（电机与电器专业论文）基于单线圈永磁机构的相控开关控制器的设计.pdf

基于单线圈永磁机构的相控开关控制器的设计 d e s i g no fs y n c h r o n o u ss w i t c h i n gc o n t r o l l e rb a s e d o nm o n o s t a b l e p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r a b s t r a c t c o n t r o l l e ds w i t c h i n g , a l s oc a l l e ds y n c h r o n o u ss w i t c h i n go rp h a s i n g - c o n t r o ls w i t c h i n g , i s at e r m i n o l o g ya p p l i e dt ot h ep r i n c i p l eo fc o o r d i n a t i n gt h ei n s t a n to fo p e l l i i 培o rc l o s i n go fa c i r c u i tw i t hs p e c i f i ct a r g e tp o i i l to na l la s s o c i a t e dv o l t a g eo rc u r r e n tw a v e f o r m c o n t r o l l e d s w i t c h i n gh a sb e c o m e a ne c o n o m i c a ls o l u t i o na n dc o m m o n l yu s e dt or e d u c es w i t e l l i n gs u r g e s t l l i sp a p e ra n a l y z e sw a y so fe n h a n c et h eb r e a k e r sr e l i a b i l i t y ；i n t r o d u c er e s e a r c hs i g n i f i c a n c e a n dt h em e r i to fs y n c h r o n o u ss w i t c h i n g ；b a s i cp r i n c i p l eo fs y n c h r o n o u ss w i t c h i n ga n di t s o p e r a t i n gp r o c e s s ，n l eo b t a i n e dr e s u l t si nt h i st h e s i ss u p p l yr e f e r e n c e st of u t u r er e s e a r c ho n t h ec o n t r o l l e ro fs y n c h r o n o u ss w i t c h p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o ri sb e c o m i n gan e wo p e r a t i n gm e c h a n i s mi nr e c e n ty e a r ，i t u s e st h em a g n e t i cf o r c ew h i c ht h ep e r m a n e n tm a g n e tp r o d u c e st om a i n t a i n st h er i g h tp o s i t i o n o fp n 认w i t h o u ta n yt r a d i t i o n a lm a c h i n e r yt r i p p i n gl o c k e r i t so r g a n i z a t i o ns p a r ep a r ta r ef e w a n dt h es t r u c t u r ei ss i m p l ew h i c he n h a n c et h er e l i a b i l i t yo fb r e a k e r i t ss e c o n d a r yc o n t r o l l i n g c i r c u i tu s et h ee l e c t r o n i cc o n t r o lm o d u l e ，s oi tc a nt h eq u i c k - m o v i n ga n dm a yr e a l i z et h e p r e c i s et i m i n gc o n t r o l ；p o w e rs u p p l yi n p u tr a n g eo fs w i t c h i n gi sw i d e ，i t si n p u ta n do u t p u t c i r c u i t sa p p l yt h eo p t i c a lc o u p l e ri s o l a t i o na n dl o wp o w e rd i s s i p a t i o nw h i c hc a u s ep e r m a n e n t m a g n e t i s mo r g a n i z a t i o n v a c l l u n lc i r c u i t - b r e a k e rt ob e c o m ee x e m p t st h em a i n t e n a n c e i n t e l l e c t u a l i z a t i o nc i r c u i tb r e a k e r n e s i n g l e c o i lp e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r ( p m a ) h a ss m a l lm e c h a n i c a ls c a t t e rd u e t o i t sf e w e rm o v i n gp a r t s p m 魄h a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y c o n t r o l l e dv a c u u ms w i t c h i ss u p p l i e dw i t hi n d e p e n d e n t - p o l eo p e r a t e dp m a ，a n dc a p a c i t o rd i s c h a r g es u p p l yc a nb e c h o s e ni nt h ep m ae x c i t i n gc i r c u i t t h u st h eo p e r a t i o ni sc o n t