10 kV真空斷路器分合閘速度實驗研究

孫建軍， 孫長海， 巴 宇， 張穎杰， 莊 海

(大連理工大學 電氣工程學院, 遼寧 大連 116024)

0 引 言

觸頭運動速度是影響斷路器性能的重要指標。斷路器分合閘時，間隙內產生高溫、高壓電弧，如果觸頭運動速度過慢，將使電弧燃燒時間加長，縮短觸頭的使用壽命[1-4]；而觸頭的運動速度過快，動能加大，會多次發生碰撞，以至于動、靜觸頭焊接在一起無法正常分開，這一現象稱為觸頭的熔焊[5-9]。因此有必要研究斷路器的分合閘速度，使斷路器處在最佳分合閘性能下[10-11]。本文結合影響分合閘速度的主要因素，設計了硬件電路，完成了軟件編程、調試，并探討了相關因素對斷路器分合閘速度的影響，給出了具體的實驗結果。

1 總體設計方案

真空斷路器的控制系統將單片機技術、電力電子技術與永磁機構控制技術相結合，實現對真空斷路器的準確控制和保護[12-13]。斷路器控制系統的硬件設計整體結構框圖如圖 1 所示。系統的核心是AVR系列單片機中 ATmega16A 型單片機，與外圍電路相配合實現對斷路器永磁機構的控制。根據各部分電路實現的功能，可以將電路分為電容器充放電模塊、主控模塊、電源模塊、通信模塊、控制器檢測模塊和顯示模塊。電容器充放電模塊：進行電容器的充電，并由電容器提供斷路器分、合閘需要的能量。主控模塊：是整個控制系統的核心，它的主要作用是將各種從其他模塊獲得的信號進行判斷或運算，并且輸出各種指令至其他模塊，起到控制和運算作用。電源模塊：提供設計中使用到的各種芯片的正常工作電壓。 通信模塊：使單片機與計算機之間能夠正常的通信。控制器檢測模塊：單片機對分閘、合閘信號、電容電壓信號以及IGBT驅動故障信號進行采集處理。顯示模塊：顯示斷路器分合閘狀態以及電容電壓的狀態。

圖1 控制系統整體結構框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 主電路設計

主電路主要包括電容器充電電路和電容器向機構線圈放電主電路，分別如圖2、3所示。電容器的電壓在設計中的指標是0～350 V可調，所以電容器充電主電路首先經過升壓變壓器T1將220 V的交流輸入電壓升至300 V，保證電容器電壓能充至最高350 V而不受電網電壓波動的影響。升壓后經過D1～D44個二極管組成的單相橋式不可控整流電路整流后向電容器充電，考慮到沖擊電流對電容器的影響，所以在電路中加入了R1=500 Ω的限流電阻，確保充電時的最大沖擊電流小于電容的最大允許沖擊電流。電容器為2個10 mF的電容器并聯，電容器額定電壓450 V，保證了電容器兩端的電壓在可調范圍內且留有一定的余量。電容器兩端的電壓大小由開關S1閉合的時間長短來決定，開關S1閉合時間長則電容充電時間越長，電容器兩端電壓也越高。開關S2與電阻R2構成了電容獨立的放電回路，當電容器兩端的電壓高于所需要的電壓值時或者做完實驗后為保證設備、人身安全需要將電容器電壓降為0 V時，可將S2閉合，電容器存儲的能量就會消耗在R2上，電容器兩端的電壓便會降低至需要的值或0 V。

圖2 電容器充電電路

圖3 電容器放電電路

2.2 控制電路設計

處理器是控制系統的核心，它需要對各種信號進行實時監測采集，并對輸入信號進行計算和處理，完成顯示、保護和驅動等功能。考慮到控制系統需要實現的功能，結合對單片機的價格、引腳功能、運行處理速度、存儲器容量等方面的綜合考慮，設計中采用ATMEL公司生產的 ATmega16A型 AVR單片機作為控制核心[14-15]。最小系統如圖4所示。

圖4 單片機最小控制系統

控制系統中的通信電路設計如圖5所示，MAX232 芯片的 R2OUT 引腳接單片機的 RXD(PD0)引腳，T2IN 引腳接單片機的 TXD(PD1)引腳，T2OUT 引腳接 RS-232 通信接口的 RXD，R2IN 引腳接 RS-232 通信接口的 TXD。因為 MAX232 芯片本身具有驅動設計，所以不需外加其他驅動電路。

圖5 通信電路原理圖

控制器檢測的輸入信號主要是斷路器分合閘信號、電容電壓信號和IGBT驅動光耦故障輸出信號。分閘、合閘輸入信號由兩個按鈕開關S2、S3輸入。如圖6所示，S2為合閘開關，S3為分閘開關。沒有分合閘信號輸入時單片機PC6、PC7口輸入的是高電平，當需要合(分)閘操作時，按下按鈕開關S2(S3)，單片機的PC6(PC7)引腳便接地，輸入低電平。單片機檢測到PC6(PC7)口的電平變化，便發出設定好的IGBT的導通觸發信號，從而實現合(分)閘操作。本設計利用了軟件處理去抖的方法，所以分閘、合閘信號輸入的電路設計不需要考慮按鈕開關的去抖處理。當IGBT的驅動光耦HCPL316J檢測到IGBT的集電極和發射極電壓的飽和壓降超過7V時，FAULT引腳的電平會拉低，供單片機外中斷使用，從而達到保護IGBT的作用。IGBT驅動及故障輸出信號檢測輸入電路圖7所示，設計中共有4個IGBT故障輸出信號，經過4與門芯片74HC08芯片后，只要有1個IGBT的集電極與發射級間飽和壓降超過7 V，單片機的PA2口便會接收到低電平的故障信號。

