渦流斥力機(jī)構(gòu)及其低壓控制與保護(hù)技術(shù)

繆希仁, 王 田

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院， 福建 福州 350116)

渦流斥力機(jī)構(gòu)及其低壓控制與保護(hù)技術(shù)

繆希仁, 王 田

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院， 福建 福州 350116)

概述國內(nèi)外渦流斥力技術(shù)仿真研究和樣機(jī)設(shè)計兩個方面的發(fā)展現(xiàn)狀， 分析渦流斥力機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡便、 動作迅速的特點. 對帶有渦流斥力機(jī)構(gòu)的新型交流接觸器樣機(jī)進(jìn)行動態(tài)特性測試， 證明其能夠在接觸器控制操作特性基礎(chǔ)上實現(xiàn)快速動作. 結(jié)合短路故障早期檢測技術(shù)， 通過實際的單相短路實驗測試系統(tǒng)， 驗證渦流斥力機(jī)構(gòu)的低壓短路故障快速分?jǐn)嘤行裕?為兼具控制與保護(hù)功能的低壓智能集成電器技術(shù)奠定基礎(chǔ).

渦流斥力; 快速開關(guān); 低壓電器; 早期檢測; 集成電器

0 引言

智能電網(wǎng)發(fā)展， 對電力系統(tǒng)的可靠安全運行有著更高的要求. 電力開關(guān)作為控制和保護(hù)單元， 在電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用. 而開關(guān)性能的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在觸頭的分合閘動作特性上， 同時分合閘動作又通過操動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn). 但傳統(tǒng)的操動機(jī)構(gòu)存在動作速度過慢， 動作時間較長且時間分散性較大等不足， 限制了開關(guān)電器智能化技術(shù)的應(yīng)用. 顯然， 大幅提高操動機(jī)構(gòu)的動作速度， 縮短其完成行程的時間， 不僅可以提高開關(guān)的分?jǐn)嗄芰Γ?保障電力系統(tǒng)的安全性和可靠性， 還能減小觸頭合閘彈跳和分閘彈振， 增加開關(guān)電器的使用壽命[1-3].

近年來， 國內(nèi)外已開展利用渦流斥力技術(shù)實現(xiàn)操動機(jī)構(gòu)快速動作的應(yīng)用與研究， 且利用所研制的樣機(jī)對其動作特性進(jìn)行了測試， 驗證了渦流斥力形成時間極短， 可有效實現(xiàn)快速動作的特性. 同時， 渦流斥力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單， 可在一定程度上減小機(jī)構(gòu)故障幾率. 本研究對國內(nèi)外渦流斥力技術(shù)在快速開關(guān)電器的仿真研究和樣機(jī)研制兩個方面進(jìn)行了歸納和總結(jié)， 并提出渦流斥力技術(shù)趨勢及其技術(shù)研究方向. 同時， 針對傳統(tǒng)交流接觸器動作速度慢等問題， 將渦流斥力技術(shù)引入低壓電器， 利用其動作時間極短的特性， 提出基于渦流斥力機(jī)構(gòu)的新型低壓電器技術(shù)， 且將其與短路故障早期檢測技術(shù)相結(jié)合， 指出其不僅可以實現(xiàn)線路正常時的接通與分?jǐn)啵?還能切斷一定容量的短路故障電流， 為實現(xiàn)控制與保護(hù)功能的智能集成電器提供更加有利的結(jié)構(gòu)特性與動作特性.

1 渦流斥力機(jī)構(gòu)的工作原理

根據(jù)不同的使用場合， 傳統(tǒng)操動機(jī)構(gòu)主要包括手動操作機(jī)構(gòu)、 彈簧操作機(jī)構(gòu)、 電動機(jī)操作機(jī)構(gòu)和電磁操作機(jī)構(gòu)等. 其中， 手動操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、 運行可靠、 無需其它操作能源， 但合閘力小、 合閘時間長， 無法遠(yuǎn)距離操作和自動重合閘； 彈簧貯能操作機(jī)構(gòu)成套性強不需要配備附加設(shè)備， 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 加工工藝及材料性能要求高； 電動機(jī)操作機(jī)構(gòu)合閘功小， 合閘特性較差， 一般設(shè)計成儲能式且儲能時間長達(dá)10～20 s， 不適用于快速合閘和快速重合閘； 電磁操作機(jī)構(gòu)動作時間通常大于10 ms， 不具備快速動作特性[4-5].

