高壓真空斷路器永磁控制技術(shù)的研發(fā)

摘 要：真空斷路器的使用量大、面廣，操作頻繁，可靠性和免維護性的要求很高。由于永磁機構(gòu)斷路器是采用電子控制，可實現(xiàn)斷路器的所用功能，同時還可具有智能化功能。特別適用于在工作范圍內(nèi)頻繁操作和對短路開斷操作次數(shù)有一定要求的場合，由于其真空電弧無與倫比的特性，使其電壽命大大增加，機械壽命可達到十萬次，這就為更好的發(fā)揮真空斷路器的獨特性能提供了可能。

關(guān)鍵詞：永磁機構(gòu)；線圈；指令；存儲器

中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）15-0071-02

1 新品研發(fā)的提出

35 kV真空斷路器需求量很大，并且要求斷路器開斷次數(shù)頻繁，可靠性高，目前國內(nèi)在這一領(lǐng)域尚無成熟產(chǎn)品使用，多采用進口產(chǎn)品，而進口產(chǎn)品價格很高，國內(nèi)用戶對此都望而卻步，我公司研究認為開發(fā)35 kV永磁機構(gòu)真空斷路器有以下幾個優(yōu)點：此產(chǎn)品用戶需求量大，產(chǎn)品利潤高；此產(chǎn)品二次控制在國內(nèi)數(shù)領(lǐng)先技術(shù)，此斷路器具有長壽命和智能化控制等特點，在今后中壓開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域?qū)⒂泻艽笄熬啊?/p>

經(jīng)研究決定我公司將35 kV永磁機構(gòu)高壓真空斷路器列為新品研發(fā)項目。而永磁機構(gòu)研制的重要部分就是二次控制的開發(fā)。

2 永磁機構(gòu)二次控制的研制

2.1 永磁機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)

外型尺寸小，一次、二次合理布局，并滿足大批量的工業(yè)化生產(chǎn)，并且滿足節(jié)約成本，滿足機械強度是確定永磁機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)的前提。

2.2 永磁機構(gòu)二次控制的設(shè)計

工作原理：控制器的核心部件采用了高性能的單片機芯片，精確控制高壓開關(guān)的永磁機構(gòu)，同時通過位置信號檢測和儲能電容的電壓檢測控制開關(guān)的二次電路

2.2.1 電壓檢測功能

控制器電源在上電的過程中，自動檢測電容電壓，如出現(xiàn)電壓異常狀態(tài)，內(nèi)部蜂鳴器發(fā)出報警信號。當電容電壓下降到100 V以下后，蜂鳴器自動發(fā)出報警信號，同時對合閘狀態(tài)的機構(gòu)進行自動分閘。

2.2.2 儲能電壓控制功能

控制器的電源電壓輸入在AC或DC220 V±10%范圍內(nèi)時，電容電壓始終控制控制在DC213.5 V，穩(wěn)定了機構(gòu)的動作性能。

2.2.3 大電流驅(qū)動功能

控制器采用了性能可靠的IGBT模塊進行驅(qū)動輸出，最大可承受80 A的峰值電流。

3 端口說明

中間的三個發(fā)光二極管中+12 V和+5 V指示燈亮時表示內(nèi)部電源工作正常。

狀態(tài)指示燈的k0亮時表示儲能電壓工作正常。k1、k2為分合閘控制信號輸入指示，當有分閘信號輸入時，k1燈閃爍；有合閘信號輸入時，k2燈閃爍。k3、k4、k5用于開關(guān)的狀態(tài)指示，合閘時燈亮。

JQ和JC如圖1、圖2所示。JQ接永磁機構(gòu)線圈，JC接儲能電容，其中紅色導線為正，黑色導線為負。

4 控制原理

4.1 機構(gòu)

彈簧操作機構(gòu)由繁多的機械元件組成，一般可以達到160種左右，而且沒有標準件，比如螺釘。相比之下，永磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)就簡單得多。除了滅弧室的本身的動觸頭外，它僅僅由一個帶有觸頭壓力彈簧的連接桿、一個焊接的主軸、永磁驅(qū)動元件組成，部件的數(shù)量減少了60%。一個固定的圓棒狀的鐵芯、永久磁鐵、鋼活塞以及分合閘線圈。當活塞與鐵芯一起處于頂部位置（分閘位置）時永久磁鐵形成的磁力線路徑磁抗較低，而活塞底部由于存在較大的間隙，表示此處的磁抗較大。因此，磁力線幾乎都無以例外的通過與磁芯接觸的活塞的端部。在此處，永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線非常聚集，因此而產(chǎn)生一個很大的吸引力。這種吸引力通過主軸直接傳遞到真空滅弧室的觸頭上。

