湯龍飛，許志紅，廖珠勝

(1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116； 2. 福建省電力公司福州供電公司，福建 福州 350009)

0 引言

在配電網(wǎng)絡中存在大量的10、35 kV斷路器，是最重要的開關設備之一[1]. 其分、合閘操作通過分、合閘電磁鐵動作來瞬時沖擊脫扣摯子，摯子脫扣后釋放彈簧儲能機構(gòu)的能量，帶動操作機構(gòu)動作，從而完成觸頭的分、合閘[2]. 也就是說，分、合閘電磁鐵并不是斷路器動作的直接動力，其僅用于儲能彈簧的能量釋放，電磁鐵線圈只需要短時的激磁電流來提供足夠的瞬時沖擊力即可[3]. 因此，其線圈往往按短時通電設計，超過2 s就可能燒壞[4]. 斷路器分、合閘完成后，通常依靠輔助觸點的動作來及時斷開分、合閘線圈電流，避免燒壞[5].

由此可見, 分、合閘電磁鐵是高壓斷路器操作機構(gòu)的第一級控制元件，其保護功能最后都要通過該電磁鐵的動作來實現(xiàn). 但隨著斷路器的長期使用，其操作機構(gòu)可能出現(xiàn)卡澀、動作不到位或輔助觸點粘連等問題，使線圈長時間通電而燒毀，降低配電系統(tǒng)的供電可靠性[6-7].

此外，斷路器“跳躍”故障是最惡劣的故障之一，發(fā)生的原因及過程如下：由于自動裝置觸點或控制開關自身特性的原因，在斷路器合閘操作完成后，分合閘啟動回路觸點未立即斷開，合閘脈沖一直存在. 此時，如果系統(tǒng)故障(比如存在預伏短路電流)，保護動作，斷路器跳閘，但由于合閘命令并未解除，則斷路器在跳閘后會重新合閘； 如果為永久性故障，保護會再次將開關跳開，持續(xù)存在的合閘脈沖將會使斷路器再次合閘； 如此循環(huán)，發(fā)生斷路器持續(xù)的“分—合”現(xiàn)象，稱為斷路器的跳躍故障，可能造成嚴重的爆炸事故[8-9].

目前，針對分、合閘線圈燒毀這一故障多采取改進斷路器二次控制回路的措施，如：增加時間繼電器、中間繼電器或其他延時開斷裝置，在設定時間內(nèi)斷開分、合閘線圈回路[10]，而針對斷路器的“跳躍”故障，同樣必須在二次回路中加裝防跳繼電器回路[11]. 以上措施無疑增加了二次繼?；芈返膹碗s程度，為電力系統(tǒng)引入了不可靠因素. 本研究設計分合閘電磁鐵智能控制模塊，對電磁鐵的線圈電流進行閉環(huán)控制，有效防止了線圈的燒毀故障. 同時，在數(shù)字系統(tǒng)中融入電子防跳躍控制邏輯，模塊體積小巧，集成度高，簡化了二次回路的設計，提高了電磁鐵的性能。

1 控制模塊工作原理

控制模塊原理如圖1所示. 以微芯公司dsPIC為核心，采用全數(shù)字的方式完成分合閘電磁鐵線圈電流的閉環(huán)控制及所有的狀態(tài)監(jiān)視和通信任務，簡化模塊的硬件設計. 模塊中存在一個單刀雙擲繼電器，當進行合閘操作時，dsPIC驅(qū)動繼電器使常開觸點閉合，將合閘線圈接入控制回路； 當進行分閘操作時，使繼電器復位，將分閘線圈接入控制回路，分、合閘線圈分時復用一套控制電路，既降低了成本，又方便電子防跳功能的實現(xiàn).

圖1 控制模塊原理Fig.1 Principle of control module

電流閉環(huán)控制原理為：輸入電源整流濾波后經(jīng)電子開關斬波，產(chǎn)生高頻方波電壓，施加在線圈兩端，在線圈電感作用下，得到穩(wěn)定、可調(diào)的線圈電流. 霍爾電流傳感器檢測線圈電流并送入dsPIC中，進行滯環(huán)電流運算后輸出驅(qū)動信號，經(jīng)隔離驅(qū)動作用于電子開關，對線圈電壓進行調(diào)節(jié)，完成電流的閉環(huán)控制.

