礦用無(wú)觸點(diǎn)電氣開關(guān)的研究

賈傳圣，張 寧

（江蘇師范大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 徐州221000）

0 引 言

中國(guó)是一個(gè)產(chǎn)煤及用煤的大國(guó)，煤炭是支持國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活的主要能源。在生產(chǎn)煤炭能源的同時(shí)，煤炭行業(yè)也扮演著能源消耗大戶的角色。合理、環(huán)保、安全的產(chǎn)煤用煤，加快煤礦現(xiàn)代化的進(jìn)程，提高井下的安全生產(chǎn)，加強(qiáng)工作效率就變得尤為重要。

煤礦井下的工作情況復(fù)雜，環(huán)境惡劣。當(dāng)煤塵和瓦斯遇到電氣火花便具有爆炸的可能，這直接威脅到礦井內(nèi)工人的生命安全。為了解決這一問題，使用無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)取代有觸點(diǎn)的各類接觸器是避免電氣火花的有力措施。

現(xiàn)有的常規(guī)可控開關(guān)都是由交流接觸器、真空開關(guān)、或者油開關(guān)與繼電器或者電源操作機(jī)構(gòu)構(gòu)成，由于自身物理結(jié)構(gòu)的限制，在機(jī)械動(dòng)作時(shí)，其開斷容量很難在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大幅度的提高和技術(shù)更新。并且，其動(dòng)、靜觸頭分開時(shí)，引起的電弧會(huì)延長(zhǎng)電氣開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間和速度。

因此，煤礦井下對(duì)故障電流能夠及時(shí)快速斷開，解決有觸點(diǎn)的電氣開關(guān)可能引起的電弧火花的問題，采用新型無(wú)觸點(diǎn)電氣開關(guān)來(lái)取代傳統(tǒng)“線圈—簧片觸點(diǎn)式”繼電器（MER），以實(shí)現(xiàn)容量更大、性能更優(yōu)的開關(guān)技術(shù)來(lái)迅速投切電氣設(shè)備變得迫在眉睫。

1 煤礦井下電氣開關(guān)發(fā)展及特點(diǎn)

下面根據(jù)煤礦井下電氣控制開關(guān)的發(fā)展?fàn)顩r和使用情況，介紹幾種典型電氣控制開關(guān)，結(jié)合目前煤礦井下生產(chǎn)發(fā)展所需要求，分析和比較它們的技術(shù)特點(diǎn)以及優(yōu)劣。

1．1 QC83－80型磁力啟動(dòng)器

磁力啟動(dòng)器是直接起動(dòng)控制、遠(yuǎn)距離控制和聯(lián)鎖控制以保護(hù)采、掘、運(yùn)等用電設(shè)備的組合式開關(guān)電器。它具有多種保護(hù)功能，并且可以實(shí)現(xiàn)集中控制和聯(lián)鎖控制。QC83－80型磁力啟動(dòng)器為傳統(tǒng)的啟動(dòng)器。

QC83－80型磁力啟動(dòng)器是仿照前蘇聯(lián)技術(shù)的磁力啟動(dòng)器，是我國(guó)煤礦井下使用時(shí)間較長(zhǎng)的磁力啟動(dòng)器。其控制特點(diǎn)是主回路電源電壓是660 V或380 V，控制回路的電壓是36 V，屬于低電壓控制高電壓，小電流控制大電流，主要結(jié)構(gòu)包括隔爆外殼、換向隔離開關(guān)、主接觸器和控制、保護(hù)元件等。其中接觸器是用于遠(yuǎn)距離頻繁地接通與斷開交直流主電路以及大容量控制電路的一種自動(dòng)切換電器。

但是，由于煤礦井下所含有的有害氣體的濃度比較高，特別是瓦斯和空氣混合后極其容易發(fā)生爆炸事故。由于電機(jī)的啟動(dòng)會(huì)伴有電磁火花，容易引起瓦斯爆炸。因此QC83－80型磁力啟動(dòng)器逐漸淘汰，而采用真空開關(guān)替代傳統(tǒng)的“線圈—簧片觸點(diǎn)式”接觸器，來(lái)避免電弧火花引起的危害，加強(qiáng)煤礦井下系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。

1．2 QC83－120（225）Z型真空磁力啟動(dòng)器

QC83－120（225）Z型真空隔爆型電磁啟動(dòng)器是一種組合電器，主要由隔離開關(guān)、接觸器、熔斷器、繼電保護(hù)裝置、按鈕等元件組成，并將其裝在隔爆外殼中，用來(lái)控制和保護(hù)電動(dòng)機(jī)。

傳統(tǒng)QC系列啟動(dòng)器使用真空接觸器其分?jǐn)嗄芰π?、觸點(diǎn)易燒損和熔焊、開關(guān)維修量大，所以逐漸不能適應(yīng)生產(chǎn)的需要。為此，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：井下40 kW及以下的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)采用真空電磁啟動(dòng)器控制。

QC80－120（225）Z型真空磁力啟動(dòng)器隔爆外殼和電路板與QC83－80型基本相同，只是進(jìn)、出線接線盒合并為一個(gè)，內(nèi)部采用真空接觸器和JDB型電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器。