上述4種傳統(tǒng)的操作機(jī)構(gòu)因其固有的機(jī)構(gòu)特性， 均無法滿足開關(guān)電器對機(jī)構(gòu)快速性和可靠性的要求， 亟需新型的具有結(jié)構(gòu)簡單、 動作快速特點的操動機(jī)構(gòu). 近年來， 由于高速渦流斥力機(jī)構(gòu)具有運動時間短、 初始加速度大等優(yōu)勢， 國內(nèi)外越來越多的學(xué)者開始對其展開研究， 并且成功將其運用到許多場合及產(chǎn)品， 促進(jìn)渦流斥力機(jī)構(gòu)研究取得較大進(jìn)展.

圖1 渦流斥力機(jī)構(gòu)工作原理圖

渦流斥力機(jī)構(gòu)的工作原理如圖1所示， 其主要由勵磁控制回路和斥力動作機(jī)構(gòu)所組成. 勵磁電路由大容量儲能電容作為放電能量源， 首先先對電容進(jìn)行充電， 通過控制大功率晶閘管完成對線圈盤的放電， 在空間中瞬間產(chǎn)生強磁場. 根據(jù)物理學(xué)的知識可知， 該磁場可分為軸向磁場和切向磁場， 斥力盤在軸向磁場的作用下感應(yīng)出與線圈電流方向相反的渦流， 切向磁場與渦流相互作用產(chǎn)生電磁斥力， 即斥力盤受到沿Z軸正方向的作用力推動斥力盤動作. 斥力盤則帶動連桿機(jī)構(gòu)， 強力推動觸頭機(jī)構(gòu)， 實現(xiàn)快速分合閘操作. 并且由于是空心線圈， 線圈電感比較小， 回路電流上升比較快， 而且回路電阻小， 電流峰值比較大， 足以產(chǎn)生滿足驅(qū)動機(jī)構(gòu)所需的磁場能量， 使機(jī)構(gòu)實現(xiàn)快速動作[6-8].

2 渦流斥力機(jī)構(gòu)仿真研究

開展渦流斥力機(jī)構(gòu)本身因素(包括斥力盤和線圈盤結(jié)構(gòu)等)和外部電路因素(包括電容預(yù)充電電壓和充電電容量等)的仿真研究， 對機(jī)構(gòu)設(shè)計具有重要的意義. 國內(nèi)外已有眾多學(xué)者對渦流斥力機(jī)構(gòu)仿真技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究.

文[9-12]為了探討渦流斥力機(jī)構(gòu)的動態(tài)性能與機(jī)構(gòu)的各個結(jié)構(gòu)參數(shù)、 線圈盤電流等存在的復(fù)雜關(guān)系, 在對渦流斥力機(jī)構(gòu)基本工作原理深入分析的基礎(chǔ)上， 從機(jī)構(gòu)等效電路模型出發(fā)， 得出計算渦流斥力的數(shù)學(xué)模型， 并利用能量守恒的方法推導(dǎo)出渦流斥力大小與線圈電流的大小、 斥力盤感應(yīng)渦流的大小以及線圈和斥力盤間的互感相對于斥力盤位移的導(dǎo)數(shù)成正比.

在此基礎(chǔ)上， 對機(jī)構(gòu)初始參數(shù)進(jìn)行賦值， 加以有限元仿真建模. 最后， 利用有限元仿真軟件對影響機(jī)構(gòu)動作特性的參數(shù)進(jìn)行研究， 得出渦流斥力機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的一般規(guī)律.

文[13]著重研究渦流斥力機(jī)構(gòu)中電容參數(shù)對電磁斥力的影響， 并通過理論推導(dǎo)與仿真分析得出在電容儲能相等的情況下， 小容量高充電電壓的驅(qū)動電容更有利于主觸頭在運動初期形成更大的開距， 從而提高斷路器關(guān)斷時過電壓的承受能力， 為混合型限流斷路器中渦流斥力機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電路提供指導(dǎo).