斷路器長期運行后可能產(chǎn)生拒動故障，使輔助觸點難以有效動作，輔助觸點監(jiān)測電路監(jiān)測觸點狀態(tài)，及時報警拒動故障； 線圈溫度監(jiān)測電路監(jiān)測線圈溫度，電壓檢測電路監(jiān)測輸入電源，人機界面在本地設置運行參數(shù)并顯示運行狀態(tài)； 通信接口融入現(xiàn)有的調(diào)度遙控體系中，對分合閘電磁鐵進行遠程控制，并將運行狀態(tài)反饋至控制室； 在一次遙控失敗的情況下，可對模塊參數(shù)進行遠程或本地重置，增加激磁電流及激磁時間后及時進行二次遙控，提高遙控分合閘的成功率，減少拒動造成的長時間、大面積停電； 本地分合閘接口可以接收外部輸入的分合閘脈沖.

本地分合閘接口接到外部脈沖后，將信號傳入電子防跳躍邏輯電路進行邏輯判斷：如果一個合閘操作后緊跟一次分閘操作時，模塊控制合閘電磁鐵先動作，合閘完成后再控制分閘電磁鐵動作，完成脈沖要求的一次斷路器合閘-分閘動作; 但禁止之前的合閘命令引起第二次合閘操作，此時通過電子防跳躍邏輯電路將繼電器鎖定在復位狀態(tài)，防止再次合閘，如果要進行第二次合閘操作，則前一個合閘命令必須先消失，之后再重新發(fā)出，從而防止跳躍故障的產(chǎn)生.

控制模塊需采取一定的抗干擾措施，避免高壓環(huán)境下的電磁干擾[12]. 采用開關電源為模塊提供工作電源，在開關電源的輸入端增加電源濾波器； 在dsPIC等關鍵芯片就近處增加去耦電容，對電壓、電流進行隔離采樣，同時驅(qū)動電路與主電路采用光耦隔離； 在dsPIC復位引腳增加RC濾波電路，防其錯誤復位并在軟件中開啟低壓工作使能，進一步增強對欠壓的承受能力. 在軟件方面，開啟芯片內(nèi)置看門狗，用于防止程序死循環(huán)或跑飛，在采樣程序中采取數(shù)字濾波，防止干擾信號影響采樣準確度. 配合合理的PCB布局及模塊外殼接地，避免受高壓環(huán)境的影響.

2 控制模塊仿真分析

目前，常用ANSYS進行鐵心靜態(tài)吸力仿真，耦合電壓平衡和達朗貝爾機械運動方程進行動態(tài)吸力仿真，然后用ADAMS構(gòu)建操動機構(gòu)機械模型，仿真得到動觸頭和動鐵心的位移-時間特性[13]. 但電流閉環(huán)控制下的分合閘電磁鐵，其運動過程中的機械參量和電參量是耦合的，控制模塊的輸出電壓和線圈電流也是相互影響的，應用該方法進行仿真較為困難. 因此，構(gòu)建一體化仿真進行控制模塊與電器本體的逐點閉環(huán)仿真，可以方便的用于智能電器的設計.

2.1 一體化仿真原理

圖2 一體化仿真原理Fig.2 Principle of co-simulation

一體化仿真原理如圖2所示，整個程序放入一個仿真循環(huán)中. ① 用Multisim設計分合閘電磁鐵線圈驅(qū)動電路. ② 在LabVIEW中建立電磁鐵的動態(tài)仿真程序及滯環(huán)控制程序. ③ 在Multisim和LabVIEW間構(gòu)建數(shù)據(jù)通道，兩個獨立的仿真軟件同時進行非線性時域仿真，在每個仿真步長結(jié)束時，相互交換數(shù)據(jù). 在每個仿真步長中，LabVIEW主要向Multisim傳輸PWM驅(qū)動信號及磁路電感，更新線圈驅(qū)動電路的開關信號及電磁鐵線圈電感. Multisim主要向LabVIEW傳輸受反饋控制后的方波線圈電壓，為電磁鐵的動態(tài)模型提供激勵源. ④ 通過外圍仿真循環(huán)來更新每個步長下的仿真狀態(tài)，并不斷進行迭代，完成閉環(huán)控制下的整個運動過程的仿真.

