斷路器操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

西安飛豹科技發(fā)展公司 牛 哲

斷路器操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

西安飛豹科技發(fā)展公司 牛 哲

在電氣線路當(dāng)中，斷路器是一種十分重要的電氣設(shè)備，對(duì)電氣線路通斷發(fā)揮著控制作用。斷路器性能的好壞，將會(huì)對(duì)下游電氣設(shè)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(yán)重的損失。性能優(yōu)良的斷路器應(yīng)當(dāng)滿足合閘速度快、合閘時(shí)間短等要求，因此需要斷路器操作機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)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(shí)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(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以期能夠提升斷路器的工作性能。

斷路器；操作機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

0 前言

斷路器是一種能夠?qū)﹄姎饩€路通斷進(jìn)行控制的電氣設(shè)備，在正常運(yùn)行中，斷路器能夠根據(jù)指令對(duì)電氣線路通斷進(jìn)行控制，如果電力系統(tǒng)發(fā)生故障，斷路器與繼電保護(hù)裝置相互配合，能夠?qū)⒐收想娏餮杆偾袛?，避免發(fā)生進(jìn)一步的安全事故。因此，在電氣線路中，其穩(wěn)定性和下游設(shè)備的安全性，與斷路器的性能有著很多的關(guān)系。

1 斷路器操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 永磁驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)原理

永磁驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)是近年來對(duì)斷路器操作機(jī)構(gòu)的研究得出的成果，目前其主要的結(jié)構(gòu)包括四線圈永磁電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、磁分路永磁電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、磁短路環(huán)永磁電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、不對(duì)稱結(jié)構(gòu)永磁電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)等。在永磁電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)中，對(duì)電磁鐵吸附鐵磁材料的特性加以運(yùn)用，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)分閘與合閘操作。由于電磁鐵只能對(duì)鐵磁材料產(chǎn)生吸力，因而采用永磁驅(qū)動(dòng)的方式，通過永磁與電磁的相互作用，利用線圈對(duì)永磁體的吸引力和排斥力，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行更好的驅(qū)動(dòng)。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(duì)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(shí)通入反向電流，使其對(duì)永磁體產(chǎn)生排斥，降低合閘速度，確保適當(dāng)?shù)挠|頭接觸速度。

1.2 永磁驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力

對(duì)于永磁驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力，首先要進(jìn)行磁場(chǎng)分析，采用Magnetostatic命令，基于操作機(jī)構(gòu)部分回轉(zhuǎn)體的電磁場(chǎng)，其運(yùn)動(dòng)為繞中心軸旋轉(zhuǎn)，因而采用對(duì)稱坐標(biāo)平面進(jìn)行建模。建模器采用毫米為單位，將永磁體運(yùn)動(dòng)范圍定義為從下底板接觸到向上運(yùn)動(dòng)18毫米，每次變化范圍設(shè)定為1毫米的變量。利用軟件材料管理器，設(shè)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(hào)鋼，線圈屬性為銅[1]。此后對(duì)邊界條件和源進(jìn)行指定，對(duì)求解參數(shù)、求解選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)定。然后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力測(cè)試

在永磁驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力測(cè)試當(dāng)中，使用萬用表、功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、MTS809系統(tǒng)等儀器設(shè)備。利用轉(zhuǎn)接塊在MTS809系統(tǒng)上下夾具之間，對(duì)10KV真空斷路器樣機(jī)進(jìn)行安裝，設(shè)定系統(tǒng)力傳感器輸出值為0。在測(cè)試過程中，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生直流電壓信號(hào)，功率放大器對(duì)其放大后形成直流電流信號(hào)，同時(shí)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(zhuǎn)接軸連接，可動(dòng)轉(zhuǎn)軸與MTS809系統(tǒng)下夾具通過轉(zhuǎn)接軸連接。在線圈中通入方向、大小一定的電流，下夾具帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件向上運(yùn)動(dòng)10毫米，對(duì)應(yīng)力大小進(jìn)行記錄。

2 斷路器操作機(jī)構(gòu)的電路設(shè)計(jì)

2.1 電路整體設(shè)計(jì)

在電路整體設(shè)計(jì)中，為了使斷路器的性能更為良好，在操作機(jī)構(gòu)電路設(shè)計(jì)中融合了智能化操作技術(shù)和微機(jī)控制方式。在斷路器工作當(dāng)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(qū)動(dòng)模塊發(fā)送結(jié)果[3]。驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)控制命令，驅(qū)動(dòng)斷路器進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。在斷路器中，各個(gè)操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)位移情況，可由光柵位移傳感器進(jìn)行記錄，并向DSP模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。顯示輸入模塊在分合閘結(jié)束后，對(duì)斷路器合閘情況進(jìn)行顯示。在斷路器的工作過程中，驅(qū)動(dòng)模塊、DSP模塊等由電源模塊供給能量。

2.2 電路模塊設(shè)計(jì)

在斷路器操作機(jī)構(gòu)電路中，主要應(yīng)用了DSP模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、儲(chǔ)能電容模塊、直流電源模塊、反饋信號(hào)采樣調(diào)制模塊等部分。其中DSP模塊設(shè)計(jì)中，對(duì)適當(dāng)DSP芯片進(jìn)行選擇，該數(shù)字信號(hào)處理器具有特殊的結(jié)構(gòu)，能夠在快速數(shù)字信號(hào)運(yùn)算微處理器中進(jìn)行應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)采用了光電隔離芯片6N137、晶閘管基極驅(qū)動(dòng)芯片IR2110。儲(chǔ)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(gè)470uF大電容進(jìn)行充電。同時(shí)采用了NTC3D20熱敏電阻，對(duì)電路提供熱保護(hù)。直流電源模塊設(shè)計(jì)采用了TL431芯片，能夠輸出3V～24V電壓，提供可調(diào)穩(wěn)壓直流電源。反饋信號(hào)采樣調(diào)制模塊，主要處理斷路器分合閘狀態(tài)、線圈驅(qū)動(dòng)電壓電流、運(yùn)動(dòng)部件位移等信號(hào)。

