呂 森 宗 鳴 張昀琦

（沈陽工業(yè)大學(xué)，沈陽 110870）

0 引言

智能化是電網(wǎng)發(fā)展的重要方向之一。中國電網(wǎng)的建設(shè)目標是：以數(shù)字化、信息化、自動化、互動化為特征的自主創(chuàng)新、國際領(lǐng)先、中國特色的統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)[1]。斷路器作為電網(wǎng)中的重要節(jié)點，必須具備上述特征。多層級配電網(wǎng)絡(luò)自動切斷故障支路是上述目標中“自動化”的重要體現(xiàn)，但現(xiàn)有小型斷路器（miniature circuit breaker, MCB）只能實現(xiàn)短路瞬動保護，不適合多層級配電網(wǎng)絡(luò)的選擇性配合。智能型斷路器是解決該問題的有效手段。

框架式斷路器（air circuit breaker, ACB）的智能化工作開展較早，目前進入了第五代產(chǎn)品研發(fā) 期[1]，并且市場上已經(jīng)有成熟的智能化ACB產(chǎn)品，如正泰電器NA1系列等。塑殼式斷路器（moulded case circuit breaker, MCCB）已開發(fā)了四代產(chǎn)品[2]，行業(yè)內(nèi)對智能ACB和MCCB的研究[3-12]一直在進行。但是，MCB智能化問題受體積、成本等因素的制約，一直難以解決。盡管有文獻指出了MCB智能化的必要性[13]，但相關(guān)研究甚少，更沒有成熟產(chǎn)品面市。目前，終端保護智能化、網(wǎng)絡(luò)化的解決方案多是MCB加智能控制器組合，如“群組智能控制”方案。用一個群組智能控制器，對多個取消了雙金屬片，但裝有微型磁通變換器或分勵脫扣器的下級MCB實施集中控制。各支路電流由群組智能控制器集中測量，每個MCB的過載和短路脫扣由群組智能控制器統(tǒng)一控制[14]。由于不需要電流測量，這種結(jié)構(gòu)可以在保持原有MCB體積的情況下，解決MCB的智能化問題，不失為一種智能化途徑。但若一個小型配電系統(tǒng)完全由一個群組智能控制器掌控，一旦群組智能控制器發(fā)生故障，將造成小型配電系統(tǒng)癱瘓。

近年來，ABB（德國）公司、法國HAGER公司和中國上海電器科學(xué)研究所（集團）有限公司等相繼推出了具有選擇性的MCB結(jié)構(gòu)，稱之為帶選擇性的過電流保護斷路器（selective miniature circuit breaker, SMCB），其采用了一種新的熱磁脫扣器結(jié)構(gòu)，當(dāng)下級發(fā)生短路時，脫扣器首先啟動限流模式，短路短延時后備保護由專門設(shè)計的選擇性熱脫扣器實現(xiàn)[15-18]，但這種SMCB具有一個限流電阻，且正常工作狀態(tài)下的電流也流過輔助回路中的限流電阻，這顯著增加該類斷路器的能耗。國網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司對電磁式選擇性保護直流斷路器進行了研究[19]，但顯然這種斷路器僅適用于直流電路。除上述帶限流電阻的SMCB外，目前市場上未出現(xiàn)可以滿足選擇性保護的MCB產(chǎn)品。

脫扣器是斷路器的核心，為克服上述選擇性斷路器的不足，本文提出雙繞組可控電磁脫扣器，其可用于交流線路且不存在限流電阻的損耗，可以滿足智能電網(wǎng)對配電網(wǎng)絡(luò)選擇性保護的要求，具有更廣泛的應(yīng)用場合和更高的經(jīng)濟價值。

1 雙繞組理論的提出

本文提出的雙繞組可控電磁脫扣器及其與下級斷路器的配合如圖1所示。所謂雙繞組，即為電磁脫扣器SB1增加一個控制繞組N2，其理論依據(jù)是電磁感應(yīng)定律和楞次定律。如圖1所示，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)SB1的電流線圈中通入交流電時，將在控制繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)SB2閉合時將產(chǎn)生感應(yīng)電流，又根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場將阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。由于控制繞組產(chǎn)生的磁場將削弱SB1電流線圈產(chǎn)生的磁場，電磁力減小，這樣本應(yīng)使SB1脫扣的短路電流將無法使其動作，只有將SB2斷開，感應(yīng)電流消失后，電流線圈產(chǎn)生的磁場恢復(fù)到原有水平，電磁力恢復(fù)，才能使SB1動作。因此，通過控制SB2的開斷即可控制SB1的動作時間，達到短路短延時的目的。所謂可控電磁脫扣器，指的是通過控制SB2斷開與閉合的時間，可以對短延時時間Ttr根據(jù)特性配合要求進行控制。

