黃新波 ，王巖妹 ，朱永燦 ，朱海濤 ，王軍安 ，趙偉強

（1.西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048；2.西安電子科技大學 機電學院，陜西 西安 710071）

0 引言

配電網中永磁機構斷路器常安裝于10 kV架空配電線路的責任分界點處，可以實現(xiàn)單相接地故障、相間短路故障的快速切除，避免同一條饋線上的其他用戶停電，提高了非故障用戶的供電可靠性。永磁操作機構與傳統(tǒng)的電磁機構和彈簧機構相比，主要通過動鐵芯與主軸傳動拐臂直接相連，驅動動觸頭動作，無需機械脫、鎖扣裝置，簡化了傳動鏈，減少了故障率，并且機械壽命可高達10萬次以上，機械壽命提高了3倍之多［1-5］。目前市場上永磁操作機構的使用相對較少，但隨著農網配電系統(tǒng)改造，未來市場需要更換新設備的需求量很大，為滿足用戶對智能控制的需求，研制配套的單穩(wěn)態(tài)永磁機構斷路器控制器顯得尤為重要［6-7］。

永磁機構斷路器及其控制器穩(wěn)定運行的前提是有可靠的電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)一方面給永磁機構分合閘線圈提供瞬時大電流，驅動永磁機構斷路器實現(xiàn)分合閘操作；另一方面給控制器提供工作電源，實現(xiàn)斷路器狀態(tài)監(jiān)測、人機界面顯示、保護以及通信等功能［8］。其中分合閘驅動電路對永磁機構斷路器的分合閘成功率有重大影響，分合閘電流在線圈中的持續(xù)時間直接影響到斷路器分合閘操作的可靠性及其機械壽命。選擇最優(yōu)分合閘脈沖時間，可以有效地縮短IGBT導通時間，解決儲能電容器對分合閘線圈放電時間不準確、分散性大等問題。微控制器（MCU）可以通過監(jiān)測斷路器分合閘次數(shù)與浴盆曲線的關系，改變IGBT導通的脈沖時間來調整分合閘操作時間，從而起到延長永磁機構斷路器的機械壽命的作用。

1 永磁機構控制器電源系統(tǒng)的構成

控制器電源系統(tǒng)框圖如圖1所示。供電電源部分采用10 kV架空配電線路電壓互感器（TV）及蓄電池組互補供電方式，通過電源管理模塊實現(xiàn)電源的智能控制。裝置電源部分采用多個獨立的DC/DC電源模塊，滿足裝置不同電壓需求。分合閘驅動電源部分是控制器電源系統(tǒng)的核心，驅動永磁機構斷路器實現(xiàn)分合閘操作，對斷路器的性能起重要作用［9］。

圖1 控制器電源系統(tǒng)Fig.1 Power system of controller

2 電源系統(tǒng)的3個主要部分

2.1 供電電源

柱上斷路器及其控制器安裝在戶外，沒有現(xiàn)成的工作電源，所以本裝置采用配電線路TV及蓄電池組互補的供電方式［10］。配電線路正常供電時，TV輸出的交流信號經過開關電源轉換為直流24 V，在為裝置供電的同時也為蓄電池組、大容量電解電容器充電。當配電線路停電或電壓跌落嚴重而不能提供穩(wěn)定電源時，24 V蓄電池組作為后備電源給整個裝置供電，保證控制器及斷路器可靠工作，從而實現(xiàn)不間斷供電的目的。其主要切換電路原理圖見圖2。

圖2 電源切換電路Fig.2 Switching circuit of power supply

正常情況下由配電線路TV輸出交流220 V，經開關電源轉換成直流24 V為裝置電源供電，同時裝置電源采用DC/DC模塊供電方式，以滿足MCU（STM32F103）及其外設的供電需求。當配電線路出現(xiàn)短暫故障或者失壓時，因開關電源內有電感，故電壓是緩慢下降的，當檢測到直流電壓小于18 V時，MCU的相應管腳發(fā)出一個高電平，使三極管9013、功率場效應管IRF4905導通，實現(xiàn)蓄電池組給裝置電源供電，從而達到硬件上電源的無間斷切換的目的。當控制器在生產、運輸、安裝、檢修時，整機處于斷電狀態(tài)，必須通過電池激活按鍵，給MCU一個激活信號后，才能啟動控制器工作。

