真空断路器永磁机构设计和中压开关智能化.pdf

华北电力大学（北京） 硕士学位论文 真空断路器永磁机构设计和中压开关智能化 姓名：高丽 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：秦立军 20040514 摘要 永磁操动机构一种新型的真空断路器操动机构，该机构具有可靠性高、零 部件少、免维护等优点。本文从永磁材料和永磁操动机构的特性出发，讨论几 种永磁操动机构的结构和工作原理，并对其静态、动态特性进行分析，提出了 合理选择永磁操动机构的总体思路。在永磁操动机构控制系统的设计部分，文 中重点介绍了控制系统的电磁兼容性问题。中压断路器自动监测和中压断路器 智能操作是中压开关智能化的主要内容，其中着重分析了中压断路器同步操作 技术。 关键词: 真空断路器，永磁操动机构，智能化 abs tract p e r ma n e n t ma g n e t i c a c t u a t o r ( p ma ) i s a n e w t y p e o f a c t u a t o r f o r v a c u u m c i r c u i t b r e a k e r ( v c b ) . h i g h e r r e l i a b l e , l e s s o f p a r t s a n d m a i n t e n a n c e - f r e e a r e t h e n o t a b l e c h a r a c t e r i s t i c s o f p m a . s t a r t i n g f r o m t h e c h a r a c t e r i s t i c o f p e r m a n e n t m a g n e t i c m a t e r i a l a n d p ma， s e v e r a l k i n d s o f s t r u c t u r e a n d o p e r a t i o n a l p r i n c i p l e o f p e r m a n e n t m a g n e t i c a c t u a t o r a r e d i s c u s s e d . t h r o u g h t h e a n a l y s i s o f p ma s t a t i c a n d d y n a m i c b e h a v i o r s , t h e m e t h o d o f c h o o s i n g p ma r e a s o n a b l y i s p r e s e n t e d . d u r i n g t h e p r o c e s s o f d e s i g n i n g p ma c o n t r o l s y s t e m , t h e e l e c t r o ma g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( e mc ) p r o b l e m i s t h e f o c u s . t h e a u t o m a t i c m o n i t o r i n g a n d i n t e l l i g e n t o p e r a t i o n o f v c b i s ma i n c o n t e n t o f i n t e l l i g e n c e m e d i u m v o l t a g e s w i t c h g e a r g a o l i ( e l e c t r i c p o w e r s y s t e m a n d i t s a u t o ma t i z a t i o n ) d i r e c t e d b y p r o f , q i n l i - j u n k e y wo r d s : v a c u u m c i r c u i t b r e a k e r , p e r m a n e n t m a g n e t i c a c t u a t o r ， i n t e ll i g e n t 华北电力大学硕士学位论文 第一章:绪论 从国际、国内断路器的故障统计数字来看，机械故障占大多数 门 ，为进一步提 高断路器的可靠性，满足当今社会对高质量、高可靠性开关产品的需求，有必要突 破传统意义上的操动机构动作原理，研制新型的断路器操动机构。永磁机构是一种 简单、安 全可靠且能与真空开关的出 力特性良 好匹 配的真空断路器操动机构e ) ， 它 的使用对实现真空断路器的免维护，对提高整个电网的安全可靠性都具有重要意 义。 在配电网自动化系统、变电站综合自 动化系统日益普及的同时，越来越多地， 电力系统对中压开关本身的智能化也提出更高的期望。而计算机控制技术、微电子 技术、电力电子技术、信息技术、传感器技术以及网络通讯技术的快速发展，为中 压开关的智能化提供了可能。 1 .， 目前中压断路器操动技术的现状 在断路器发展的不同阶段，占主导地位的操动机构形式有所不同。