圖1 雙繞組可控電磁脫扣器及其與下級斷路器的配合

圖2（a）和圖2（b）分別為傳統(tǒng)小型斷路器和雙繞組可控電磁脫扣器的保護特性示意圖。I1為SB2斷開時的最小短路脫扣電流，I2為SB2閉合時的最小短路電流。若短路電流大于I2，去磁作用的效果將不足以延遲SB1的動作，SB1將瞬間脫扣。

對比圖2（a）和圖2（b），當(dāng)SB2斷開時，雙繞組可控電磁脫扣器保護特性與傳統(tǒng)MCB相同，當(dāng)SB2閉合時產(chǎn)生短路短延時作用。

圖2 兩種脫扣器的保護特性

2 去磁作用的驗證

為驗證上述關(guān)于控制繞組的去磁作用，分別從理論推導(dǎo)和有限元分析兩方面進行驗證。以圖3所示的U形電磁鐵為例進行理論分析。

圖3 U形電磁鐵

U形電磁鐵的控制繞組具有接通和斷開兩種狀態(tài)，根據(jù)前期研究成果，SB2閉合，即控制繞組接通時，主磁通為

SB2斷開，即控制繞組斷開時，主磁通[20]為

式（1）和式（2）中：Φ(t)為隨時間交變的主磁通；Im為電流幅值；Z2為控制繞組線圈阻抗；N1、N2分別為電流線圈和控制繞組的線圈匝數(shù)；Rδ為氣隙磁阻。

雖然式（1）和式（2）給出了SB2閉合和SB2斷開時的主磁通，但通過這兩個公式無法直觀地看出控制繞組的去磁作用。為此，初步選取正泰電器DZ47—60型MCB的尺寸進行定量計算，得到Rδ= 108H-1，取線路中的電流為10倍額定電流，即Im= 10In=600A，N1=2，N2=400，Z2=0.01Ω，α≈90°，則SB2閉合時的主磁通為

SB2斷開時的主磁通為

SB2閉合和SB2斷開時主磁通的對比如圖4所示，可以看出，SB2閉合時對主磁通的削弱作用十分明顯。

圖4 SB2閉合和SB2斷開時主磁通的對比

根據(jù)式（1），對于已經(jīng)制作完成的雙繞組電磁脫扣器，影響主磁通Φ的因素中只有電流線圈側(cè)電流幅值Im一個變量。研究不同Im值時，控制繞組的去磁作用，額定短路電流為In，計算得到Im分別為5In、6In、7In、8In、9In、10In時主磁通Φ的變化，SB2斷開和SB2閉合時的主磁通分別如圖5（a）和圖5（b）所示。

圖5 不同倍數(shù)短路電流時的磁通變化

經(jīng)計算，對于采用上述數(shù)據(jù)制作的雙繞組電磁脫扣器，控制繞組電流在不同倍數(shù)的額定短路電流下均將主磁通變?yōu)樵瓉淼?%，不同倍數(shù)時的去磁效果是一致的。

當(dāng)短路電流大于圖2中的I2時，去磁作用仍然將主磁通變?yōu)樵瓉淼?%，因此當(dāng)電流足夠大時，主磁通的2%即足以使雙繞組電磁脫扣器動作，此時雙繞組電磁脫扣器將失去選擇性，也就是電流大于I2時，雙繞組電磁脫扣器將瞬間動作。

通過式（1）可以看出，SB2閉合時的主磁通表達式中包含以自然對數(shù)e為底的指數(shù)形式，因此，隨著時間的增加，該項對主磁通的影響逐漸降低，0.3s內(nèi)的磁通如圖6所示。

圖6 以自然對數(shù)e為底的指數(shù)形式對磁通的影響

從圖6可以看出，雖然氣隙磁通是在正弦交變的基礎(chǔ)上增加了以自然對數(shù)e為底的指數(shù)這一項，但其對氣隙磁通幅值影響甚微，不會對雙繞組電磁脫扣器產(chǎn)生影響。

電磁鐵的吸力是通過氣隙磁通產(chǎn)生的，為得到控制繞組對磁通的削弱作用，建立雙繞組電磁脫扣器的有限元模型，如圖7所示，其中圖7（a）為有限元模型結(jié)構(gòu)，包含一個帶氣隙的鐵心和兩套繞組，電流線圈和控制繞組均位于鐵心有氣隙的一側(cè)，該模型是基于前期研究成果并對U形電磁鐵合理簡化建立的[20]，圖7（b）為剖分結(jié)果，共52 473個單元。