2.2 裝置電源

裝置電源中DC/DC電源模塊采用密閉式電源轉換模塊，不僅可以適應戶外惡劣的環(huán)境條件，同時具備較高的電源轉換效率，保證整個控制器可以穩(wěn)定運行。其中多處用到隔離穩(wěn)壓電源模塊，其具有體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓精度高、效率高等優(yōu)點，為各種設備提供不受干擾的穩(wěn)定電壓。

2.3 分合閘驅動電源

分合閘驅動電源是驅動電源系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，主要由瞬時大功率電源、電容器電壓監(jiān)測電路和IGBT全橋驅動電路三部分組成。

2.3.1 瞬時大功率電源

分合閘瞬時電流很大，TV及蓄電池組都難以提供所需的瞬時功率，本控制器采用容量為22000 μF、耐壓250 V的大容量電解電容器作為斷路器的儲能元件，給分合閘提供瞬時大電流［11］。當輸電線路因故障斷電時，儲能電容器容量可滿足至少一組“分-合-分”操作，以便及時、徹底地切除永久性故障［12］。本設計采用直流220V專用電容充電模塊，可以以500mA恒流實現(xiàn)在內完成對儲能電容器充電，同時對電容器起過壓保護等作用。

2.3.2 電容器電壓監(jiān)測電路

電容器電壓監(jiān)測電路采用LM2903構成2路比較器電路，儲能電容器上220 V電壓通過電阻分壓后與基準電壓進行比較，輸出的開關信號通過光耦隔離后送給MCU，從而實現(xiàn)對電容器電壓的實時監(jiān)測。本裝置中通過電阻匹配后，設定閉鎖電壓范圍為170～180 V，當電容器兩端的電壓低于170 V時，MCU對斷路器分合閘操作進行低電壓閉鎖，防止因為電容器儲能不足導致分合閘失敗；當電容電壓高于180 V時，MCU對電容器解除低電壓閉鎖，可以進行分合閘或自動重合閘等操作。電容器電壓監(jiān)測電路如圖3所示，圖中UOP為電容器操作電壓。

圖3 電容器電壓監(jiān)測電路Fig.3 Capacitor voltage monitoring circuit

2.3.3 IGBT全橋驅動電路

IGBT全橋驅動電路采用快速開斷的大功率G160N60型IGBT，當需要進行分合閘操作時，MCU發(fā)出脈沖信號，驅動對應IGBT導通或關斷，控制永磁機構完成分合閘操作［13］。合閘操作時電流通路為：斷電后通過與IGBT并聯(lián)的二極管形成續(xù)流回路進行放電。續(xù)流回路為：線圈VD4。分閘操作時電流通路和續(xù)流通路與合閘相對應。IGBT 全橋驅動電路［14］見圖 4。

3 分合閘實驗分析

圖4 IGBT全橋驅動電路Fig.4 IGBT full-bridge driving circuit

單穩(wěn)態(tài)永磁機構斷路器主要由動觸頭、靜觸頭、永久磁鐵、分合閘線圈、驅動桿等部分組成。當斷路器處于分閘狀態(tài)時，由分閘彈簧提供保持力使動觸頭保持在分閘位置；當斷路器處于合閘狀態(tài)時，由永磁鐵提供保持力，使動觸頭保持在合閘位置。單穩(wěn)態(tài)永磁機構斷路器分合閘時間對保證斷路器操作可靠性和運行壽命具有重要意義。分合閘脈沖時間過短，操作失敗的可能性增大；分合閘脈沖時間過長，電源功耗增加，線圈發(fā)熱嚴重，設備壽命將受到影響。

3.1 實驗平臺的搭建

實驗中通過一個四通道示波器，同時對合閘位置、分閘位置、分合閘線圈電流進行錄波。通過分合閘位置信號的跳變，分析動觸頭動作時間和完成動作的時間；合閘過程中電流呈馬鞍形狀分布，分閘過程中電流以“近V”形狀分布［15-16］，分合閘過程電流波形均可分4個階段進行分析，以此可判斷出斷路器分合閘操作過程是否有故障，并可監(jiān)測出故障出現(xiàn)在哪個階段。實驗系統(tǒng)接線原理圖如圖5所示。