真空断路器 与其它型式在断路器例如空气断路器、油断路器和s f 6 断路器的动作特性有很大差 异。真空断路器的行程很小，而由于对接式触头合闸保持力大。因此，机构必须保 证在开关合闸到位时，提供足够大在力来克服触头压力，而且不允许发生断路器合 不上或出现严重的触头弹跳。 目前在中压断路器中广泛使用的操动机构主要有电磁操动机构和弹簧操动机 构。 早期设计的真空开关的机构为直流电磁操动机构 ( 以下简称为电磁机构) ，电 磁机在构开关合闸时，螺管式电磁铁逐渐接近端面，产生的吸力会增加，这样就与 真空断路器的机械特性相匹配，但它仍需要一个机械锁扣，使断路器保持在合闸 位 置上。并且.其需要一个较大的直流电源。电磁机构直接利用电能，通过直流螺管 线圈或电动机将电能转换为机械能，储能装置为一只或一组弹簧，在合闸时吸收动 力装置的一部分机械功并转化为弹簧的位能。分闸时，由弹簧释放位能实现断路器 分闸的目的。电磁操动机构的优点是结构简单、工作可靠、制造成本较低，缺点是 合闸线圈消耗的功率太大.因而用户需配备价格昂贵的蓄电池组。为了获得较大的 电动操作力，需要较大的电磁铁和电源以及较大截面的电缆。电磁操动机构在真空 断路器发展初期得到了广泛的应用，这是由于电磁操动机构能够较好地迎合了真空 灭弧室的行程短和在合闸位置需要较大的保持力的要求。然而，采用电磁操动机构 来提高真空断路器的合闸速度是有限的。 另外， 直流电磁操动机构的合闸时间较长， 电源电压的波动对合闸速度的影响较大。 弹簧操动机构的与电磁操动机构有很大不同。 弹簧操动机构的关键部件为合 闸弹簧和分闸弹簧。弹簧储能通常采用手动或小功率电动机通过减速装置来完成， 它将电动机的机械功在短时间内储存在合闸弹簧中，然后将合闸弹簧中的能量释放 1 华北电力大学硕士学位论文 进行合闸，同时，分闸弹簧储能，提前储备分闸动力。弹簧操动机构工作特性受外 界影响的因素较少，要求电源的容量小，交、直流电源都可用，暂时失去电源仍能 操作一次。 弹簧操动机构的合闸功不受电源电压影响， 既能够获得较高的合闸速度， 又能实现快速自 动重合闸操作。但弹簧操动机构结构复杂，故障率较高，运动部件 多，制造工艺、加工精度要求高( x l 1 . 2 永磁操动机构的发展、现状和优点 永磁操动机构技术是二十世纪世界最新技术，它采用全新的工作原理和结构， 通过将电磁铁和永磁铁相结合，实现传统断路器操动机构的全部功能，并在一定程 度上实现了智能化。永磁操动机构工作时运动部件很少，零件总数比弹簧操动机构 大大减少。在结构上与传统断路器操动机构的最大区别在于无需脱扣、锁扣装置即 可实现机构终端位置的保持功能，是一种传统观念的突破，从而可使断路器可靠性 大大提高。同时，所需的操作电能非常小，并可实现免维护运行。 在中压断路器领域，国外永磁操动机构技术的研究开始于八十年代末。欧洲以 英国 和德国 为代表。1 9 8 9 年英国 曼 彻斯特大学( t h e u n i v e r s i t y o f m a n c h e s t e r) 系统与能量组为g e c 公司设计了一台永磁操动机构模型。 1 9 9 2 年前后永磁操动技术 开始在英国工业应用。1 9 9 5 年英国的w h i p p 元 为边界法向方向的单位向量。 采用二维二维场域计算时，a 和j 均为只有一个方向的分量。 3 . 2 永久磁体模型的处理 由于机构中存在永磁体，永磁体提供机构保持在分闸或合闸位置所需的动力， 进行磁场分析计算首先要建立永磁体的数学摸型。 ( 1 ) 经预先磁化的永磁体，不但具有剩余磁化强度m ，而且还能被外磁场磁化， 其特性满足: b=p“ ( h + 后)二 n ( 万+ 见+ 厉 )( 3 - 4 ) 式中厅一一永磁体工作点的磁场强度: b 一一永磁体工作点的磁感应强度; m 一一永磁体的感应强度，是永磁体工作点磁场强度的函数，即 m = x h 式中x 一一永磁体磁化系数，它与相对回复磁导率产之间存在固定关系: , , = 1 + x 。将式代入式得 b = ,u , ,w “ 厅 + ,u众( 3 - 5 ) ( 2 ) 电流与磁场的基本关系表明，任何磁场都可以认为是分布电流产生的。由于 永磁操动机构中永磁体被均匀磁化， 永磁体内部各点上的剩余磁化强度m的大小及 方向都相同，永磁体内的等效体电流密度为零，因此，永磁体可等效为一个在平行 于m的永磁体侧面上，存在一层等效面电流的电磁铁，如下图所示 。 。 图 3 . 1 等效面电流可用面电流密度j来表示: 华北电力大学硕士学位论文 j = 竺竺 二( 3 - 6 ) 式中n 为永磁体侧面外法向 单位向 量;产 。 为真空磁导率。 在模拟永磁体的等效面电流层与其他媒质的交界处，满足以下交界条件: ( 1 丽、 一(i丽丫 一 一 =j , 气 ,u z a fi j l f t 2 a n 计算前，令等效的面电流密度j= h ( h , 为永磁体磁感应强度矫顽力) 3 .3电磁力的理论推导 麦克斯韦公式是一般公式，可适用于任何电磁铁中电磁吸力的计算。若将积分 表面取为紧贴衔铁表面，则利用麦克斯韦公式可计算作用于衔铁表面的应力。