文[14]采用一種基于離散的時間和位移雙層循環(huán)迭代算法， 詳細(xì)研究不同參數(shù)對渦流斥力機(jī)構(gòu)動態(tài)特性的影響， 給出一般性的樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計指導(dǎo)原則. 同時， 利用優(yōu)化分析得出的參數(shù)， 結(jié)合10 kV等級快速真空斷路器的合閘過程算例， 計算出合閘時間可達(dá)到0.23 ms， 具有較好的快速仿真特性.

文[15]則提出一種將電磁場與機(jī)構(gòu)運動進(jìn)行耦合分析的方法， 建立渦流斥力機(jī)構(gòu)的等效電路及運動方程， 并利用有限元的方法驗證文中所提方法的有效性. 同時， 為提高渦流斥力機(jī)構(gòu)的快速性， 文中指出應(yīng)盡量提高斥力盤材料的電導(dǎo)率.

綜上可知， 國內(nèi)外學(xué)者對影響渦流斥力機(jī)構(gòu)動作特性的參數(shù)進(jìn)行的各種研究， 對實驗樣機(jī)的開發(fā)具有不可替代的作用. 但目前所進(jìn)行的仿真都是在固定其他參數(shù)情況下， 對單一參數(shù)進(jìn)行分析， 忽略了各參數(shù)之間的相互聯(lián)系. 因此， 本研究指出將渦流斥力機(jī)構(gòu)的有限元仿真與人工智能算法相結(jié)合， 可實現(xiàn)渦流斥力機(jī)構(gòu)的多參數(shù)綜合優(yōu)化仿真， 為基于渦流斥力機(jī)構(gòu)的樣機(jī)研制提供具體設(shè)計參數(shù)與理論指導(dǎo)依據(jù).

3 渦流斥力機(jī)構(gòu)樣機(jī)研制

近年來， 基于渦流斥力技術(shù)的快速轉(zhuǎn)換開關(guān)的研究和開發(fā)引起了國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)注. 目前已結(jié)合實際使用情況， 研制出多種以渦流斥力機(jī)構(gòu)作為操作機(jī)構(gòu)的快速開關(guān)樣機(jī)， 主要應(yīng)用在高壓領(lǐng)域的故障限流器、 快速轉(zhuǎn)換開關(guān)和固態(tài)斷路器中.

文[16]采用渦流斥力技術(shù)研制出快速轉(zhuǎn)換開關(guān)樣機(jī)， 并提出綜合式故障限流器的實現(xiàn)方案. 通過大量實驗表明， 利用快速轉(zhuǎn)換開關(guān)， 可將敏感性工業(yè)負(fù)荷在若干毫秒內(nèi)從故障電源母線迅速切換到備用電源母線， 能滿足快速性的時間要求， 可大大提高供電質(zhì)量， 降低生產(chǎn)損失， 同時也可限制短路故障電流， 但其斥力機(jī)構(gòu)仍需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計， 以提高動作效率. 文[17]由6 kV/400 A真空接觸器滅弧室、 雙向渦流斥力操動機(jī)構(gòu)和雙穩(wěn)疊簧機(jī)構(gòu)組成一臺高壓快速轉(zhuǎn)換開關(guān)， 并對其動作特性進(jìn)行相關(guān)試驗測試. 試驗表明， 該開關(guān)分閘時間為0.8 ms， 合閘時間為2.3 ms， 已可滿足實際應(yīng)用要求. 該快速轉(zhuǎn)換開關(guān)可用于綜合式故障限流器和綜合式固態(tài)斷路器中， 并能在解決敏感性負(fù)荷的電壓質(zhì)量問題上發(fā)揮重要作用. 但其采用的疊簧結(jié)構(gòu)機(jī)械穩(wěn)定性欠佳， 渦流斥力機(jī)構(gòu)也仍需改進(jìn). 文[18]開發(fā)額定為640 V/ 2 500 A的試驗樣機(jī)， 實驗結(jié)果表明， 樣機(jī)具有極短的時間動作特性， 可將預(yù)期峰值為100 kA、 時間常數(shù)為4.17 ms的短路電流限制在10 kA以下， 驗證了限流開關(guān)樣機(jī)動作的快速有效性.