當合閘時，位于下面的線圈產(chǎn)生額外的磁場以補償間隙處的磁抗。越來越多的磁力線開始通過下面的路徑。上面線圈產(chǎn)生的維持力越來越小，而下面線圈產(chǎn)生的吸引力越來越大。當線圈電流超過某一值時，活塞開始移動。當確保到達最終位置后。線圈剩余的電流就可以使該位置處于鎖定狀態(tài)。永久磁鐵產(chǎn)生的磁力和電磁鐵產(chǎn)生的磁力合起來的力會很大，該力可以有效地防止機械振蕩的產(chǎn)生。幾微秒后，線圈電流切斷，只不過這一次活塞處于另外一端極限位置。此時，真空滅弧室觸頭的合閘狀態(tài)以及已經(jīng)儲能的觸頭彈簧是由一個固定的維持力維持，該維持力只是由永久磁鐵產(chǎn)生。借助這樣的操動機構(gòu)，不需多少維護，操作壽命就可以很容易地達到100 000次。因此，這種新型的斷路器在那些需要頻繁開斷的場所，如造紙廠以及電弧爐上，十分有用。

4.2 控制器

斷路器的電氣供給和控制單元必須滿足所有與傳統(tǒng)機械操動機構(gòu)相似的功能。另外，它還需提供并監(jiān)控開斷驅(qū)動元件所需的能量。電源供給輸入的電壓范圍從直流20～60 V（交流20～48 V），或者從直流93～375 V（交流93～265 V），它可以不受供給的輔助電壓的穩(wěn)定性和質(zhì)量的影響，提供一個穩(wěn)定的80 V的操作電壓。因此，沒有必要為了適應(yīng)用戶提供的電壓，而調(diào)節(jié)斷路器中機構(gòu)操作消耗的時間， 低電壓和過電壓對開斷時間都不會有任何影響。

4.3 電氣控制單元的應(yīng)用

為了進行合分操作，就要對機構(gòu)的線圈提供能量，這就需要將線圈與一個輔助的電壓供給一直連接在一起。原則上講，傳統(tǒng)的機械機構(gòu)也是如此。因為它的跳閘和合閘線圈需要電能。但這種電能只是機構(gòu)所需的必要的電能的1/10，因此，機構(gòu)的線圈就不能和控制電壓直接相連，而只能和一個儲備的電壓相連。電池和電容就是最常見的儲備電壓源。與電池相比，電容的優(yōu)點是壽命長，而且不需要維護。即使在環(huán)境溫度高達55度時，現(xiàn)代的電解電容壽命也超過了30年。

電氣控制單元的電源與控制電壓直接相連。與其他保護器件一樣，斷路器也應(yīng)具備同樣的有效性和優(yōu)先權(quán)。在待命狀態(tài)，整個控制單元耗能2 W。只有在開斷后電容充電期間（2～10 s），或者第一次給空電容充電期間（8～50 s），電流才可能增大達到最大值2 A，這一電流受到電子線路的限制。除過這些，這種斷路器再不需要其他電源，而傳統(tǒng)的機械機構(gòu)還需要給儲能彈簧儲能。因此，新型斷路器的有效性提高了。

輔助電壓出現(xiàn)故障時，儲能電容保證了在故障出現(xiàn)后的2 s內(nèi)，還可以進行一次開斷操作。因此，短時間的斷電不會產(chǎn)生問題，可以忽略。而傳統(tǒng)的斷路器在短時斷電時不會跳閘，除非還有另外一個保護單元。在這種接線中，可以理解手動合閘時不會產(chǎn)生這種保護性操作，因為沒有了輔助電壓，任何保護功能都就沒有了。

4.3.1 低電壓脫扣

利用輸入3，電氣控制部分還具有了低電壓脫扣功能。如果不用輸入3，那就應(yīng)該連到內(nèi)部80 V的供給電壓上，這樣，控制部分就成了外部聯(lián)鎖線路的一部分。如果把CCS脫扣輸入3連到一個商用的低電壓繼電器上，就可以實現(xiàn)低電壓脫扣功能。這樣，就可以準確地確定初級電壓的開斷水平（例如根據(jù)IEC標準是70%）

為了保護電機，不僅需要用用低電壓繼電器控制電機的電壓，而且需要給磁驅(qū)動器提供和電機電壓相同的電壓。否則，當?shù)碗妷好摽蹠r，斷路器的有效性就會產(chǎn)生變化。這一電壓是由一個功率大約為200 VA的小變壓器提供的，它只消耗了斷路器功率很小的一部分。

4.3.2 過流跳閘

如果有一個為保護單元提供的輔助電壓源，那么電氣控制單元非常適用于過流或短路電流跳閘。如果沒有外部的電壓源，那么如上面所講的，一個變壓器可以用來給斷路器提供能量。

5 結(jié) 語

永磁機構(gòu)的控制是一項新的學科，永磁機構(gòu)由于獨特的特性和工作原理，再配以合適的控制程序，會使斷路器的質(zhì)量得到很大的提高。

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