如果 铁心不饱和，其导磁率远大于空气的导磁率，根据麦克斯韦公式，对于稳态或缓变 磁场作用于真空 ( 或空气)介质中任一单位表面积上的电磁应力 ( 即沿磁力线方向 的张力和在磁力线垂直方向的压力，在磁力线方向，这些力趋向于缩短物体间的距 离，而在横向则趋向于把物体挤开)为: ， = 与f? -.9 ) ,to 云 _ 止 b n 2 f t o ， 二 p d s = 1 伽 二尸。 丁 l b ) b 一 与an 2 磁场对某一物体的作用力，可以通过计算包围该物体的任一封闭表面s 上应力 p 的面积分而得到，式中 b 电 磁感应强度矢量 元 一一包围衔铁的积分曲面的单位法向量 s 一一包围衔铁的积分曲面 用有限元法计算出b 的离散值，然后分别计算出积分路径中每个三角形元素中 的作用力，最后迭加之。 其中b 和元 可表示为如下形式: b = b , i + b , j n = n , i + n , j 故而，麦克斯韦公式相应可作如下变换: f 二 j p d s 二 ( o -b ) 一 i b fjds ( b x i + 匀) ， n x i ( b ti + b yi l - 工 t 一一时间变量; u c 一一电容两端的电压; 1 一一通过线圈的电流; r 一一线圈的电阻，其值随线圈温度变化， 运动过程中可以忽略不计; x 一一动铁心的位移; v 一一动铁心的移动速度; f 一一动铁心受到的电磁吸力和永磁吸力的合力; 华北电力大学硕士学位论文 f 一一动铁心受到的运动反力，是位移x的函数; m 一一机构系统运动部件归算到铁心处的质量; c 一一电容的电容量; 求解式( 4 - 1 ) 的目 标在于求解通过线圈的磁链t， 而式中的变量 i , f 是在u c , r , c , m以及 f都是给定的条件下w, x的函数。因此，其求解问题变成了在已知 磁系统的磁链w和给定衔铁位移 x的条件下，反求线圈电流 i 、电磁吸力和永磁吸 力合力f 的问题。对于这样只有一个电磁场反求问题，由于t与 i 之间无明确的数 学表达式，因而无法用解析的方法求解，只能用数值分析解法来求解。因此求解该 方程式必须经过一系列的迭代，通过逼近法来求出电流的近似值。但这种算法需要 多次迭代，需要的运算量非常大，所以本文采取一种新型计算永磁和电磁共同作用 时的动态特性的求法 引入变量 m ; . ， _w一恻a 奋 q二 二 i ( 4 - 2 ) 式中41 为线圈电流为零时通过线圈的磁链。 即动铁心在当前位置， 线圈电流为 零时永磁产生的穿过线圈的磁链。上式可改写为: 梦二梦， +1 肛 根据全微分定理，可得: d w= d ql + i d m + m d i 乎d y r _ ， n 二伯 式- = u 。 一 i r可得 一d t + m 竺= u - ir 即一dtdi一dt 二 ( u 。 一 i r一 a 了 、 . ， -) / m d t ( 4 - 3 ) 动态特征微分方程组表达为: ( u , 一 i r一 v =b ( v ) d 材, ， ， ) / m d t = a ( u c , i , x ) d u c ( 4 - 4 ) -一- di-dt去-dtdy一dt dtdt一dt i le- 0 = 0 ，v l,-0 = v o = 0 ，x i,= o = x o = 0 ，u = o = u o 式中:孕 访 一一一动铁心在当前位置， 线圈电流为零时永磁产生的穿过线圈的磁 链 。 华北电力大学硕士学位论文 m 一一一通过线圈的磁链变化值和电流的比值。可理解为线圈的等效电 感值。单位为:亨 4 . 2永磁操动机构动态特性微分方程组的求解 式 ( 4 - 4 )可以直接用数值法求解。将时间变量 t离散化，用四阶龙格库塔 ( r n u g e - i ( u t t o )法求解， t = 王 i + - ( j i + 2 j 2 + 对每一时间步长at 采用如下的迭代格式 2 j 3 + j 4 ) t ， ， ， x +吸 八! 十 6 - 2 k2 + 2 k 3 + k 4 ) ( 4 - 5 ) v i十 言 ( l i + 2 l 2 + 2 l 3 + l 4 ) ( 4 - 5 ) + 刀vl 跳 十 。 = u ; + 竺( n ， 十 2 n 2 + 2 n 3 + n 4 ) 6 - t , + i =t i + t 关 、 龙 、 与 和州产 1 , 2 , 3 , 4 ) 是 4 t 内 四 个 不 同 点 上 的 变 化 率 兰 d t d x d v d u c 、一、 d t d t d t 它们的计算公式为 r了 、 = a (u , ii, x . j 2 = ， (二 ， 誓 m , ii + a t j 1，二 z t k i) j 3 = a ( u c + 竺 m 2 , i + 竺 j 2 , : 十 竺 k 2) 222 j 4 = a ( u a + a i ms , i, + a u 3 ， 二 + a t k 3 ) l t = c ( x i, i i) l2 = l3 = c 一 + 誓 k i, i + 警 j i) c (x, + 警 k 2, u + 警 j z) l a = c ( x , + 4 t k 3 , i i + 4u3) k ; 二 b ( v ,) k 2 = b ( v 十 a t l ,) 2 : : = b ( v 十 竺l 2) 2 k a = b ( 二 + a i l 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 ni = d ( i , ) n z 一 d ( ; 十 4 t j i) 2 n s 一 。 ( i, + a t-了 :) 2 na =d ( i , + o t j i ) 4 . 3永磁操动机构动态过程分析 无论是分闸操作还是合闸操作，整个动态过程可分为两个阶段。由于两个阶段 的受力情况不同，所以他们的动态方程也不一样。 第一阶段为，激磁线圈电流由零逐渐变大，当运动铁心受大的电磁力小于机构 反力时，动铁心受到的电磁力、机构反力和动铁心的支持力合力为零，动铁心不运 动，此时的动态方程为: d i , 。 d v o = w一 “、一 - f d td t 竺= 0 d t d v = 。 d t 动 叼, 、 ， -) / m dt d 乙 c ( 4 - 6 ) i l,= o = 0 ，叫 t= o = 0 ，x 1，一 。 = x o ，u l,= o = u o 第二个阶段为，当激磁线圈的电流变大到产生的电磁力大于机构反力时，动铁 心开始运动，并且一直运动到终点位置，这个过程即为第二个阶段。设当电磁力和 机构反力合力为零时:t = t , z=1,义 戒， ，这个过程的动态方程为; d v o : 动 1 1 、 ， : ， = i u c一 以、一 一一 )j上 以 d t d t 二 v f一 .f 朋 ( 4 - 7 ) di-dt众-dtdv-dt i c 1 : i i ，v i-i = 0x ll = , i “ x 0 ，ul 二 ， = ul 竺改“.改柯 华北电力大学硕士学位论文 4 . 4设计合理的永磁机构 设计合理的永磁机构实质上主要是选择具有合理的保持力和动铁芯运动速度 的永磁机构， 也就是选择科学合理的永磁机构参数。在永磁机构内部存在着两种力， 一是动铁芯在两个稳态位置时所需要的保持力， 这个力使断路器不论在任何工作状 况f 都保持稳定状态; 另一是由通电线圈产生的磁场和永久磁铁产生的磁场合成所 产生的力， 这个力控制动铁芯从分闸( 合闸)位置运动到合闸( 分闸)位置， 以及动 铁芯的运动速度。图1是动铁芯行程为l ， 两端保持力为f的永磁机构内部永久磁 力分布图。可以看出， 动铁芯只有在分闸或合闸位置时才能受到最大的力( 保持 力)。一但动铁芯离开顶点位置， 其受力就迅速衰减， 因此所选择的保持力既不宜过 大 也 不 能 偏 小 。 p 7(xl 永磁操动系统机械特性除应与负载特性相匹配外，还应满足真空灭弧室对合闸 速度和分闸速度特性的要求。 真空断路器触头的合闸速度必须满足两个相互矛盾的要求。较高的合闸速度可 以减小触头的合闸前预击穿，减小触头的磨损量;但从降低机械应力和冲击的角度 出发，合闸速度不宜过高。理想的合闸速度应在尽量同时满足这两个要求的基础上 折 中 取 舍 。 1盛 几吞li t + h 翻卜山 八u 图 4 - 2触头最佳分闸位移曲线 真空灭弧室在开断短路电流时有一最佳开距， 开断电流只有在此间隙区间过零 刁 能充分发挥灭弧室的开断能力。图4 - 2 为满足这一要求的动触头最佳分闸位移曲 线。这个曲线要求操动机构能提供较高的刚分速度以缩短燃弧时间， 使触头开距快 速运动到 l , ，然后以低速运动到 l r ，使短路电流在此区间过零 最后再达到最终 开距 l .。 若要获得永磁操动机构输出一个良 好的合闸特性， 只要合闸线圈能在合闸运动 过程的前半程获得一个可以抵消负载力的脉冲电能， 动铁心在后半程的运动过程中 就可以在负载力的帮助下运动到合闸位置。在保证阻尼振荡的前提下， 储能电容的 充电电压也不必很高。如需要较高的合闸末速度， 可以适当增加储能电容器的容量， 以减缓合闸线圈的电流递增和衰减速度， 以使动铁心在合闸末期仍能得到充足的电 华北电力大学硕士学位论文 磁吸力。 为获得较高的刚分速度， 储能电容器的容量应适当小一些， 充电电压最好高一 点， 以得到一个快速上升的线圈电流。但如果电容器的容量太小， 线圈电流在快速升 至峰值后又迅速衰减， 动铁心有可能不能持续获得足够大的驱动力而卡在运动中 途。电容器的容量应当适宜， 对任一给定的永磁系统: 都有一最佳匹配值。电容器的 放电电流应使触头恰巧在 t , 后不久就运动到图4 - 2 的l . 点， 随后电磁吸力随电流衰 减而下降， 以减缓分闸速度， 从而保证触头按最佳分闸位移曲线运动。根据分析结果 可以看出， 为与真空灭弧室所需的分闸和合闸速度相匹配， 合闸和分闸需要的输出 吸力特性不同， 这可通过各自配以不同容量的储能电容来实现。 4 . 5本章小结 在本章中首先建立了电容放电激磁永磁操动机构动态特性计算的数学模型，采用 四阶龙格库塔法求解永磁操动机构的动态微分方程组。通过对永磁机构动态模型的 建立和动态过程的分析，提供了合理选择的永磁机构的方法。 华北电力大学硕士学位论文 第五章 永磁操动机构的控制系统 由于永磁操动机构独特的操动和保持原理，所以其控制部分也有很大的区别。 永磁机构的控制系统接受光电信号，并通过逻辑判断最终给出指令控制操动机构动 作，其性能的好坏直接关系到整个断路器的性能。它可采用电子控制，以实现真空 断路器的所有功能，同时还可具有智能化功能，可融合在线检测技术等来最大限度 地体现永磁机构的优越性。