2.3 控制方式設(shè)計(jì)

斷路器控制系統(tǒng)對(duì)斷路器的控制，是通過對(duì)電信號(hào)的接受和邏輯判斷加以分析實(shí)現(xiàn)的。在新型永磁驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)中，控制原理與現(xiàn)有操作機(jī)構(gòu)相似，通過對(duì)線圈通電，實(shí)現(xiàn)斷路器的分閘與合閘[4]。在控制系統(tǒng)中，通常設(shè)置電容充電控制環(huán)節(jié)，以對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)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(duì)線路是否存在欠電壓、過流、短路等故障進(jìn)行判斷。如果判斷結(jié)果為故障，邏輯分析模塊會(huì)將發(fā)出相應(yīng)指令，控制操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作。按照不同的邏輯分析模塊，控制方式主要包括了微機(jī)控制、電子控制、繼電器控制等方法。其中，基于微機(jī)控制的方式更為先進(jìn)，利用CPU對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和處理，通過邏輯判斷發(fā)出控制指令，從而控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

3 斷路器操作機(jī)構(gòu)的控制聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)

3.1 同步關(guān)合影響因素

在永磁機(jī)構(gòu)同步關(guān)合的過程當(dāng)中，老化、預(yù)擊穿、環(huán)境溫度、控制電壓等因素，都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。斷路器老化后，其分合閘行程會(huì)有所改變，因此分合閘時(shí)間也會(huì)變化[5]。如果斷路器合閘速度較慢，在預(yù)定合閘時(shí)間之前，斷口可能產(chǎn)生預(yù)擊穿進(jìn)而導(dǎo)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(huì)對(duì)斷路器線圈電容、電阻等數(shù)值產(chǎn)生影響，對(duì)于永磁體來說，由于其通電時(shí)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(huì)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(huì)變化，進(jìn)而使分合閘阻尼改變，對(duì)斷路器分合閘時(shí)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(huì)對(duì)分合閘線圈勵(lì)磁電流大小產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而影響勵(lì)磁線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)的大小。所以，控制電壓對(duì)斷路器分合閘過程也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

3.2 開閉環(huán)控制策略的實(shí)現(xiàn)

在分閘過程中，控制策略為先加速再減速。在某一時(shí)刻，DSP將合閘指令發(fā)出，合閘線圈中通入最大正向電流，對(duì)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(duì)永磁體產(chǎn)生斥力。在動(dòng)靜觸頭開始接觸的時(shí)刻，DSP將加速信號(hào)發(fā)出，合閘線圈中通入正向電流，對(duì)永磁體產(chǎn)生吸力[6]。在閉環(huán)控制策略中，首先應(yīng)進(jìn)行開環(huán)調(diào)試，利用開環(huán)控制策略，獲取理想的分合閘曲線，然后將調(diào)試出的理想曲線作為跟蹤目標(biāo)進(jìn)行閉環(huán)跟蹤，確保一致的分合閘。最后對(duì)理想曲線進(jìn)行更新，隨著動(dòng)靜觸頭的磨損，對(duì)操作曲線進(jìn)行重新生成，以確保閉環(huán)操作的準(zhǔn)確性和有效性。

3.3 樣機(jī)測(cè)試

采用10KV真空斷路器原理樣機(jī)，對(duì)永磁驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行樣機(jī)測(cè)試。利用Matlab語言編寫調(diào)試界面，其中包括了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑、調(diào)試曲線顯示、串口設(shè)置、曲線參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、開環(huán)控制參數(shù)、控制按鈕等區(qū)域和功能[7]。測(cè)試系統(tǒng)中，采用了調(diào)試用計(jì)算機(jī)、硬件電路、斷路器原理樣機(jī)等模塊。測(cè)試結(jié)果顯示，合閘過程所用時(shí)間為19.40ms，動(dòng)靜觸頭運(yùn)動(dòng)距離為10.25mm，永磁體運(yùn)動(dòng)距離為14.71mm，動(dòng)靜觸頭接觸速度為0.99m/s，在動(dòng)靜觸頭接觸前10ms的時(shí)間內(nèi)，平均速度在0.8m/s以上。在分閘過程中，動(dòng)靜觸頭分離時(shí)間為19.50ms，永磁體和動(dòng)觸頭可動(dòng)部件碰撞速度為1.3m/s，永磁體在37.8ms時(shí)運(yùn)動(dòng)到最下端，完成分閘動(dòng)作。這一過程中，可動(dòng)部件的平均運(yùn)動(dòng)速度在0.6m/s以上。

4 結(jié)論

在電氣線路控制系統(tǒng)當(dāng)中，斷路器作為一種重要的電氣設(shè)備，對(duì)線路的開斷、關(guān)合進(jìn)行控制，其性能會(huì)對(duì)線路及線路中的電氣設(shè)備產(chǎn)生直接影響。在斷路器當(dāng)中，操作機(jī)構(gòu)的性能，往往決定了斷路器的性能?；诖?，本文對(duì)新型永磁驅(qū)動(dòng)操作結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，分析了操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)，同時(shí)分析了其控制聯(lián)調(diào)的實(shí)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(xué)本科，助理工程師，研究方向：電氣控制。