不同的功能模块，各模块包含的电器元件均固定于各自所属模块的绝缘板上。模块划分表如表1所示。

表1 模块划分表

1.2 模块的空间布置

3)把主回路和控制回路分开，并充分考虑电气间隙和元件发热等因素。

图1 模块空间布置正视图

1-三相电抗器模块;2-隔板;3-助力机构;4-真空断路器模块;5-继电器模块;6-电源模块;7-插件板模块

插件板模块上固定有多个不同类型的航空插座，真空断路器模块、电源模块、三相电抗器模块、继电器模块、综合保护模块分别引出插头插接于插件板模块相对应的插座上，从而实现馈电开关内部各电器模块的电路连接。为便于各模块的插头与航空插座的插拔，将插件板模块放置在开关主腔底部。综合保护模块为人机交互模块，由综合保护装置和操作按钮板两部分组成，它们之间通过插接式接线端子连接，发生故障概率较高，放置于主腔前门盖内侧。在主腔后部增设一个后腔，放置有发生故障概率较低的三相电流互感器、零序电流互感器以及阻容吸收装置，如图2所示。

2 模块快速插拔机构设计

新型馈电开关内各模块均采用可插拔的方式。首先，根据各模块在开关中的空间位置，在开关外壳内壁上安装上与其大小相配套的滑道，使得各模块可借助模块板沿各自所属的滑道推入或拉出主腔腔体。其次，各模块的固定方式不再使用传统的组合螺栓，除真空断路器模块外，其余模块均采用型号为GYT-13005的快速夹具进行固定，即利用机械力学中的死点夹紧原理，使得当夹具夹紧时形成稳定的三角形，使机构处于死点位置，只有主动杆受到外力作用时机构才会解除，否则被夹紧的工件无论有多大的反力(除破坏性反力)也无法使压头松开。快速夹具结构简单，夹装快速灵活，一旦开关内某个电器元件发生故障，只需松开快速夹具，将发生故障元件所在的模块沿滑道拉出，再用完好的模块备件对其进行更换，即可使开关恢复正常。

图2 模块空间布置右侧视图

1-滑道;2-滚子;3-主腔;4-真空断路器;5-上腔;6-上腔接线柱;7-隔盒;8-导电带;9-后腔;10-零序电流互感器;11-三相电流互感器;12-后腔接线柱;13-卡簧式插座;14-断路器下导电插排;15-阻容吸收装置

2.1 真空断路器模块快速插拔机构设计

新型馈电开关的真空断路器采用三相插接式结构，即将断路器的进、出线接线板改为插板式结构，如图3所示。

图3 插拔式真空断路器

1-上导电插板;2-滚轮;3-下导电插板;4-助力机构卡槽;5-卡槽杆;6-断路器外支架

在后腔与主腔相邻的隔爆钢板上布置6个与真空断路器插板相对应的接线柱，如图4所示。各接线柱采用贯通式隔爆结构连通主腔与后腔，接线柱前端带有与真空断路器各插板相对应的卡簧式插座。在开关主腔内壁上安装有与真空断路器模块尺寸、位置相配套的滑道，当真空断路器本体借助安装于其两侧的滑轮，沿滑道推入开关主腔后，真空断路器各插板恰好与其对应的插座相啮合，接线柱后端通过6条铜质导电带与开关上腔6个接线柱对应相连，如图2所示，从而完成真空断路器与电路的连接。

图4 插座空间布置

1-与断路器上导电插板相配合的插座;2-与断路器下导电插板相配合的插座;3-滑道;4-隔盒

2.2 真空断路器模块助力机构设计

根据开关检修时的实际操作特点以及各模块的形状、尺寸，从易拆卸、易更换的角度出发，应对各模块在开关内的空间布置进行规划。由于真空断路器模块、电源模块、三相电抗器模块、继电器模块发生故障的概率相对较高，故将这4个模块放置于开关主腔外侧，其中真空断路器模块与其它模块之间由绝缘隔板隔开，其空间布置如图1所示。