电子控制技术是伴随电力半导体技术的发展而产生的， 它由电子装置代替了以往的控制继电器来实现所需的逻辑功能。国内目前已经发展 了用来控制永磁操动机构的电子技术，原先的触点开关被电力电子开关所替代。由 于电力电子器件的导通和关断时间较继电器来说要短得多，且不存在有触点电器的 电弧和灭弧问题，所以具有工作寿命长、响应时间短的特点。同时，在重量和体积 上具有简单轻巧的特点。1习 首先，永磁操动机构控制装置的电源一般由电容器组成，因此，与一般断路器 相比，它的控制部分多一个电容器充电控制环节，用来稳定电容的电压值，保证整 个系统性能的稳定性。其次，永磁操动机构无脱扣装置，断路器的分、合闸动作完 全靠给分、合闸线圈通电来完成。电容器组作为永磁机构内分、合闸线圈动作的电 源，其充、放电过程由逻辑部分来控制。互感器主要有电流互感器和电压互感器。 逻辑分析判断部分是实现断路器控制的关键，它通过对断路器智能化测控单元输入 电压量、输入电流量的分析判断来识别线路过电流、短路、欠电压等故障情况，发 出控制指令由永磁操动机构的执行机构来完成动作。 与 此同 时，由 于采用了 微电 子技术，电 子电 路易受到 外界环境的 干扰， 特别 是在永磁机构分合闸线圈或周围线路中有大电流流过时， 会产生较大的电磁千扰， 可能影响控制电路的正常工作。 为此，采取有效的抗干扰措施，加强电子电路工 作的可靠性是必不可少的，否则会引起真空断路器控制部分的逻辑混乱，造成误动 作。因此， 在电路板的设计上，应该预先考虑电 磁兼容的问题，遵循有关的设计原 则。在电子器件选择上，选用抗千扰性能更强的光控晶闸管等。同时，在设计中考 虑比较完备的屏蔽措施。为进一步提高电子控制的可靠性，考虑以可编程逻辑器件 ( c p l d )为核心，并加入过流、失压保护跳闸以 及操动机构的自 诊断等功能来实现 对永磁操动机构的智能控制。 控制系统的另外一个特点是，取消了传统的真空断路器与操动机构之间的绝缘 拉杆，采用新型电源系统，在真空断路器内部解决操动能源问题，并可设计光纤接 口，通过传递光纤信号来发出分合闸操作的命令，同时，真空断路器内部的各种参 数亦通过光纤信号等方式传输到低电位端，便于远方采集和控制。 5 . 1控制系统的硬件结构 随着微机技术的迅猛发展，c p u技术以深入渗透的了各个领域，微机控制技术 2 3 华北电力大学硕士学位论文 得到了广泛的应用。微机控制技术基于模拟和数字技术通过编程利用c p u 来采集、 处理外界信号。 图5 - 1控制系统的硬件结构框图 永磁操动机构的控制系统硬件结构框图如图5 - 1 所示，系统的主控单元，结合 各外围电路实现对机构的控制。控制系统的各个功能单元的主要任务如下: 充电单元:当电容器组电压小于规定值时对电容进行整流稳压限流充电，一直 到电容电压达到额定值，并应具有过电压保护。由于进行分、合闸操作时激磁电流 可能达到几十安培，所以必须选用大容量电容，从而实现瞬间放电。电容储存的能 量必须能够完成一次分一合分一合分操作。电容电压的检测可采用a i d 转换或采用 v i f变换等方法进行数据采集，两种方法相比，后者的抗干扰能力更强，容易实现 远距离传输。 执行单元:实现对分、合闸线圈的放电，以产生激磁电流使操动机构动作，从 而完成断路器的分、合闸操作。 单片机处理器主控单元、检测单元、键盘、显示、人机接口单元与通信单元等 共同组成控制器的测控系统。c 3 c l 4 ( is ( lti 5 ，2 永磁机构控制器的设计 作为永磁机构的重要组成部分的电源控制器，在设计中有四个主要问题需要解 决。 ( 1 ) 永磁机构电 源方案设计: ( 2 ) 永磁机构控制器测控系统的设计与开关分、 合闸状态的检测:( 3 )永磁机构真空断路器的分、合闸线圈操作单元; 4 )永磁机 构控制器的电磁兼容性。基于上述问题，下面对永磁机构中的电源控制器的设计特 点进行探讨。 华北电力大学硕士学位论文 5 . 2 . 1 永磁机构电源设计方案的探讨 给永磁机构中的分、合闸线圈通电，从而产生电磁吸力即可驱动铁心运动，而 且必须达到一定的励磁安匝数，才能满足真空断路器的分、合闸速度要求。而要在 较短的时间内获得较大的脉动电流，为电源的经济性，缩小电源体积，必须提高电 源的工作效率。 要想在较短的时间内获得较大的脉动电流，目前有两种方案可供选择。其一是 采用电容器;其二是采用蓄电池。这两种方案均可获得较为满意的结果。 然而，蓄电池作为电源需要考虑诸如过充电、过放电等问题，充电线路及保护 电路较为复杂。， 用电容器作为电源与可充电蓄电池电源相比，具有许多潜在的优点。例如电容 器的充电时间较短，可采用具有滤波或非滤波、稳压或非稳压的直流输出的任何一 种常规电源装置对其充电。因不必考虑充电过量的危险，所以不要对精确的充电电 流和充电时间进行监视。电容器的充、放电周期几乎是无限的。电容器作为电源， 在使用中 不存在化学污染或电极氧化问题，可以经受无数次短路，并可放电至任 意电平都不会受损坏。除此之外，电容器还可以很容易地并联使用，而不会产生并 联电池之间的偏置电流那样的侧流效应问题。因此，户内永磁机构中的电源设计最 经济的方法是采用电容器放电的方式。对于户外柱上真空断路器，由于现场电源不 易解决，一般采用蓄电池等其他方式。 作为给电容器充电的电源，必须考虑电容器的耐压，考虑实际分、合闸操作时 控制器所需的电源电压。