2.2 一體化仿真建模

2.2.1 分合閘電磁鐵動態(tài)建模

分閘電磁鐵與合閘電磁鐵相同，主要由線圈、鐵心、安裝底座、復位彈簧等，組成螺管式電磁機構(gòu). 其在運動過程中滿足如下電壓平衡方程和達朗貝爾機械運動方程[14]：

式中：ucoil為電磁鐵的線圈電壓；icoil為線圈電流；Rcoil為線圈電阻；ψ為磁路磁鏈；L為磁路電感；v為鐵心速度； dx為鐵心位移微分量；Fx為電磁吸力；Ff為反力；m為鐵心質(zhì)量.

分合閘電磁鐵的反力系統(tǒng)比較簡單，僅由1個復位彈簧提供. 因此,Ff可表示為：

式中：k為復位彈簧剛度系數(shù)；Fa為復位彈簧初壓力；δ為鐵心行程；x為鐵心位移.

圖3 分合閘電磁鐵動態(tài)模型Fig.3 Dynamic model of the electromagnet

根據(jù)式(1)～式(3)，在LabVIEW中利用控制設計與仿真工具包建立電壓平衡子模型和機械運動子模型. 電壓平衡子模型可以在線圈電壓和線圈電流已知的情況下求解磁鏈, 機械運動子模型可以在吸力和反力已知的情況下求解鐵心的位移和速度. 利用ANSYS得到磁鏈和吸力關于線圈電流及鐵心位移的靜態(tài)表格， 在Labview中，通過插值算法將ψ(x,icoil)表格變換成icoil(x,ψ)表格[15]. 通過電壓平衡子模型和機械運動子模型計算得到磁鏈和位移后，對icoil(x,ψ)表格進行插值，反求電流，求出電流后可以對Fx(x,icoil)表格進行插值，進而求出電磁吸力. 在每一個仿真步長中分合閘電磁鐵的磁路電感可用式(4)表示：

綜合以上思路，在LabVIEW中建立如圖3所示的分合閘電磁鐵動態(tài)模型. 以電壓瞬時值作為輸入，為模型提供激勵源. 電壓平衡子模型和機械運動子模型配合電流及吸力插值程序，完成整個動態(tài)過程求解.

2.2.2 線圈驅(qū)動電路及數(shù)據(jù)通道建模

圖4 線圈驅(qū)動電路Fig.4 Driving circuit of the coil

在Multisim中構(gòu)建線圈驅(qū)動電路(見圖4)，并在電路中添加與LabVIEW進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ拦?jié)點.V2為壓控電壓源，用作輸入電源，其Vin節(jié)點接收LabVIEW傳入的輸入電壓值；Cin節(jié)點接收LabVIEW傳入的電容值，配置濾波電容C1；SPWM節(jié)點接收LabVIEW傳入的驅(qū)動信號，控制開關管S1；VC節(jié)點將線圈電壓值傳出至LabVIEW中，為分合閘電磁鐵動態(tài)模型提供激勵源；L節(jié)點接收LabVIEW傳入的磁路電感值，在每個仿真步長中更新電感L1；R節(jié)點接收LabVIEW傳入的線圈電阻值，配置電阻R1；VFB節(jié)點將線圈電流值傳出至LabVIEW中，用作電流反饋通道的采樣端. 在Multisim中完成驅(qū)動電路及通道節(jié)點的構(gòu)建后，需要將其映射到Labview中，以便進行Labview與Multisim的協(xié)同仿真：可以利用Labview的控制設計與仿真工具包，將已構(gòu)建好的Multisim文件作為外部模型添加到Labview中.