圖7 雙繞組及鐵心的有限元模型

當(dāng)電流線圈通入10In時，得到SB2閉合時雙繞組及鐵心的磁通密度，如圖8所示。

圖8 SB2閉合時雙繞組及鐵心的磁通密度

從圖8可以看出，磁通密度最大處出現(xiàn)在氣隙位置，達到0.189T。分別提取SB2閉合和SB2斷開時的氣隙磁通密度，乘以氣隙截面積得到氣隙磁通，如圖9所示，可以看出，SB2閉合時削弱了主磁通，與理論分析得到的結(jié)論一致。需要注意的是，圖8和圖9的結(jié)果是在短路電流幅值達到最大時得到的。

圖9 SB2閉合和SB2斷開時的氣隙磁通

理論分析和有限元分析的對比結(jié)果如圖10所示，可以看出，有限元分析中控制繞組的去磁效果遠不如理論分析中的效果。這是由于理論分析并未考慮漏磁和鐵心飽和的影響。有限元分析得到的結(jié)果顯示，SB2閉合時，控制繞組將氣隙磁通削弱為原來的15%左右，這足以抑制脫扣器的動作。

圖10 理論分析和有限元分析的對比

3 磁簧開關(guān)和繼電器的設(shè)計

若要實現(xiàn)雙繞組電磁脫扣器的功能，控制繞組開關(guān)SB2的控制方法和控制策略至關(guān)重要。SB2的控制邏輯是，首先判斷是否發(fā)生短路故障，其次是SB2開斷時間的控制。本文設(shè)計的控制繞組開關(guān)SB2依靠電磁鐵、磁簧開關(guān)、控制芯片和時間繼電器進行控制，其邏輯關(guān)系如圖11所示。

圖11 SB2控制策略的邏輯關(guān)系

磁簧開關(guān)是一種通過所施加的磁場進行操作的電開關(guān)，其體積小巧，應(yīng)用廣泛，本文采用電磁鐵和磁簧開關(guān)的組合作為線路是否發(fā)生短路的判斷器。時間繼電器及其控制芯片具有多種控制策略，可靈活控制SB2的動作時間，本文采用其作為控制器和執(zhí)行機構(gòu)。

磁簧開關(guān)的起動值與電磁鐵的安匝數(shù)和電磁鐵距離磁簧開關(guān)的距離密切相關(guān)，本文選取起動值為35A·匝的磁簧開關(guān)，其可在0.001s內(nèi)動作。

時間繼電器采用的控制策略為有信號時，繼電器吸合tA后自動停止，停止后再計時tB，在tA+tB時間內(nèi)信號觸發(fā)無效。

當(dāng)判斷器判定發(fā)生短路后，控制芯片接收信號并觸發(fā)時間繼電器立即吸合，使得SB2閉合，控制繞組短路，短路短延時開始，持續(xù)tA后，時間繼電器斷開，SB2斷開，控制繞組開路。若此時電流線圈流過的仍是短路電流，SB1將動作，切斷故障電流；若此時下方支路已成功切斷故障電流，即電流線圈流過的不是短路電流，此時判斷器將判定無短路電流，繼電器信號消失，回到正常工作狀態(tài)。需要注意的是，tA后時間繼電器必須斷開，否則如果下方斷路器沒有成功切斷故障電流，判斷器將始終給控制芯片信號，時間繼電器始終吸合，控制繞組始終短路，去磁作用始終存在，SB1將永遠無法動作。因此，時間繼電器在收到控制芯片信號吸合tA后，必須存在tB的釋放期，且在tA+tB時間內(nèi)，尤其是tB內(nèi)有觸發(fā)信號時也不動作，給SB1留出動作時間。如果tB內(nèi)有觸發(fā)信號，時間繼電器動作，可能造成SB1動作時間不足，導(dǎo)致保護失效。短路短延時時間可根據(jù)具體需求進行設(shè)置，一般情況下，短路短延時的時間限為0.01s≤Ttr≤0.3s。

搭建好的磁簧開關(guān)、控制芯片、時間繼電器和SB2的硬件電路如圖12所示。圖12中，分別設(shè)置了tA為0.3s和tB為1s，即短延時0.3s，1s釋放期。

圖12 硬件電路

tA和tB可根據(jù)需要方便靈活地做出調(diào)整以滿足不同多層級配電系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)論

斷路器必須實現(xiàn)短路短延時以滿足智能電網(wǎng)的要求，因此斷路器的核心脫扣器必須具備短路短延時功能。本文依據(jù)電磁感應(yīng)定律和楞次定律設(shè)計了雙繞組可控電磁脫扣器，控制繞組中的感應(yīng)電流對主磁通產(chǎn)生去磁作用，從而使脫扣器無法動作，達到短延時的目的。短延時時長依靠控制模塊中的時間繼電器進行控制，一般短路短延時時間限為0.01s≤Ttr≤0.3s，實驗表明，控制模塊可以很好地滿足該時間限要求。下一步將制作雙繞組可控電磁脫扣器，并將其與控制模塊結(jié)合，驗證其性能。