户内永磁机构中电源实际使用的电压大多为d c 1 0 0 v 左右， 因而必须保证为电容器充电的电源输出电压为 d c 1 0 0 v。开关电源在设计电源方案 时均考虑了电源行业标准，除体积小、效率高、稳压范围宽、稳压精度高、纹波小 等优点，在动态负载特性和电磁兼容性两方面更具有特色和优势。 因此，户内永磁机构中的电源最经济、最安全、最可靠的方法是采用开关电源 为电容器充电，而后采用电容器放电的方式。 电容器上充以恒定的 d c 1 0 0 v操作电压，可为操动机构的分、合闸线圈励磁提 供所需的脉冲电能。它能储存完成一个完整分一 合分操作循环的低于2 5 0 j 电能。当 这样的一个操作循环结束后，电容器组在不足 2 0 s内以 2 a的峰值电流重新充电。 因此，若辅助电源发生故障。储能铝电解质电容器事先储好的电能可确保开断操作 能进行一个完整的分一 合分操作循环。现代的铝电解质电容器具有很高的质量及相 当长的寿命。即使在相对较高的运行温度 5 5 时， 其运行寿命仍可达到 1 0 年以上。 5 . 2 . 2永磁机构真空断路器控制器测控单元的设计与开关分、合闸状态的检测 5 . 2 . 2 . 1 控制器的测控系统 中压断路器智能化测控系统， 通过测量母线电压、 回路电流、 功率、 功率因数、 有功、无功电度、电网频率，完成过载、短路、不平衡、电机启动、单相接地、过 2 5 华北电力大学硕士学位论文 压、欠压等保护，提供过负荷和单相接地报警，可对断路器进行就地和远方控制， 并将各种信息显示出来，利用通信接口 和上位机通信，为变电站无人值守做好准备 1测控系统的硬件设计 硬件电路是实现该单元功能的基础，整个单元的硬件结构框图如图所示。 上位机 图 5 - 2 测控系统硬件结构框图 根据框图可以把测控系统分成以下几部分; 微处理器工作系统，或单片机处理器主控单元 它是系统的中央处理单元，是整个监控单元的核心，包括有 8 0 9 8单片机、程 序存储器 ( r o m ) 、数据存储器 ( r a m )以及程序存储器 ( e p r o m ) 。该部分对采集到 的断路器的各种信息进行分析处理，其主要功能是利用其他各个单元获得的各种数 据，经过逻辑运算和判断后，输出各种指令，以完成各种保护和计量功能，存储系 统的一些重要参数，并把获得的系统的运行状况储存起来，以备查询或定期上传， 同时和上位机通讯，以进行信息交换。对主控单元的基本要求是运行可靠、抗干扰 能力强并具有数据掉电保护功能。 模拟量输入部分 它的功能是将各种模拟信号 ( 包括电压、电流) 进行预处理， 使之成为能被a / d 转换器接受的信号，完成对断路器状态的检测和各种故障信号的实时采集。它的结 构图如图 5 . 3 所示。 华北电力大学硕士学位论文 功 !11|， 多路选择开 采祥欢保特 增益调节 模拟址 低通撼波 模拟盘 翰人变换 模拟童 图 5 - 3 单元所需要测量的电压、电流经电压、电流互感器、电平转换、低通滤波器、 采样保持器和模数转换器后进入最小工作系统。 人机接口单元 人机接口单元负责完成向系统输入保护定值、充电电压定值、分合闸命令等， 并通过显示屏反映系统运行状态。开关量输入、输出部分的功能是对各种开关状态 进行检测，如继电器、断路器状态、定值拔盘、键盘等，并输出断路器的各种控制 信号。这部分同开关量输入、输出电路、键盘电路以及手动控制电路组成。其中开 关量输入、输出电路须采用光电隔离电路以提高抗干扰能力。 l c d 信息显示部分 它是测控单元的人机对话界面，通过它可以方便地了解断路器的各种信息。该 部分采用液晶显示器，它具有显示容量大，与外部接口容易等优点。 通信单元 通信单元实现单片机系统和 p c 机等的通讯。通信接口是与上位机的联系通道。 通过它测控单元可接受上位机下发的各种指令，并将断路器的各种信息发送给上位 机。 2测控系统的软件设计 对于微机测控单元而言，不仅需要良 好的硬件作为基础，而且需要完善的软件 对其进行保障，以增强硬件系统的功能。 由于测控系统是对断路器进行直接控制和保护的，所以对实时性和可靠性的要 求都比较高。如果软件采用传统的顺序执行结构，很难满足其实时性的要求同时又 会降低整个控制系统的可靠性。为了更好地实现测控系统的各种功能，测控系统的 软件须采用多任务不同优先级控制的设计思想。该设计思想的核心就是将测量、保 护、显示等子功能划分成优先级不同的任务，并按照任务优先级的不同来决定执行 任务的次序。 系统根据预先设定的任务的优先级从任务队列中取出优先级最高的任务并暂停处 于运行态的任务。进行任务切换时，处于运行态的任务可能未执行完，因此，必须 a 7 华北电力大学硕士学位论文 对其进行现场保护。任务处理的程序框图如图5 - 4 所示。 图 5 - 4 根据单元的功能可以划分以下几个任务: ( 1 ) a / d采样任务:( 2 )串行口 通讯 任务;( 3 )保护任务;( 4 ) 计量任务; ( 5 ) 通讯数据准备任务:( 6 ) 键盘响应任务; ( 7 )液晶显示任务;( 8 )开关量读入;等。这些任务的优先级按照单元功能的要 求按以上顺序排列，在前的任务优先级高。 多个断路器及相应的测控系统构成整个电站的测控系统。中央计算机通常为一 台或几台微机，它通过串行通讯线路和各测控单元进行通讯，取得断路器的各种信 息，并下发各种指令。