图5 断路器助力机构

1-左滑道;2-扳手销;3-凸台;4-卡槽拉杆;5-卡槽;6-左扳手;7-左扳手拉杆;8-右扳手;9-锁紧卡;10-右滑道

拉出断路器时，松开卡紧左、右扳手的锁紧卡，拉动左扳手拉杆，左、右扳手在其带动下，围绕各自的扳手销旋转，同时带动焊接在左、右扳手下部的凸台，使其在卡槽内旋转并发生位移，进而带动左、右卡槽拉杆向外移动，左、右卡槽拉杆焊接于断路器本体外支架上，从而带动断路器本体向外移动。当左、右扳手完全打开时，断路器导电插板恰好与其所对应的插座分离，同时，左、右扳手还可作为滑道的延长部分，更便于本体的放置、推入和拉出。当左、右扳手完全合并时，断路器导电插板恰好与其对应的插座啮合，合上锁紧卡可防止断路器本体发生移动。经计算，借助助力机构可使拉动断路器的力量减少近10倍。

3 模块故障诊断技术研究

新型馈电开关可在不进行任何检测的情况下，自动、直观显示出馈电开关的故障点。其总体思路是:实时监测各模块电器元件的工况信息，并将采集到的信息经处理后送至高性能ATmega16单片机，以单片机为控制单元，根据采集到的信号和当前其它模块的工况信息对该模块做出逻辑判断，从而决定是否给出故障信号，当某个模块出现故障后，诊断程序通过控制开关前面板上的故障指示灯状态(指示灯亮)，指出发生故障的电器元件所对应的模块。由于篇幅所限，本文只给出各模块故障诊断原理说明。

3.1 真空断路器模块诊断原理

该模块主要包括吸合线圈控制线、辅助接点和真空管。用阻容减压电路采集真空管两端是否有电压来判断真空管是否接通，吸合线圈为交流127 V供电，将吸合线圈两端交流电经整流滤波后给光耦供电，以采集当前真空断路器通断状态，比较吸合线圈和真空管的通断状态，进而判断该模块是否故障。

3.2 继电器模块诊断原理

继电器吸合线圈为交流36 V供电，将吸合线圈两端交流电经整流滤波后给光耦供电，以采集当前继电器吸合状态。继电器输出节点用故障诊断处理电路采集其通断状态，比较吸合线圈和节点的通断状态，进而判断该模块是否故障。

3.3 三相电抗器模块诊断原理

三相电抗器输出线圈为低压，其三相输出线分别给光耦供电，以指示是否有电压存在，单片机根据采集到的信号结合断路器出线侧是否带电来判断电抗器是否正常。

3.4 综合保护器模块诊断原理

综合保护器留有RS-485通信接口，故障诊断电路利用RS-485接口与保护器通信，监测开关参数并定时给综保装置发送读取参数命令，若综保电源带电但不能正常返回电网参数，则判断为保护器工作异常。

3.5 控制电源模块诊断原理

该模块包含两根高压进线，经保险丝、控制变压器和转换开关输出低压给继电器和综合保护器，并给故障诊断部分供电。将控制变压器两根高压进线进行阻容降压并给故障指示灯供电，与此同时故障诊断部分控制继电器常闭节点使指示灯不亮，当变压器模块出现故障后，故障诊断部分停止工作，继电器失电闭合使故障指示灯发光，从而指示控制电源模块故障。

4 结语

1)新型馈电开关的主要特点是:当发生故障时由“现场检修”变为“现场更换”，大大提高了开关的检修速度，可将开关故障对煤矿生产的影响降至最低;新型馈电开关安装使用后，生产矿不需再派大量专业检修人员去跟班检修，节约了人力资源;故障模块升至井上后，可借助专业的检修工具进行修复，不仅提高故障元件的维修成功率，而且降低生产矿生产成本。

2)馈电开关内的电器元件采用了模块化设计方法，可为下一步面向具有相似功能的类似产品进行系列化的模块化设计，使各模块在类似产品中通用和互换。

3)新型馈电开关与原有的馈电开关相比，其体积和重量均略有增加，因此其内部各模块的空间布置以及开关外壳的结构仍需要进一步优化，这将是下一步的工作。