此外， 文[19]在仿真研究的基礎(chǔ)上， 利用12 kV/2 500 A的真空開關(guān)管、 雙向渦流斥力機(jī)構(gòu)以及可倒翻碟簧雙穩(wěn)機(jī)構(gòu)， 研制了10 kV快速開關(guān)樣機(jī). 與其它樣機(jī)不同之處在于， 為進(jìn)一步提高快速開關(guān)的分閘速度， 文中在線圈周圍加裝導(dǎo)磁材料， 樣機(jī)實測固有分閘時間為0.5 ms， 具有非常好的快速性. 而且在快速真空開關(guān)動作50次之后， 其真空度仍然滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求， 驗證了渦流斥力機(jī)構(gòu)實際應(yīng)用的可行性.

文[20]則在傳統(tǒng)交流接觸器上添加了高速渦流斥力機(jī)構(gòu)， 同時通過50 kA短路電流試驗驗證渦流斥力機(jī)構(gòu)具有快速分?jǐn)喽搪冯娏鞯奶匦? 但其所采用的交流接觸器為三極觸頭相互串接組成， 在實際三相系統(tǒng)中需要組合使用， 結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜且成本較高.

綜上所述， 眾多學(xué)者對渦流斥力技術(shù)已開展了大量研究， 為樣機(jī)設(shè)計提供了理論指導(dǎo)依據(jù)， 并在樣機(jī)開發(fā)的基礎(chǔ)上， 進(jìn)行了相關(guān)的實驗測試， 驗證了渦流斥力機(jī)構(gòu)具有快速動作的特性. 然而， 渦流斥力技術(shù)迄今仍主要集中應(yīng)用在高壓開關(guān)電器， 尤其以故障限流開關(guān)設(shè)計為主， 其快速動作特性在低壓開關(guān)電器的應(yīng)用還有待開展. 因此， 將渦流斥力機(jī)構(gòu)引入到低壓交流電器中， 在傳統(tǒng)交流接觸器基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計與改造， 可形成集控制與保護(hù)為一體的低壓智能集成電器.

4 基于渦流斥力的低壓電器技術(shù)

4.1 新型交流接觸器技術(shù)

圖2 新型交流接觸器結(jié)構(gòu)圖

交流接觸器作為一種常用的控制電器， 廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)， 其動作特性的優(yōu)劣直接影響著電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量. 傳統(tǒng)的交流接觸器采用電磁機(jī)構(gòu)對操動部件進(jìn)行勵磁控制， 從而完成對主線路的分合閘操作. 由于交流接觸器固有機(jī)構(gòu)特性的限制， 使其存在機(jī)構(gòu)相對復(fù)雜、 動作時間較長且分散性較大等不足. 另外， 在未來發(fā)展中， 交流接觸器還應(yīng)具備切斷一定容量短路電流的能力， 但由于其動作特性不能滿足快速性的要求， 故無法實現(xiàn)短路故障保護(hù)的目的. 因此， 在上述渦流斥力技術(shù)研究的基礎(chǔ)上， 本研究提出將渦流斥力機(jī)構(gòu)引入到低壓開關(guān)電器中， 利用其結(jié)構(gòu)簡便， 動作時間極短的特性， 將其作為交流接觸器的動作機(jī)構(gòu)， 以實現(xiàn)主回路的快速接通或者分?jǐn)? 基于渦流斥力機(jī)構(gòu)的新型交流接觸器結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示.