操作人员只需通过中央计算机便可知道处个断路器的工作状 况，并对断路器进行控制，从而实现变电站的无人值守。 5 . 2 . 2 . 2 开关分、合闸状态的检测 永磁机构真空断路器必须保证可靠地处于分、合闸位置，决不允许出现其它诸 2 8 华北电力大学硕士学位论文 如中间状态等故障位置， 一旦出现故障位置， 应及时报警。同时， 永磁机构中的分、 合闸线圈受电励磁，产生电磁吸力驱动动铁心运动到达分、合闸位置后，为避免热 损耗及电源损耗，应及时断电。而控制器必须确定真空断路器己可靠位于分闸或合 闸位置方能切断分闸或合闸线圈电流，这就需要对开关的分、合闸状态进行检测。 如果用传统的有触点辅助开关，则由于污染现象、触头氧化现象，经常会使辅 助开关触头接触不良，甚至失效。 a b b 集团所属的c a l o r - e m a g 公司己使用感应式传 感器取代传统的辅助开关【 ie 1 r s 7 z z 感应式传感器的原理图如5 - 5 所示。 图5 - 5 感应式传感器 l . 操作面 2 . 动作范围 3 . l c 振荡回路4 . 脉冲形成级 5 . 输出( 带 l e d ) 6 . 壳 体 ( 外部有 m 1 2 螺纹) 感应式传感器的基本工作原理是根据导电材料中涡流损失引起谐振回路品质 因数 q值下降，导致振荡衰减而设计的。由于 l c振荡回路产生的高频交变电场， 在传感器的操作面处呈现较强， 此时如果有一导电材料 ( 被测运动体) 接近操作面， 由于高频电场在导电材料内产生涡流， 消耗了振荡回路的能量， 而使振荡幅值减小; 送入后面脉冲形成级后，脉冲形成级根据输入振荡幅值大小，产生控制脉冲，输入 晶体管驱动级，在晶体管驱动级产生一个 1 0 - 3 0 v的信号。装在传感器内的发光二 极管显示受控状态，在另一端面，利用一根三芯聚氟脂绝缘导线提供工作电压，并 获得被测信号。 通过适当选择操作面位置，传感器就能很精确地检测操作位置。由于这种传感 器密封在壳体内，重污秽、腐蚀、高温、外磁场等环境变化不会影响感应式传感器 的性能;由于无触头，也避免了因表面腐蚀、烧损所导致的接触不良。该传感器不 会发生触头融焊，也不受电压击穿或振动的影响。另外，由于传感器体积小，且带 外螺纹，所以安装极为方便。增加安置感应式传感器的数目，可以增加观察的物理 量 2 9 华北电力大学硕士学位论文 当接收到来自手动、自动控制模块的分、合闸命令时，送至 c p u ，则逻辑控制 器会根据分、合闸位置采样模块发出的高、低电平，自 动检测此时真空断路器所处 的位置是分闸位置还是合闸位置，以决定是否执行分、合闸命令。若分、合闸命令 同时接收到，则c p u 模块会通过逻辑控制器及时闭锁合闸命令而响应分闸命令;若 电网一次侧电源监测回路监测到过电流或过电压、欠电压信号，c p u模块亦会通过 逻辑控制器及时闭锁合闸命令和分闸命令。 一旦确定真空断路器己可靠地位于分闸或合闸位置，即通过控制器及相应的逻 辑电路切断分闸或合闸线圈电流，同时向控制台发出分、合闸位置指示信号:如果 传感器探测出不允许的中间位置，例如未能达到极限位置，亦会向控制台发出警示 信号，同时锁定分、合闸信号，这样可避免造成更大的损失。 5 . 3控制系统的可靠性 5 3 .1 电磁兼容性 电子操动的控制系统涉及微电子器件，工作电压和信号传递电平低，耐压水平 低，外界电磁场干扰很容易使其失效或损坏。电磁干扰产生于干扰源，它是一种来 自外部的并有损于有用信号的电磁现象。过去，机电设备和系统通常对电磁干扰 ( 即:静电、传导的电气干扰和辐射电磁场的干扰)不敏感，这些敏感问题的起因 大多数是 “ 低颁”现象，如谐波和电压中断，电磁干扰对于传统开关电器的影响是 不大的，而电子元件和设备对电磁干扰较敏感，必须采取多种形式和措施加以限制 和解决，否则就会因电磁干扰而引起系统的误动作或损坏，造成直接或简洁经济损 失，因此，电磁兼容的电子操动系统要添加的重要实验项目。电磁兼容是以研究和 解决电磁干扰而迅速发展起来的一个技术领域。电磁兼容的基本任务是协调干扰发 射者和千扰敏感者之间的关系，使其 “ 兼容” 。在一个电磁兼容系统中，我们可以 把发射电磁能的元件作为千扰源，而把我们的应用电子装置看作为可能接收不希望 的电磁能的元件。这里强调接收不希望的电磁能是区别通讯领域需要接收有选择的 发射台信号。 3 3 了 从应用的角度来看，电磁兼容研究有以下的主要内容: 1 、电磁干扰现象的研究:包括产生原因、机理、干扰特性、传播方式、对敏 感设备的祸合途径等。 2 、电磁兼容性能测试和模拟技术的研究:包括现场实测、实验室模拟试验、 设备的抗干扰试验、设备的电磁发射测试等。 3 、电磁兼容性设计研究:研究各种抑制干扰的措施。就智能开关电器来讲， 包括一次系统和二次回路设计施工中的措施、二次设备的抗干扰措施等。 4 、电磁兼容规范、标准的研究:包括电磁环境的评估，设备的电磁发射标准 和抗干扰标准，一次和二次设备的安装施工、设计规范等。 无论在技术或实践上，电磁兼容都是一个非常综合性的工作。对于智能化开关 来讲，电磁兼容问题具体包括三个方面的工作:干扰源分析;祸合机理与滤波;电 3 o 华北电力大学硕士学位论文 磁屏蔽等抗干扰措施。它要求在产品的研制、一次系统和二次回路的工程设计、安 装施工和运行、维护各方面的共同努力和相互协调，才能达到电磁兼容的目的。