3.2 分合閘電流波形分析

圖5 實驗系統(tǒng)接線電路圖Fig.5 Wiring diagram of test system

斷路器分合閘回路簡化后等效電路模型［17］如圖6所示。圖6中，C為儲能電容器，K為IGBT分合閘開關，L為斷路器分合閘線圈，R為回路等效電阻。

圖6 等效電路模型Fig.6 Equivalent circuit model

分合閘操作實驗測得的合閘電流波形見圖7。

圖7 合閘時線圈電流波形Fig.7 Coil current waveform during close operation

a.t0時刻，MCU發(fā)出合閘脈沖信號，IGBT導通（開關K閉合），回路電流從0開始逐漸上升。

b.t0～t1階段，電容器C相當于電壓源，即t=0時，等效電路相當于一階零狀態(tài)響應電路，此時電流從線圈L的正極流向負極。由基爾霍夫定律可得：

其中，UC為電容器兩端電壓；I0為分合閘時的電流。此時I0=0為初始條件，可解出一階微分方程式（1）的特解為：

所以，在此階段電流成指數(shù)形式上升，永磁鐵和線圈所產生向上的合力Fs小于彈簧對動鐵芯向下的保持力 Fx，動觸頭保持靜止狀態(tài)［18］。

c.t1時刻，F(xiàn)s=Fx，動鐵芯達到動態(tài)平衡狀態(tài)，此時動鐵芯開始驅動動觸頭動作。

d.t1～t2階段，F(xiàn)s>Fx，動鐵芯驅動動觸頭向上運動，同時給分閘彈簧和觸頭彈簧儲能，為分閘做好準備，所以電流呈一定程度的衰減。

e.t2時刻，動靜觸頭接觸到位，完成合閘操作。

f.t2～t3階段，電容器C繼續(xù)給線圈通電，所以其電流波形與t0～t1階段類似，仍以指數(shù)形式上升。

g.t3時刻，MCU翻轉脈沖信號，IGBT截止，電容器C停止給線圈通電。

h.t3～t4階段，IGBT 關斷，線圈 L 是儲能元件，電路中有續(xù)流電流Ixl流過，其等效電路相當于圖6中電容器C短路，只有LR組成的一階電路零輸入響應。此時電流可表示為：I=I0e-tR/L。

此時的續(xù)流電流I以指數(shù)形式下降，直到續(xù)流電流為零結束。

分合閘操作實驗測得的分閘電流波形見圖8。

圖8 分閘線圈電流波形Fig.8 Coil current waveform during open operation

由于本裝置斷路器為單穩(wěn)態(tài)，分閘操作時線圈所通電流方向與合閘操作時線圈所通電流方向相反［19］，所以圖8電流方向與圖7方向相反，只是受力方向不同，且各階段電流波形分析相似，在此不再復述。

3.3 分合閘時間分析

斷路器操作時的分合閘時間是其機械特性的重要參數(shù)，其值的大小直接影響斷路器分合閘操作的可靠性及主要機械壽命。本斷路器分合閘操作時，線圈的通電時間由IGBT導通時間決定，IGBT導通時間又由MCU I/O口發(fā)出的脈沖時間最終決定。如果分合閘時間過長，一方面斷路器線圈的通電時間相應增長，致使線圈發(fā)熱嚴重，甚至會出現(xiàn)線圈燒毀的情況，縮短了斷路器的壽命；另一方面則會使動靜觸頭之間燃弧時間增長，動靜觸頭接觸面遭受電弧侵蝕后產生的粗糙顆粒和熔化坑道越多，出現(xiàn)的變形也越嚴重，甚至會使觸頭發(fā)熱燒損，發(fā)生爆炸的危險。如果分合閘時間過短，動鐵芯受到線圈與彈簧的合力不足以克服永磁鐵的保持力，致使斷路器分合閘操作失敗，使電網的事故范圍擴大。所以，斷路器穩(wěn)定工作后選擇適當?shù)姆趾祥l時間顯得尤為重要。

基于此，本文通過斷路器分合閘操作各100次的情況下，改變脈沖時間來統(tǒng)計其可靠工作次數(shù)及其故障次數(shù)，以此來判斷斷路器分合閘操作是否滿足其機械特性及機械壽命指標。不同脈沖時間下的分閘和合閘數(shù)據(jù)分別如表1、2所示，不同脈沖時間下分閘和合閘電流波形圖如圖9、10所示。