2.2.3 滯環(huán)電流控制建模

滯環(huán)電流控制結(jié)構(gòu)簡單、自穩(wěn)定、不易因噪聲而發(fā)生震蕩，但同時也存在工作頻率變化大的缺點[16]. 采用滯環(huán)電流控制，同時限制其工作頻率，配合線圈驅(qū)動電路實現(xiàn)分合閘電磁鐵的電流閉環(huán)控制，在LabVIEW中可方便地構(gòu)建圖5所示的滯環(huán)控制程序.

圖5 滯環(huán)電流控制程序Fig.5 Control program of hysteretic current

圖中存在兩個關鍵子VI，Relay子VI，可方便設置開通閾值、關斷閾值、開通輸出電壓及關斷輸出電壓，實現(xiàn)滯環(huán)原理； Memory子VI用作ADC(analog to digital converter，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)模塊，可方便設置采樣初值、采樣周期、采樣延時，并具備采樣保持功能，方便數(shù)據(jù)的閉環(huán)應用. Memory子VI采樣接口子VIVFB接點輸出的采樣線圈電流，通過設置合適的Memory采樣周期來限制滯環(huán)的最高執(zhí)行頻率，采樣后的線圈電流值送入Relay子VI的input接口. 當前電流參考值與滯環(huán)寬度合成滯環(huán)電流的開通閾值與關斷閾值，與采樣后的線圈電流值比較，輸出驅(qū)動信號DO，該驅(qū)動信號返回到接口子VI的SPWM接點，用于驅(qū)動控制電路，從而構(gòu)建完整的閉環(huán)控制環(huán)路.

2.3 一體化仿真分析

所設計的線圈驅(qū)動電路及滯環(huán)控制方式具有通用性，普遍適用于電器電磁系統(tǒng)的控制. 因此，采用電磁鐵的ψ(x,icoil)表格和Fx(x,icoil)表格來構(gòu)建一體化仿真，僅對控制原理進行驗證.

滯環(huán)開關頻率限制在10 kHz，線圈電流參考值設為3 A，激磁時間設為100 ms，之后斷開，仿真波形如圖6所示.t0時刻電磁鐵起動，線圈電流小于參考電流，在滯環(huán)控制下，直流電壓直接施加在線圈兩端，icoil上升. 達到設定值3 A后，線圈電流在滯環(huán)上限及下限間動態(tài)恒定，從而將電流平均值穩(wěn)定在3 A. 至t1時刻，鐵心吸合運動結(jié)束，激磁時間持續(xù)100 ms后至t2時刻關閉，鐵心自t3時刻開始復位，t4時刻復位過程結(jié)束. 在鐵心運動過程中會產(chǎn)生運動反電勢. 當反電勢足夠大時，如圖6中線圈電流所示, 在吸合過程中會迫使線圈電流下跌，同時在分斷過程中會迫使線圈電流上升. 產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因為電磁鐵在運動過程中滿足如下式的磁路電壓平衡方程，運動反電勢本質(zhì)為磁路電感變化引起的電壓平衡方程間各參量約束關系的變化.

圖6 一體化仿真波形Fig.6 Waveform of co-simulation

在起動過程中，電流被迫下跌期間，式(5)可寫成：

在分斷過程中，電流被迫上升期間，式(5)可寫成：

同樣，由于分斷過程中鐵心的運動，導致磁路電感迅速減小，使運動電動勢icoildL/dt迅速減小，為了維持電壓平衡，Ldicoil/dt必須增大，而此時電感又是減小的，因此只能導致icoil被迫增大.

3 實驗分析

3.1 交流激勵分析

分合閘電磁鐵額定電壓為220 V AC，線圈電阻56 Ω，其交流激勵波形如圖7所示. 線圈在t0時刻得電，至t1時刻鐵心走完整個行程，該過程持續(xù)10 ms. 鐵心運動過程中，線圈電流峰值接近4 A，當運動結(jié)束后，電流峰值變小，但仍接近3 A，線圈難以長時間承受該電流. 在傳統(tǒng)的方案中，需依靠輔助觸點及時動作，切斷電流，防止線圈燒毀.