新型交流接觸器應(yīng)兼具控制與保護(hù)雙重功能. 當(dāng)線路正常時， 其應(yīng)能滿足頻繁操作要求， 完成主電路的接通與分?jǐn)啵?起到控制的作用； 而當(dāng)線路異常， 如發(fā)生短路故障時， 此種情況下應(yīng)能實現(xiàn)快速分?jǐn)啵?減小故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失， 起到保護(hù)的作用. 新型交流接觸器主要由渦流斥力動作機(jī)構(gòu)及勵磁控制模塊組成. 斥力動作機(jī)構(gòu)由合閘平板線圈A、 斥力盤B、 分閘平板線圈C、 增磁板D及動作連桿E等組成， 該機(jī)構(gòu)通過斥力盤帶動觸頭系統(tǒng)G完成快速動作. 勵磁控制模塊主要包括CPU控制單元、 電容充放電回路、 電源等， 主要完成預(yù)充電電容在極短時間內(nèi)對線圈放電， 驅(qū)動斥力機(jī)構(gòu)動作. 分閘時， CPU控制單元給出分閘觸發(fā)信號使電容對分閘線圈進(jìn)行放電， 在空間中瞬間產(chǎn)生強磁場， 斥力盤則在強磁場的作用下帶動觸頭系統(tǒng)實現(xiàn)分閘快速操作. 合閘時則是電容對合閘線圈進(jìn)行放電， 其動作原理與分閘時一致， 在此不再贅述.

為保證該新型電器能夠在快速動作的基礎(chǔ)上實現(xiàn)頻繁操作的要求， 采用渦流斥力機(jī)構(gòu)控制原理圖如圖3所示. 其中， 為滿足電容快速充電的要求， 在實際應(yīng)用中， 采取經(jīng)整流、 濾波后得到紋波很小的直流斬波電壓對電容進(jìn)行充電， 可實現(xiàn)對電容器的快速充電.

以傳統(tǒng)交流接觸器(電流等級100 A)為樣機(jī)本體， 并結(jié)合圖2所示新型交流接觸器結(jié)構(gòu)圖及實際加工工藝設(shè)計出實驗樣機(jī). 同時， 利用高速攝像機(jī)捕捉斥力機(jī)構(gòu)的位移信號， 并對其進(jìn)行處理， 得出渦流斥力機(jī)構(gòu)位移-時間動態(tài)特性曲線如圖3所示， 驗證了渦流斥力機(jī)構(gòu)具備快速動作的能力.

圖3 渦流斥力機(jī)構(gòu)控制原理圖

圖4 渦流斥力機(jī)構(gòu)位移-時間特性

上述樣機(jī)實際參數(shù)[21]如下： 觸頭開距6.9 mm， 線圈匝數(shù)18匝， 線圈盤與斥力盤半徑同為32.5 mm， 金屬盤厚度為6 mm， 電容預(yù)充電壓為300 V， 所用儲能電容容量為2.2 mF. 從圖4可以看出， 其動作時間僅為4.836 ms， 相比于傳統(tǒng)交流接觸器約20 ms的動作時間， 其在快速動作方面無疑具有非常大的優(yōu)勢. 另外， 值得指出的是， 基于渦流斥力機(jī)構(gòu)的新型交流接觸器由于采用儲能電容對線圈進(jìn)行放電， 其動作時間不隨動作時刻初始相角而變化， 因此動作時間分散性極小， 具有非常好的穩(wěn)定性， 更有利于零電壓接通和零電流分?jǐn)嗟戎悄芸刂萍夹g(shù)的實現(xiàn)， 從而解決長期限制低壓電器智能化發(fā)展的技術(shù)瓶頸.

4.2 低壓短路電流分?jǐn)嗉夹g(shù)

圖5 單相短路實驗測試系統(tǒng)

在渦流斥力機(jī)構(gòu)開發(fā)出新型交流接觸器的基礎(chǔ)上， 提出故障早期檢測的低壓短路電流渦流斥力機(jī)構(gòu)快速分?jǐn)嗉夹g(shù). 為驗證其能分?jǐn)喽搪饭收想娏鞯奶匦裕?以實際線路搭建單相短路實驗測試系統(tǒng)， 如圖5所示.