1．2．1 真空接觸器原理

QC83－120（225）Z型真空磁力啟動(dòng)器與QC83－80型磁力啟動(dòng)器的主要區(qū)別是用真空接觸器來(lái)替代傳統(tǒng)的接觸器。這是由于利用真空滅弧的原理，用來(lái)頻繁接通和斷開正常工作電流，具有熄弧能力強(qiáng)、耐壓性能好、操作頻率較高、觸頭壽命長(zhǎng)、無(wú)電弧外噴、體積小、重量輕、維修周期較長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，適合在防爆場(chǎng)合使用。

1．2．2 真空磁力啟動(dòng)器的不足之處

由于真空接觸器的真空滅弧室在制造過(guò)程中，對(duì)工藝的要求比較高，如果工藝不良，就會(huì)造成真空磁力啟動(dòng)器失效，從而導(dǎo)致失去了防爆性能而引發(fā)瓦斯爆炸。因此，從根本上解決無(wú)電氣火花產(chǎn)生的可能性上來(lái)說(shuō)，真空磁力啟動(dòng)器作為電氣開關(guān)控制元件，在電路的控制中還是存在一定的安全隱患。

2 基于PLC的礦用無(wú)觸點(diǎn)電氣開關(guān)的研究

2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)從系統(tǒng)控制運(yùn)行的安全穩(wěn)定性考慮出發(fā)，旨在能夠從根源上切斷電弧產(chǎn)生的可能，故而采用無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，即使用固態(tài)開關(guān)來(lái)代替真空電磁起動(dòng)器，并結(jié)合PLC可編程邏輯智能控制器件，以及必要的外圍電路，設(shè)計(jì)出適合煤礦井下無(wú)觸點(diǎn)電氣開關(guān)控制電路。設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)原理框圖

2．2 固態(tài)開關(guān)

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新部分在于固態(tài)開關(guān)作為一種無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)具備多種優(yōu)點(diǎn)，它能夠彌補(bǔ)有觸點(diǎn)開關(guān)的不足，較好地解決電氣開關(guān)機(jī)械動(dòng)作時(shí)引起電弧火花的問題。

固態(tài)開關(guān)優(yōu)越性主要體現(xiàn)為：沒有拉弧的現(xiàn)象，不會(huì)因?yàn)殡娀《搪樊a(chǎn)生火災(zāi)事故，能減少煤礦井下安全事故，對(duì)于加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)有著很大的幫助。不采用觸點(diǎn)電器的電磁線圈能夠極大程度地降低電能的損耗，有助于資源的節(jié)約，生產(chǎn)效益的提高。采用無(wú)觸點(diǎn)電氣開關(guān)控制，會(huì)提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，即使頻繁的起動(dòng)，也不會(huì)發(fā)生由于開關(guān)故障造成的損失。從另一方面來(lái)說(shuō)，對(duì)于節(jié)約金屬類資源有很大幫助，具有一定積極性。

由于沒有任何可動(dòng)的機(jī)械部件以及機(jī)械動(dòng)作，固態(tài)繼電器SSR由電路狀態(tài)變換實(shí)現(xiàn)“通”和“斷”的功能，壽命長(zhǎng)、工作可靠性高、沒有噪聲污染、靈敏度高、控制方便、受電磁干擾小，并且具備防潮防霉的功能。交流型SSR由于采用過(guò)零觸發(fā)的技術(shù)，因此固態(tài)繼電器SSR能夠安全可靠的用在計(jì)算機(jī)輸出接口上，減少了在接口上采用MER產(chǎn)生的一系列對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾。

當(dāng)然固態(tài)開關(guān)也存在著只有單一觸點(diǎn)、需要散熱片、存在漏電流等缺點(diǎn)，這些都是不可避免的，但是究其特點(diǎn)，選擇用固態(tài)開關(guān)作為系統(tǒng)電路控制開關(guān)部分具備可行性。

2．3 JDB電機(jī)綜合保護(hù)器

JDB電機(jī)綜合保護(hù)器的工作原理是將電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器串接于電動(dòng)機(jī)電源回路中，通過(guò)采集電源回路的電流、電壓等信號(hào)來(lái)反映電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、工況。通過(guò)微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使其功能更強(qiáng)大。

之所以引入電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器，是由于電動(dòng)機(jī)燒毀的主要原因是運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)斷相和過(guò)載燒毀繞組。因此，有電動(dòng)機(jī)存在的電路應(yīng)該裝設(shè)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，以保證在電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)斷相和過(guò)流運(yùn)行時(shí)及時(shí)切斷工作電源，保護(hù)電動(dòng)機(jī)免受損壞。小型電動(dòng)機(jī)的主要保護(hù)器是熱繼電器。

大型電動(dòng)機(jī)如果還使用熱繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)的話，其連接點(diǎn) （即進(jìn)出熱繼電器的螺絲接線點(diǎn)）就容易出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象而發(fā)生故障，為避免這類問題，就出現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器。