圖6 分合閘信號輸入電路

圖7 IGBT驅動光耦故障信號檢測輸入電路

電容電壓檢測電路如圖8所示，電容兩端的電壓經過分壓后經光耦隔離輸出。HCNR200芯片是一個線性光耦芯片，最大隔離電壓可達1.4 kV。設計時取R53與R55分別為220、200 kΩ，這樣線性光耦只隔離不放大，輸入和輸出的電壓大小相等。由于HCNR200手冊推薦的器件工作電流是25 mA，而VCC為5 V，計算R54為5 V/25 mA=200 Ω，實際取值300 Ω，最后輸出電壓信號到單片機的PA0(ADC0)口進行模數轉換。

圖8 電容電壓檢測電路

3 系統軟件設計

程序分4個模塊，如圖9所示。主程序初始化，讀取程序狀態字，調用各個模塊。控制字輸入模塊：將控制字從電腦端輸入到單片機端，再由其他模塊讀取控制字對控制系統進行控制。故障處理模塊：對故障信號進行采集、處理，保護系統安全運行。合閘模塊：合閘模塊需要對外部輸入的合閘信號進行采集，還需要對電容電壓進行監測，在合閘信號輸入且電容電壓足夠時根據控制字生成合閘PWM波，導通IGBT使真空斷路器的永磁機構進行合閘操作。分閘模塊：分閘模塊需要對外部輸入的分閘信號進行采集，在分閘信號輸入時根據控制字生成分閘PWM波，導通IGBT使真空斷路器的永磁機構分閘操作。

圖9 程序流程圖

4 實驗及結果分析

4.1 分合閘時間與電容電壓的關系

取合閘PWM波占空比為480/512，分閘PWM波占空比為460/512，將合閘放電時間與分閘放電時間都設置為40 ms，改變電容電壓分別為120、140、160、180、200 V，測取不同電容電壓下的合閘時間與分閘時間。每個電壓等級下測取3組數據，取平均值(保留一位小數)，提高實驗結論的可靠性。測量斷路器合閘時間的波形如圖10所示。示波器1通道顯示輸入的合閘信號波形，2通道顯示是否合閘的波形(高電平代表合閘成功)，3通道顯示的是機構線圈勵磁電流的波形。當外部有合閘信號輸入時，合閘信號波形從高電平跳變為低電平(圖中①處)， 斷路器開始合閘操作。當斷路器合閘成功，2通道便由低電平變為高電平(圖中②處)。只要測量①處與②處的時間間隔，便可以計算斷路器的合閘時間。

圖10 斷路器合閘實驗波形圖

測量斷路器分閘時間的波形如圖11所示。示波器1通道顯示輸入的分閘信號波形，2通道顯示是否分閘的波形(低電平代表分閘成功)，3通道顯示的是機構線圈勵磁電流的波形(波形反向是由于電容反向向線圈放電)。當外部有分閘信號輸入時，分閘信號波形便從高電平跳變為低電平(圖中①處)，斷路器開始分閘操作。當斷路器分閘成功，2通道便由高電平變為低電平(圖中②處)。只要測量①處與②處的時間間隔，便是斷路器的分閘時間。在不同電容電壓條件下測得的合閘時間與分閘時間分別如表1、2所示。

圖11 斷路器分閘實驗波形圖

表1 合閘時間與電容電壓的關系

表2 分閘時間與電容電壓的關系

4.2 分合閘時間與放電時間的關系

調節電容電壓為140 V，取合閘PWM波占空比為480/512，分閘PWM波占空比為460/512，分別改變合閘放電時間、分閘放電時間分別為30、35、40、45、50 ms，測取不同分、合閘放電時間下的斷路器分閘時間與合閘時間。每個放電時間下測取 3組數據，取平均值(保留一位小數)。不同放電時間條件下測得的合閘時間與分閘時間分別如表3、4所示。

表3 合閘時間與放電時間的關系

表4 分閘時間與放電時間的關系

4.3 分合閘時間與PWM占空比的關系

調節電容電壓為140 V，將合閘放電時間與分閘放電時間都設置為40 ms，分別改變合閘PWM波占空比、分閘PWM波占空比分別為300/512、350/512、400/512、450/512、500/512，測量不同合閘 PWM 波占空比下的合閘時間與不同分閘 PWM 占空比下的分閘時間。每個 PWM 波占空比下測取 3組數據，取平均值(保留一位小數)。在不同 PWM 波占空比條件下測得的合閘時間與分閘時間分別如表5、6所示。

表5 合閘時間與PWM占空比關系

表6 分閘時間與PWM占空比關系

4.4 實驗結果分析

在合閘時間與合閘PWM波占空比相同的條件下，斷路器的合閘時間隨著電容電壓的增大而減小。分閘時間與分閘PWM波占空比相同的條件下，斷路器的分閘時間也隨著電容電壓的增大而減小。斷路器的合閘操作比分閘操作需要更多的能量，且同樣的電容電壓條件下，斷路器的分閘時間比合閘時間要短，這樣的結果與斷路器永磁操動機構的結構有關，與理論相符。在電容電壓、PWM波占空比相同條件下，斷路器的分閘時間、合閘時間分別隨著分閘放電時間、合閘放電時間的增大而減小。在電容電壓、放電時間相同條件下，斷路器的分閘時間、合閘時間分別隨著分閘PWM波占空比、合閘PWM波占空比的增大而減小。

5 結 語

本文設計了10 kV真空斷路器的控制系統硬件，進行了模塊化軟件編程。在此基礎上研究了分合閘時間幾個影響因素，并進行了實驗研究，給出了相關實驗具體數據。對斷路器的操動機構研究與設計優化具有實際意義。