另 一方面，我们还要做好电磁兼容的基础理论工作，并通过试验研究制订出各项技术 标准、规范、导则和试验方法，把e m c 工作放在科学的基础上。 如今，电子元器件和设备的使用，使其对这些干扰更加敏感，尤其是 “ 高频” 和 “ 瞬态” 现象。电子元器件和设备的极大推广使用，大大提高了因电气和电磁的 干扰而引起的误动作、损坏等的危险性，使得电磁兼容的研究变得越来越重要。因 此，电磁兼容性的考核对作为永磁机构中的重要组成部分的电源控制器是必不可少 的。国际电工委员会 1 9 9 0 年发布了工 e c 1 0 0 0 - 4 电气与电子设备的电磁兼容性的 实验方法和标准，以后，在 i e c 6 9 4 高压封闭开关设备和控制设备标准的共用技 术要求中又引用了上述标准，要求相关的控制设备除满足例行实验要求外，还要 进行电磁兼容实验。主要实验内容包括辐射电磁场干扰实验、振荡波干扰实验、瞬 变脉冲串实验和静电放电实验。 5 .3 .1 . 1 开关电器控制系统的电磁干扰 电力系统本身是一个强大的干扰源。在正常和异常运行状态下都很容易产生各 种电磁干扰，例如开关操作、短路故障等产生的暂态过程;高电压、大电流设备周 围的电场和磁场，射频电磁辐射;雷电;人体与物体的静电放电;供电网的电压波 动、电压突降和中断、谐波;电子设备的工作信号和噪声等。智能化开关电器工作 于电力系统中，由于其电子控制部分与开关本体的安装紧凑，使电子控制设备处于 高压开关本体的安装紧凑，使电子控制设备处于高压开关电磁场内，从而使电磁兼 容问题更为突出。智能化开关电器受到的电磁千扰一般有以下几种: 1 、雷击干扰 雷击引起的干扰侵入智能化开关电器的二次控制设备的途径有三种:一是直接 击中，注入大电流，通过布线传播，产生干扰;二是击中地面，在接地处产生高电 位，然后反击进入二次设备，三是击中二次设备附近的元件，在二次系统的周围造 成巨大磁通变化，通过电磁祸合，干扰侵入二次系统。 2 ,开关设备动作时的千扰 当高压断路器在切换感性负荷时，会产生过电压;在切换容性负荷时，会产生 幅度极高的高频电流振荡，这些高能量脉冲会窜入与高压断路电器距离很近的二次 电子控制设备中。 3 、电弧放电产生的高频电磁辐射 高压断路器在开断线路时，其触头打开后，在电弧燃烧过程中，会向外辐射电 磁波，通过连接导线、机壳和屏蔽层之间的分布电容祸合进入二次系统。 4 、静电放电干扰 静电带电体 ( 如操作人员和其他物体)可以对二次系统产生直接放电干扰，静 31 华北电力大学硕士学位论文 电带电体形成的高阻电场通过静电祸合会形成对系统的千扰。这种静电放电时间 短、脉冲能量密度高，严重时会将电路中的器件击毁。 5 、控制系统中开关电源的干扰 开关电源因其具有体积小、重量轻、效率高和电压稳定和范围宽的特点，而被 广泛的应用于智能化开关电器的测控单元中。由于开关电器中功率晶体管工作在 2 0 k h z 以上，在电源线路内产生的d u / d t 和d i / d t 变化剧烈，这是一个很强的噪声 源，很容易干扰其他电子线路。 5 . 3 . 1 . 2 开关电器设备电磁千扰抑制技术 干扰是指叠加在电源电压或正常信号上的其它电信号。 干扰有多种来源: 电网、 空间电 场、输入输出通过道等。干扰会影响传递信息的正确性:扰乱程序的正常运 行，使程序飞走后进入死循环，还可能损坏系统的元器件。所以干扰是控制系统必 须认真对待的问题。根据电磁兼容的基本原理，形成电磁干扰必须同时具备三个要 素，即电磁干扰源;电磁干扰的祸合途径，对电磁干扰敏感的受害设备。提高智能 化开关电器设备控制系统的电磁兼容水平也应从这三个方面入手。在设计永磁机构 中的电源控制器时，应从多方面都加以电磁兼容性的考虑。 解决干扰问题从两方面入手，一是消除干扰的来源，二是切断千扰的路径，三 是提高控制系统的千扰能力。 1 、硬件抗干扰设计 电路设计中的抗千扰措施: 一、 抑制干扰源 抑制千扰源是抗千扰设计中最优先考虑和重要的原则，常常会起到事半功倍的 效果。在本系统中采用的抑制干扰源的措施如下: ( 川 消除电源噪声 充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大 半。许多单片机对电源噪声很敏感。电源技术一方面包括了电源特性的设计，例如 电源要保证有适当的容性电流的吸收能力和功率裕度，另一方面还包括系统电源性 质的选择，如使用电池还是使用整流电源，所需电源的种类，电源之间是否需要交 换，集中供电还是分布式供电等。 交流隔离变压器和滤波:断路器在切换大容量负载时，会造成交流电网瞬间欠 压、过载和产生尖峰、浪涌千扰。所以，在智能化开关电器的控制设备中应采用隔 离变压器，使窜入电网的噪声经滤波电容在机架接地处引起大地，从而抑制高频千 扰。隔离变压器的次级连接线要采用双绞线，以减少电源线之间的干扰。 直流稳压电源的选用和滤波:直流供电电压会随交流电压、负载电流、环境温 度、元件老化等因素的变化而变化，这就引起电源发生脉冲波动，出现噪声。应优 先选用开关电源，使其容量和稳定度能保证二次控制设备可靠工作的基础上有一定 3 2 华北电力大学硕士学位论文 余量。另外.对印制板上耗电量大的集成电路芯片，如c p u , r a m , r o m 等，在其