JDB電機(jī)綜合保護(hù)器主要由漏電、過(guò)載、短路、斷相等保護(hù)組成，為礦井供電、系統(tǒng)安全運(yùn)行，給予重要保障。

2．4 雙向可控硅控制固態(tài)開關(guān)

固態(tài)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)和觸發(fā)的方式多樣，本設(shè)計(jì)選用雙向可控硅控制固態(tài)開關(guān)。雙向固態(tài)開關(guān)是適用于遠(yuǎn)距離頻繁操作場(chǎng)合的理想半導(dǎo)體開關(guān)，具有通、斷負(fù)載電流的能力，可控制電源的開、斷部分。同時(shí)，依據(jù)雙向可控硅能解決“線圈—簧片觸點(diǎn)式”機(jī)械開關(guān)的弊端，能有效地消除接點(diǎn)顫動(dòng)的問題。而且，還可以利用小功率的控制電源實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率主電路的有效控制。此外，由于雙向可控硅總是在電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷，因此具有元件數(shù)量少，電弧不易產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)。

3 PLC與固態(tài)開關(guān)的應(yīng)用

PLC可編程控制器具備編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改程序，維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)，可靠性高，體積小，可將數(shù)據(jù)結(jié)果直接輸送到計(jì)算機(jī)，控制裝置擴(kuò)展時(shí)很方便等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)PLC為晶體管輸出型，是通過(guò)光耦合器使晶體管截止或者導(dǎo)通以控制外部負(fù)載電路。這類輸出單元能夠?yàn)樨?fù)載提供的工作電源是DC12～24 V，但是工作時(shí)必須先驅(qū)動(dòng)DC12～24 V的中間繼電器，再用中間繼電器帶動(dòng)AC380 V的負(fù)載，而不能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

這樣，就會(huì)使得外部接線變得復(fù)雜，其機(jī)械觸點(diǎn)的壽命及可靠性與PLC控制系統(tǒng)相差甚遠(yuǎn)，極大阻礙了控制系統(tǒng)性能的發(fā)揮，給工作過(guò)程帶來(lái)了不便。為了解決這個(gè)問題，使用固態(tài)開關(guān)，就能彌補(bǔ)不足，實(shí)現(xiàn)PLC直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路。

采用PLC可編程邏輯控制器與LCD液晶觸摸顯示屏相結(jié)合，更具有人性化風(fēng)格，便于人員學(xué)習(xí)與操作，能更加及時(shí)有效、直觀、快速的進(jìn)行在線修改、檢測(cè)，獲得有效數(shù)據(jù)。

操作過(guò)程為，當(dāng)合上隔離開關(guān)，給LCD液晶觸摸屏一個(gè)啟動(dòng)的命令，PLC可編程邏輯控制器控制雙向可控硅固態(tài)開關(guān)，固態(tài)開關(guān)得到觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通，從而能夠帶動(dòng)負(fù)載啟動(dòng)運(yùn)行。

同時(shí)，相應(yīng)的繼電保護(hù)模塊檢測(cè)電路運(yùn)行，伴有漏電、閉鎖、斷相、過(guò)載、短路等保護(hù)。

系統(tǒng)PLC部分的設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 PLC程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了采用無(wú)觸點(diǎn)電氣開關(guān)來(lái)替代傳統(tǒng)交流接觸器、真空接觸器等有觸頭的電氣開關(guān)作為煤礦井下系統(tǒng)的控制開關(guān)部分，其目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下更為安全、可靠、高效和更具現(xiàn)代化的控制與管理，

旨在能夠?qū)崿F(xiàn)從根源上解決煤礦井下電氣火花、粉塵所帶來(lái)的安全隱患問題。同時(shí)無(wú)觸點(diǎn)電氣控制更加符合當(dāng)今煤礦工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)與要求，因此，研究礦用無(wú)觸點(diǎn)電氣開關(guān)具備可行性研究?jī)r(jià)值。

［1］ 孫元山．PLC在礦用防爆變頻調(diào)速裝置中的應(yīng)用［J］．煤炭技術(shù)，2010，29（8）：42－43．

［2］ 何永平，吳 旭，劉廣田，張麗曉，薛建東，淺議礦用隔爆按鈕（開關(guān)）現(xiàn)狀及展望［J］．電氣防爆，2004，（1）：40－43．

［3］ D·K·米特拉，S·K·洛易，王彥文，新型煤電鉆控制箱—雙向可控硅固態(tài)開關(guān)［J］．煤炭安全，1986，（2）：12－13．

［4］ 穆永保，張建成，IGBT型固態(tài)開關(guān)技術(shù)的研究［J］．電氣制造，2006，（1）：21－23．

［5］ 邢金嶺．煤礦新型煤電鉆綜合保護(hù)開關(guān)的研究［D］．西安：西安科技大學(xué)，2010．

［6］ 國(guó)家安全監(jiān)管總局．煤礦安全規(guī)程［S］．2001．

［7］ GB3836－2000，爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備［S］．2000．

［8］ 王兆義，楊新志．小型可編程控制器實(shí)用技術(shù)（第二版）［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．