西安飛豹科技發(fā)展公司 牛 哲

斷路器操作機構的設計與實現(xiàn)研究

西安飛豹科技發(fā)展公司 牛 哲

在電氣線路當中，斷路器是一種十分重要的電氣設備，對電氣線路通斷發(fā)揮著控制作用。斷路器性能的好壞，將會對下游電氣設備的安全性產(chǎn)生直接的影響，一旦斷路器發(fā)生故障，可能造成較為嚴重的損失。性能優(yōu)良的斷路器應當滿足合閘速度快、合閘時間短等要求，因此需要斷路器操作機構中的運動部件能夠提供合適的吸引力和排斥力，從而在合閘過程中，能夠根據(jù)要求實現(xiàn)加速或減速操作?；诖?，本文主要研究了斷路器新型永磁驅動操作機構的設計與實現(xiàn)，以期能夠提升斷路器的工作性能。

斷路器；操作機構；設計；實現(xiàn)

0 前言

斷路器是一種能夠對電氣線路通斷進行控制的電氣設備，在正常運行中，斷路器能夠根據(jù)指令對電氣線路通斷進行控制，如果電力系統(tǒng)發(fā)生故障，斷路器與繼電保護裝置相互配合，能夠將故障電流迅速切斷，避免發(fā)生進一步的安全事故。因此，在電氣線路中，其穩(wěn)定性和下游設備的安全性，與斷路器的性能有著很多的關系。

1 斷路器操作機構的結構設計

1.1 永磁驅動操作機構原理

永磁驅動操作機構是近年來對斷路器操作機構的研究得出的成果，目前其主要的結構包括四線圈永磁電動操作機構、磁分路永磁電動操作機構、磁短路環(huán)永磁電動操作機構、不對稱結構永磁電動操作機構等。在永磁電動操作機構中，對電磁鐵吸附鐵磁材料的特性加以運用，對運動部件運動進行驅動，從而實現(xiàn)分閘與合閘操作。由于電磁鐵只能對鐵磁材料產(chǎn)生吸力，因而采用永磁驅動的方式，通過永磁與電磁的相互作用，利用線圈對永磁體的吸引力和排斥力，對運動部件進行更好的驅動。例如，在合閘過程中，合閘初始階段向線圈通入最大正向電流，對永磁體產(chǎn)生吸引，提升斷路器合閘速度。在合閘的一定階段中，線圈正向電流斷開，同時通入反向電流，使其對永磁體產(chǎn)生排斥，降低合閘速度，確保適當?shù)挠|頭接觸速度。

1.2 永磁驅動操作機構驅動力

對于永磁驅動操作機構的驅動力，首先要進行磁場分析，采用Magnetostatic命令，基于操作機構部分回轉體的電磁場，其運動為繞中心軸旋轉，因而采用對稱坐標平面進行建模。建模器采用毫米為單位，將永磁體運動范圍定義為從下底板接觸到向上運動18毫米，每次變化范圍設定為1毫米的變量。利用軟件材料管理器，設定各部分材料的屬性，其中永磁體屬性為NE045，下底板、缸體屬性為20號鋼，線圈屬性為銅[1]。此后對邊界條件和源進行指定，對求解參數(shù)、求解選項進行設定。然后進行驅動力合成及仿真優(yōu)化。如果斷路器狀態(tài)為分閘，線圈中沒有電流通過，永磁體受到－19N的合外力，如果斷路器狀態(tài)為合閘，斷開線圈中的電流，永磁體受到242N的合外力。

1.3 永磁驅動操作機構驅動力測試

在永磁驅動操作機構驅動力測試當中，使用萬用表、功率放大器、信號發(fā)生器、MTS809系統(tǒng)等儀器設備。利用轉接塊在MTS809系統(tǒng)上下夾具之間，對10KV真空斷路器樣機進行安裝，設定系統(tǒng)力傳感器輸出值為0。在測試過程中，信號發(fā)生器產(chǎn)生直流電壓信號，功率放大器對其放大后形成直流電流信號，同時將萬用表串聯(lián)在線圈中[2]。斷路器滅弧室靜觸頭與MTS809系統(tǒng)上夾具通過轉接軸連接，可動轉軸與MTS809系統(tǒng)下夾具通過轉接軸連接。在線圈中通入方向、大小一定的電流，下夾具帶動運動部件向上運動10毫米，對應力大小進行記錄。

2 斷路器操作機構的電路設計

2.1 電路整體設計

在電路整體設計中，為了使斷路器的性能更為良好，在操作機構電路設計中融合了智能化操作技術和微機控制方式。在斷路器工作當中，顯示輸出模塊將分合閘控制指令發(fā)出，向DSP模塊傳遞指令。DSP模塊整理和分析輸入數(shù)據(jù)，然后向驅動模塊發(fā)送結果[3]。驅動模塊根據(jù)控制命令，驅動斷路器進行相應動作。在斷路器中，各個操作機構運動部件的運動位移情況，可由光柵位移傳感器進行記錄，并向DSP模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時控制。顯示輸入模塊在分合閘結束后，對斷路器合閘情況進行顯示。在斷路器的工作過程中，驅動模塊、DSP模塊等由電源模塊供給能量。