該系統(tǒng)主要由三相電源、 三相異步電機(jī)、 真空接觸器、 渦流斥力快速分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)、 電壓傳感器、 羅氏線圈等組成. 其中渦流斥力快速分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)是以傳統(tǒng)交流接觸器(電流等級100 A)為樣機(jī)本體， 結(jié)合圖2設(shè)計開發(fā)而成， 真空接觸器用于控制單相(C相)短路故障的產(chǎn)生. 數(shù)據(jù)采集及控制模塊則主要用來處理電壓傳感器及羅氏線圈采集的短路發(fā)生相電壓及短路電流， 并提供渦流斥力機(jī)構(gòu)動作的觸發(fā)信號. 當(dāng)接通主回路開關(guān)K時， 電動機(jī)正常啟動， 此時， 產(chǎn)生短路故障的真空接觸器處于分閘狀態(tài)， 而渦流斥力快速分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)， 通過控制真空接觸器的勵磁線路來接通C相與N相之間的回路， 使C相發(fā)生單相短路故障. 圖中數(shù)據(jù)采集及控制模塊具備短路故障早期檢測實時算法[22]， 其檢測到短路故障發(fā)生時， 立即輸出觸發(fā)信號， 使渦流斥力機(jī)構(gòu)快速動作， 實現(xiàn)短路故障早期檢測基礎(chǔ)上的短路故障快速切除.

為實現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)短路故障的早期檢測及其短路故障的快速分?jǐn)啵?將短路故障早期檢測技術(shù)與渦流斥力技術(shù)相結(jié)合， 提出基于渦流斥力機(jī)構(gòu)的低壓電器分合閘控制與短路電流快速分?jǐn)嗟男滦偷蛪弘娖骷夹g(shù). 其中， 利用基于形態(tài)小波實現(xiàn)短路故障早期檢測技術(shù)的基本原理在文[23-27]中已有詳細(xì)介紹， 在此不再贅述. 因此， 在短路故障發(fā)生的早期， 即短路電流尚未發(fā)展到很大數(shù)值的時候， 利用渦流斥力機(jī)構(gòu)快速分?jǐn)喽搪冯娏鳎?使短路電流強迫過零. 同時， 為使電弧盡快熄滅， 在接觸器觸頭兩端裝設(shè)了滅弧柵片， 大大提高了其滅弧能力. 利用圖5所示系統(tǒng)， 測得短路故障發(fā)生時電壓、 電流波形變化情況.

1) 短路故障初相角約為10°， 即短路發(fā)生在正常電流剛過零不久. 圖6(a)、 (b)分別為未加入與加入渦流斥力快速分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)的波形圖.

圖6 10°左右短路電壓、 電流波形圖

圖6(a)中， 短路發(fā)生后， 其電流第一峰值為1 300 A， 出現(xiàn)在故障發(fā)生后4.89 ms; 其第二峰值為-1 340 A， 若該短路電流未能及時、 快速地切除， 則由其引起的動、 熱穩(wěn)定效應(yīng)將很有可能損壞線路上的電氣設(shè)備及引發(fā)安全事故. 從電壓波形看， 短路故障發(fā)生后， 電壓峰值跌落到200 V， 且越靠近短路點， 電壓下降越顯著， 將對部分范圍供電造成影響. 而加入渦流斥力快速分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)后， 如圖6(b)所示， 其電流第一峰值下降到176 A， 減小了短路電流對電力線路的沖擊， 其出現(xiàn)在故障發(fā)生后0.56 ms. 同時, 由于渦流斥力機(jī)構(gòu)的快速分?jǐn)嗵匦裕?該電流并未出現(xiàn)第二峰值， 且在短路發(fā)生后4.44 ms變?yōu)?， 短路故障完全被切除， 此時， 電壓恢復(fù)到正常值， 將在很大程度上保障電力系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性及設(shè)備與人身安全.

2) 短路故障初相角約為110°， 即短路電流發(fā)生在其峰值附近. 圖7(a)、 (b)分別為未加入與加入渦流斥力快速分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)的波形圖.

圖7 110°左右短路電壓、 電流波形圖

圖7(a)中， 短路電流第一峰值為880 A， 出現(xiàn)在故障后1.21 ms， 其第二峰值為-1 297.27 A. 在圖7(b)中， 加入快速分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)后， 短路電流第一峰值降為635 A， 在短路發(fā)生后2.15 ms變?yōu)?， 短路故障完全被切除.

3) 短路故障初相角約為170°， 短路電流即將過零. 圖8(a)、 (b)分別為未加入與加入渦流斥力快速分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)的波形圖.