表1 不同脈沖時間下的分閘數(shù)據(jù)Table 1 Open operation data for different pulse widths

表2 不同脈沖時間下的合閘數(shù)據(jù)Table 2 Close operation data for different pulse widths

圖9 不同脈沖時間下的分閘電流波形Fig.9 Current waveform during open operation for different pulse widths

分析表1和圖9可知，15～40 ms的分閘脈沖均可以完成分閘操作，當分閘脈沖時間超過20 ms時，隨著分閘脈沖時間的增長，t0～t2階段的波形無變化，只有t2～t4階段的波形會隨分閘脈沖時間的增長有所變化，并且此時間的延長對斷路器分閘操作無影響。從圖8中波形分析可知，分閘脈沖時間只需大于t2即可完成分閘操作。因此本控制器選定柱上永磁機構真空斷路器的分閘脈沖時間為20 ms。且根據(jù)斷路器機械特性參數(shù)中觸頭開距為（9±1）mm，實驗中測得分閘操作中動觸頭動作時間（即t1～t2時間）為8 ms，計算出其平均分閘速度為1.2 m/s，此數(shù)據(jù)滿足斷路器機械特性參數(shù)要求及其機械壽命的條件，從而驗證了此脈沖時間可以可靠地進行分閘操作。

分析表2和圖10可知，30 ms的脈沖不能可靠完成合閘操作，35～55 ms的合閘脈沖均能可靠地完成分閘操作。隨著合閘脈沖時間的增長，t1～t2階段波形無變化，只有t2～t4階段的波形會隨合閘脈沖時間的增長有所變化，并且此時間的延長對斷路器合閘操作無影響。從圖7中波形分析可知，合閘脈沖時間只需大于t2即可完成合閘操作。因此本控制器選定柱上永磁機構真空斷路器的合閘脈沖時間為40 ms。且根據(jù)斷路器機械特性參數(shù)中觸頭開距為（9±1）mm，實驗中測得合閘操作中動觸頭動作時間（即t1～t2時間）為14 ms，計算出其平均合閘速度為0.67 m/s，該數(shù)據(jù)滿足斷路器機械特性參數(shù)要求及其機械壽命的條件，從而驗證了此脈沖時間可以可靠地進行合閘操作。

根據(jù)斷路器故障率隨時間變化的浴盆曲線關系可知，隨著斷路器分合閘操作次數(shù)的不斷增加以及現(xiàn)場工況的不斷變化，電磨損和機械磨損越來越嚴重，促使觸頭動作速度變慢，分合閘操作的時間相應加長，因此斷路器機械壽命將逐漸縮短?；诖耍趾祥l時間存在一定的分散性問題，MCU可通過監(jiān)測斷路器分合閘次數(shù)與其機械壽命的關系，控制IGBT導通時間來調整分合閘操作時間，從而延長斷路器的機械壽命。針對永磁機構可靠分合閘等指標對斷路器機械壽命的影響，將在今后的工作中對其相關問題進行研究與分析。

4 結論

本文通過對單穩(wěn)態(tài)永磁機構斷路器的特點分析，設計了一種控制器專用驅動電源，可以實現(xiàn)控制器電源切換、電容器電壓監(jiān)測、斷路器分合閘驅動等功能。

圖10 不同脈沖時間下的合閘電流波形Fig.10 Current waveform during close operation for different pulse widths

a.控制器電源采用配電線路TV及蓄電池組互補供電方式，正常時采用TV電源，故障時自動切換到蓄電池組供電。

b.針對單穩(wěn)態(tài)永磁機構的特點，設計了由IGBT構成的全橋驅動電路，實現(xiàn)了對單穩(wěn)態(tài)永磁機構斷路器的分合閘控制。

c.本控制器在實際拓展應用中，可以根據(jù)斷路器型號及其操作機構的不同，對其有效分合閘脈沖時間進行實驗測試，確定其可靠分合閘脈沖時間。同時MCU可通過監(jiān)測斷路器分合閘次數(shù)與其機械壽命的關系，控制IGBT導通時間來調整分合閘操作時間，從而延長斷路器的機械壽命。