2.2 電路模塊設計

在斷路器操作機構電路中，主要應用了DSP模塊、驅動模塊、儲能電容模塊、直流電源模塊、反饋信號采樣調制模塊等部分。其中DSP模塊設計中，對適當DSP芯片進行選擇，該數(shù)字信號處理器具有特殊的結構，能夠在快速數(shù)字信號運算微處理器中進行應用。驅動模塊設計采用了光電隔離芯片6N137、晶閘管基極驅動芯片IR2110。儲能電容模塊能夠提供300V直流電壓，交流電通過整流橋向四個470uF大電容進行充電。同時采用了NTC3D20熱敏電阻，對電路提供熱保護。直流電源模塊設計采用了TL431芯片，能夠輸出3V～24V電壓，提供可調穩(wěn)壓直流電源。反饋信號采樣調制模塊，主要處理斷路器分合閘狀態(tài)、線圈驅動電壓電流、運動部件位移等信號。

2.3 控制方式設計

斷路器控制系統(tǒng)對斷路器的控制，是通過對電信號的接受和邏輯判斷加以分析實現(xiàn)的。在新型永磁驅動操作機構中，控制原理與現(xiàn)有操作機構相似，通過對線圈通電，實現(xiàn)斷路器的分閘與合閘[4]。在控制系統(tǒng)中，通常設置電容充電控制環(huán)節(jié)，以對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性進行保證。在斷路器控制中，最重要的部分是邏輯分析，根據(jù)輸入電壓、電流，對線路是否存在欠電壓、過流、短路等故障進行判斷。如果判斷結果為故障，邏輯分析模塊會將發(fā)出相應指令，控制操作機構動作。按照不同的邏輯分析模塊，控制方式主要包括了微機控制、電子控制、繼電器控制等方法。其中，基于微機控制的方式更為先進，利用CPU對信號進行采集和處理，通過邏輯判斷發(fā)出控制指令，從而控制運動機構動作。

3 斷路器操作機構的控制聯(lián)調實現(xiàn)

3.1 同步關合影響因素

在永磁機構同步關合的過程當中，老化、預擊穿、環(huán)境溫度、控制電壓等因素，都會對其產(chǎn)生影響。斷路器老化后，其分合閘行程會有所改變，因此分合閘時間也會變化[5]。如果斷路器合閘速度較慢，在預定合閘時間之前，斷口可能產(chǎn)生預擊穿進而導通，產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電壓，影響斷路器的正常合閘。溫度的變化會對斷路器線圈電容、電阻等數(shù)值產(chǎn)生影響，對于永磁體來說，由于其通電時間大約為20～30毫秒，具有較小的發(fā)熱量，因而永磁體性能不會受到較大影響。在不同的溫度下，斷路器分合閘過程中的阻尼系數(shù)也會變化，進而使分合閘阻尼改變，對斷路器分合閘時間產(chǎn)生影響。此外，斷路器電解電容器充電后的放電電壓為其提供控制電壓，這一電壓的大小，會對分合閘線圈勵磁電流大小產(chǎn)生直接影響，進而影響勵磁線圈產(chǎn)生電磁場的大小。所以，控制電壓對斷路器分合閘過程也會產(chǎn)生一定的影響。

3.2 開閉環(huán)控制策略的實現(xiàn)

在分閘過程中，控制策略為先加速再減速。在某一時刻，DSP將合閘指令發(fā)出，合閘線圈中通入最大正向電流，對永磁體產(chǎn)生吸力。在合閘某一階段，DSP將減速指令發(fā)出，分閘線圈通入最大正向電流，對永磁體產(chǎn)生斥力。在動靜觸頭開始接觸的時刻，DSP將加速信號發(fā)出，合閘線圈中通入正向電流，對永磁體產(chǎn)生吸力[6]。在閉環(huán)控制策略中，首先應進行開環(huán)調試，利用開環(huán)控制策略，獲取理想的分合閘曲線，然后將調試出的理想曲線作為跟蹤目標進行閉環(huán)跟蹤，確保一致的分合閘。最后對理想曲線進行更新，隨著動靜觸頭的磨損，對操作曲線進行重新生成，以確保閉環(huán)操作的準確性和有效性。

3.3 樣機測試

采用10KV真空斷路器原理樣機，對永磁驅動操作機構進行樣機測試。利用Matlab語言編寫調試界面，其中包括了數(shù)據(jù)存儲路徑、調試曲線顯示、串口設置、曲線參數(shù)實時顯示、開環(huán)控制參數(shù)、控制按鈕等區(qū)域和功能[7]。測試系統(tǒng)中，采用了調試用計算機、硬件電路、斷路器原理樣機等模塊。測試結果顯示，合閘過程所用時間為19.40ms，動靜觸頭運動距離為10.25mm，永磁體運動距離為14.71mm，動靜觸頭接觸速度為0.99m/s，在動靜觸頭接觸前10ms的時間內，平均速度在0.8m/s以上。在分閘過程中，動靜觸頭分離時間為19.50ms，永磁體和動觸頭可動部件碰撞速度為1.3m/s，永磁體在37.8ms時運動到最下端，完成分閘動作。這一過程中，可動部件的平均運動速度在0.6m/s以上。

4 結論

在電氣線路控制系統(tǒng)當中，斷路器作為一種重要的電氣設備，對線路的開斷、關合進行控制，其性能會對線路及線路中的電氣設備產(chǎn)生直接影響。在斷路器當中，操作機構的性能，往往決定了斷路器的性能。基于此，本文對新型永磁驅動操作結構的設計與實現(xiàn)進行了研究，分析了操作機構的結構設計與電路設計，同時分析了其控制聯(lián)調的實現(xiàn)，為斷路器性能的提升提供依據(jù)和參考。

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牛哲（1988—），男，河南三門峽人，大學本科，助理工程師，研究方向：電氣控制。