此外，分合閘電磁鐵的動作特性受合閘相角及電壓有效值的影響較大，導致動作特性存在較大差異. 在固定行程下，隨著鐵心動作時間的延長，其對脫扣摯子的沖擊力勢必降低，給斷路器的可靠分合閘帶來隱患. 為了避免合閘相角及輸入電壓波動影響斷路器的可靠分合閘，在實際設計中，往往留出較大的裕量，保證在最苛刻的情況下電磁鐵仍具有足夠的沖擊力. 但也導致了大部分情況下，線圈電流過大，更容易使線圈燒毀，同時也造成了動鐵心對脫扣摯子過大的沖擊，使斷路器的機械壽命及機構(gòu)可靠性降低.

圖7 交流激勵波形Fig.7 Waveform of AC

圖8 智能控制波形Fig.8 Waveform of intelligent control

3.2 智能控制分析

智能控制波形如圖8所示，激磁電流設為3 A，激磁時間設為100 ms.t0時刻電磁鐵起動，在高頻方波激勵下線圈電流快速達到設定值，之后在閉環(huán)控制下保持動態(tài)恒定. 至t1時刻鐵心吸合結(jié)束，激磁時間持續(xù)100 ms后，至t2時刻關閉. 線圈電流至t3時刻衰減至0，鐵心自t4時刻在彈簧反作用力下開始復位，t5時刻復位結(jié)束. 在t4～t5時段存在鐵心回彈，這是由于鐵心的緩沖橡膠引起的. 圖中可見，模塊可以精確控制線圈激磁電流及激磁時間，從而有效避免分合閘線圈的燒毀故障； 鐵心完成整個起動及復位過程約0.3 s，其動作頻率遠大于斷路器主觸頭的操作頻率，因此該驅(qū)動電路滿足斷路器的操作頻率要求.

閉環(huán)控制下，線圈電流可以精確調(diào)節(jié)，如圖9所示. 當線圈電流從2 A變化到3 A時，鐵心動作時間的變化范圍為13.8～9.2 ms. 線圈電流越大，鐵心動作時間越短. 因此，通過簡單的提高線圈激磁電流的措施，即可提高鐵心的沖擊速度，在分合閘電磁鐵發(fā)生卡澀，導致一次分合閘失敗的情況下，可提高激磁電流，及時進行二次分合閘操作，減少斷路器拒動故障的發(fā)生.

圖9 線圈電流對動作時間的影響

如圖10所示, 采用電流閉環(huán)控制后，當輸入電壓有效值在190～250 V變化時，鐵心動作時間的變化范圍為9.6～9.1 ms. 在寬電壓范圍內(nèi)，動作特性具有較好的一致性，利于斷路器的可靠性及機械壽命的提高.

綜合觀察智能控制下的線圈電流波形，并未出現(xiàn)仿真中的被迫下跌及上升現(xiàn)象，主要因為：分合閘電磁鐵為螺管式電磁機構(gòu)，鐵心貫穿于整個線圈之中，在鐵心運動過程中電磁鐵的工作氣隙變化不大[17]. 因此，整個運動過程中磁通變化很小，導致磁路電感變化也很小. 這一點，從圖10的交流激勵波形也可以得出：鐵心運動過程結(jié)束后，其保持電流峰值高達起動電流峰值的3/4，線圈電流起動到保持過程中的變化較小說明了電感變化較小. 這一較小的電感變化難以產(chǎn)生足夠的運動反電勢來迫使線圈電流改變，因此未出現(xiàn)明顯的電流被迫下跌及上升現(xiàn)象.