圖8 170°左右短路電壓、 電流波形圖

圖8(a)中， 短路電流第一峰值為59 A， 出現(xiàn)在故障后0.35 ms， 第二峰值為-1 294.04 A. 圖8(b)中加入快速分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)后， 短路電流第一峰值降為52 A， 在短路發(fā)生后0.63 ms變?yōu)?， 短路故障完全被切除.

綜上研究可以得出， 所設(shè)計的渦流斥力快速分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)基本能夠?qū)崿F(xiàn)在0～180°全相角范圍可靠分?jǐn)喽搪饭收想娏鳎?且從短路故障發(fā)生到短路故障完全被切除所經(jīng)歷的時間很短. 同時， 加入快速分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)后， 短路電流的第一峰值均有較大幅度減小， 驗證所提出的短路故障早期檢測技術(shù)與渦流斥力技術(shù)相結(jié)合的方法對短路故障電流快速分?jǐn)嗟挠行裕?表明基于渦流斥力機(jī)構(gòu)可有效開發(fā)新型交流接觸器. 此外， 將短路故障早期檢測技術(shù)與新型交流接觸器有機(jī)結(jié)合， 新型交流接觸器具有低壓短路故障快速分?jǐn)嘁种颇芰?

5 結(jié)果與展望

渦流斥力機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡便、 動作時間極短等優(yōu)點， 且其由儲能電容對線圈進(jìn)行放電， 能在很大程度上避免動作時間的分散性， 可有效保障主回路零電壓接通與零電流分?jǐn)嗟戎悄芸刂萍夹g(shù)的準(zhǔn)確性.

概述國內(nèi)外渦流斥力技術(shù)的仿真研究與樣機(jī)研制兩個方面的研究現(xiàn)狀， 在此基礎(chǔ)上， 將其引入低壓電器領(lǐng)域， 并以開發(fā)的實驗樣機(jī)驗證其具有快速動作的特性， 可有效實現(xiàn)交流接觸器操作動作要求.

更進(jìn)一步， 將低壓新型交流接觸器的渦流斥力機(jī)構(gòu)與短路故障早期檢測技術(shù)相結(jié)合， 以實際線路構(gòu)建了低壓單相短路實驗測試系統(tǒng)， 驗證渦流斥力機(jī)構(gòu)具備在極短時間內(nèi)切斷低壓短路故障電流的能力， 且依托于其快速動作的特性， 該機(jī)構(gòu)有望分?jǐn)喔叩燃壍亩搪冯娏?

控制與保護(hù)功能的集成化是智能電器的發(fā)展趨勢， 本研究的渦流斥力機(jī)構(gòu)無論其機(jī)構(gòu)特性或者動作特性均有利于低壓控制與保護(hù)功能集成化技術(shù)的實現(xiàn)， 為低壓智能集成電器的研制奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ).

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(責(zé)任編輯： 沈蕓)

Eddy current repulsion mechanism and low-voltage control and protective technology

MIAO Xiren， WANG Tian

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

With the development of low-voltage apparatus intelligent technology， the switching should have control and protective properties. Firstly, both of the simulation research and prototype design of eddy current repulsion technology are summarized and the eddy current repulsion mechanism that is chiefly characterized by its compactness and fast-action is expound in this paper. Secondly, a novel AC contactor is designed with eddy current repulsion mechanism and its dynamic property is tested, which has a fast action motion on the basis of operation control for AC contactor. In the end, the low-voltage short-circuit fast-breaking of eddy current repulsion mechanism combined with early fault detection technology, is tested in a practical single-phase short-circuit fault experiment system, and its results show that the characteristics of short-circuit breaking is effective. The research for eddy current repulsion technology lays a sound foundation for low-voltage intelligent control and protective switching(CPS) device.

eddy current repulsion； fast switching； low-voltage apparatus； early short-circuit faults detection; control-protective switch

2015-01-07

繆希仁 (1965-)， 教授， 博士， 主要從事電器及其系統(tǒng)智能化技術(shù)、 在線監(jiān)測與診斷、 新型電器技術(shù)等研究， fzu_miaoxr@163.com

國家自然科學(xué)基金資助項目(51377023)； 福建省高校產(chǎn)學(xué)合作科技重大項目(2011H6013)

10.7631/issn.1000-2243.2015.06.0802

1000-2243(2015)06-0802-07

TM713

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