圖10 交流輸入電壓對動作時間的影響

4 結(jié)語

設計一種斷路器分合閘電磁鐵的智能控制模塊對線圈電流進行閉環(huán)控制，改變了分合閘電磁鐵的激磁方式. 采用一體化仿真技術驗證了線圈驅(qū)動電路及滯環(huán)控制方式的有效性. 同時引入數(shù)字控制技術，構(gòu)建硬件模塊，進行試驗驗證，得出如下結(jié)論：

1) 模塊可以精確控制分合閘電磁鐵的激磁電流及激磁時間，有效避免線圈的燒毀故障；

2) 實現(xiàn)了分合閘電磁鐵的交直流通用、寬電壓運行，提高了分合閘電磁鐵動作特性的一致性；

3) 模塊可以在線調(diào)整線圈激磁電流及激磁時間，在一次遙控分合閘失敗的情況下，及時調(diào)整參數(shù)，進行二次操作，減少斷路器拒動故障的發(fā)生，同時也可以降低電力系統(tǒng)的故障恢復時間；

4) 采用數(shù)字控制技術進行模塊開發(fā)，可以進行靈活的功能拓展，在智能斷路器越來越普及的當下，該控制模塊可以更直接、有效地與智能斷路器的控制器配合，進而提高斷路器整體的智能化水平.

[1] 劉健，趙樹仁，張小慶，等. 配電網(wǎng)故障處理關鍵技術[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2010，34(24)：87-93.

[2] 李鵬飛，周文俊，曾國，等. 高壓斷路器合閘彈簧動態(tài)特性及儲能狀態(tài)檢測方法[J]. 電工技術學報，2016，31(3)：104-112.

[3] 張宗偉. VS1型真空斷路器合閘線圈燒毀故障處理及對策[J]. 高壓電器，2010，46(5)：89-91.

[4] 周丹丹，鄭運洪. 高壓斷路器大電流分合閘線圈的保護[J]. 施工技術，2011，40(增刊1)：436-438.

[5] 張元敏，方如舉. 低壓斷路器合閘線圈保護的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(3)：122-124.

[6] 金慧，張高潮，劉際波，等. 35 kV斷路器跳合閘線圈實時測控保護裝置的研制[J]. 浙江電力，2016，35(3)：14-17.

[7] 楊明澤. 斷路器二次回路的幾點問題及改進[J]. 電力自動化設備，2006，26(12)：104-106.

[8] 兀鵬越，董志成，陳琨，等. 高壓斷路器防跳回路的應用及問題探討[J]. 電力自動化設備，2010，30(10): 106-109.

[9] 陳曉彬. 高壓開關防跳回路異常分析及測試方法的改進[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(7)：112-115； 128.

[10] 劉楊名，江福官，顧愛斌，等. 高壓斷路器拒動原因分析及解決方案[J]. 高壓電器，2012，48(2)：90-94； 98.

[11] 朱韜析，史志鴻，郭衛(wèi)明，等. 斷路器操作箱和就地操作機構(gòu)內(nèi)合閘回路的配合問題[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(8)：115-119.

[12] 湯龍飛，許志紅. 交流接觸器智能控制模塊的電磁兼容性能研究[J]. 低壓電器，2012(23)：1-6.

[13] 許志紅，湯龍飛. 智能交流接觸器一體化仿真及數(shù)字控制技術[J]. 中國電機工程學報, 2015，35(11)：2 870-2 878.

[14] WANG X B，LIN H Y，HO S L． Analysis of dynamic characteristics of permanent magnet contactor with sensorless displacement profile control[J]． IEEE Trans on Magnetics，2010，46(6)：1 633-1 636．

[15] 房淑華，林鶴云，蔡彬，等. 永磁接觸器合閘過程的動態(tài)仿真及實驗[J]. 電工技術學報，2007，22(2)：45-50.

[16] 楊仁增，張光先，趙學良，等. 空間矢量變環(huán)寬滯環(huán)電流控制方法[J]. 電網(wǎng)技術，2015，39(3)：843-849.

[17] 聶聆聰，莫昱，姚曉先，等. 一種螺管式電磁鐵的測試與仿真[J]. 機床與液壓，2008，36(11)：103-104； 108.