r o l l e db yl l i g h - c u r r e n tp o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s t e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tp m a c a l ls a t i s f yw i t ht h er e q u e s to ft h e c o n t r o l l e ds w i t c h i n g , a n di ti st h ei d e a lc h o i c eo fs y n c h r o n o u ss w i t c h i n g t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i ss y s t e ma l r e a d ya c h i e v e st h ea n t i c i p a t e de f f e c t , a n dp r o v i d e ss o m eu s e f u le x p e r i e n c ea n dt h er e f e r e n c ef o r t h ef u t u r er e s e a r c h t h es y s t e mi s u s e f u lt oo p t i m i z en l es y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r ；v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r ；h i g hv o l t a g ea n d h i g hp o w e ri g b t ；o p t i c a lc o u p l e rh c p l - 3 1 6 j i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：差至望丝缓茎塑垒麴丝塑丝磋搓塑丝丝丝纱 作者签名： 垩：銎垦 日期：兰竺l 年互月三乙日 导师签名：丝互堕日期：塑2 年一月 一z 7 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 随着整个国民经济对电力系统要求的不断提高，电力系统中的重要电气设备断路 器得以发展。断路器的作用是切断和接通负荷电路，以及切断故障电路，防止事故扩大， 保证安全运行，所以其操作性能对电网的安全、稳定及经济运行至关重要。研究高压真 空断路器永磁机构智能控制技术对于保证供电的可靠性、稳定性，改善供电质量，切实 提高企业的经济效益和工作效率具有重要意义。 1 1 课题来源及研究背景 随着电力系统智能化要求的不断提高，电力系统中的断路器仅仅实现简单的合分闸 功能是不够的，而要从配电系统功能优化的角度综合实现馈线监测、馈线保护等新功能。 目前的智能断路器主要能够实现围绕断路器外围的有关保护、控制、侧量、开关量监测、 通信等功能【l 】，它可以根据电网或控制室的信息判断是否动作和动作的时刻，但是不能 根据电网信息来对断路器本身的开断或关合动作进行智能控制【2 1 ，而本课题所研究的智 能控制技术不仅包括对断路器外围的智能控制功能，还研究断路器动、静触头在控制系 统的作用下，使电力设备在对自身和系统冲击最小的情况下投入运行的控制技术，以及 断路器动触头运动规律与其操动机构特性的关系。 在配电和供电系统中，由于断路器的使用量大面广，操作频繁，可靠性和免维护的 要求更高，因此，要求作为高压电器最主要设备之一的真空断路器应具有以下高可靠性 能，以达到设备运行时的免维护，主要有以下几个方面 3 】，如图1 1 所示。 图1 i 提高断路器可靠性的途径 f i g 1 1 t h ew a y st oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo fc i r c u i tb r e a k e r 基于单线圈永磁机构的相控开关控制器的设计 ( 1 ) 断路器开断性能的高可靠。一次封排工艺将焊接、除气、封装、排气等工艺 步骤在真空炉中一次完成，大大简化了制造工艺，提高了产品的可靠性、稳定性和一致 性。多年的运行经验表明，操动机构、电气控制和辅助回路的故障率占断路器故障的很 大比重，因此，在致力于提高传统操动机构性能、质量和可靠性的同时，也要研制和发 展新的断路器操动机构【4 l 。 ( 2 ) 断路器机械性能的高可靠。可靠性的高低和零部件数量的多少有直接关系， 减少零部件数量将明显提高断路器的可靠性。 ( 3 ) 断路器绝缘性能的高可靠。断路器的绝缘性能要考虑工作电压下长期运行和 由于各种因素产生的过电压等情况。由于电器设备小型化的要求，使得绝缘结构的设计 在首先满足绝缘性能要求的前提下，采用优化电场结构、利用高性能的绝缘材料等，达 到绝缘高可靠和小型化的目的。 ( 4 ) 断路器环境耐受能力的高可靠。断路器在周围环境各种条件作用下都应可靠 工作，这些条件主要有海拔、环境温度、空气湿度、污秽等的影响。 ( 5 ) 断路器二次控制部分的智能化和高可靠。为了满足电力系统自动化的要求和 开关电器智能化的发展，以及保证二次控制部分的高安全可靠性，控制单元的设计应完 整正确，同时应对电子元器件进行优化选择和筛选，采取有效的抗干扰措施，考虑电磁 兼容性能等。 传统的电磁式和电动弹簧式断路器操动机构是由复杂的传动机构组成的机械系统， 运动时间分散性很大，很难实现对机械运动的精确控制。而永磁机构通过将电磁机构与 永久磁铁特殊结合即能实现传统断路器机构的全部功能，而且无须传统的脱扣和锁扣装 置即可实现机构终端位置的保持功能，又可实现真空断路器机械上的高可靠和免维护。 永磁机构动作部件少，中间转换和连接机构也很少，这大大减小了动作时间的分散性和 不可控性，并且机构的所有动作都可电控，而且现在研制生产的基于永磁机构的真空断 路器机械寿命达到万次，我国研制生产的基于永磁机构的真空断路器机械寿命为万次， 其永磁机构的机械寿命为万次而采用传统的操动机构很难达到这一指标【5 1 。因此永磁机 构为断路器实现本身的智能控制提供了可靠的操动机构，可实现真空断路器操作性能上 的智能化【6 】。基于永磁机构的独特特性与优点，研制开发永磁机构真空断路器具有很好 的现实意义和发展前景。 真空断路器是利用真空作为灭弧介质和绝缘保护的一种断路器【7 1 ，自用于电力系统 以来，便以其重量轻、结构简单、使用寿命长、几乎不需要维护检修、无爆炸危险，尤 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 其是不会对环境造成污染等优点得到迅速发展【8 】，成为中压开关领域的主流产品，并不 断向高压领域发展。 目前，智能化的真空断路器已经有了较大的发展。传统意义上的断路器操作指令来 自于人工命令或继电保护单元，断路器本身无检测、判断电力系统故障和监视自身状态 的能力，仅仅是一个被动执行开断和关合线路的装置。随着现代电子技术的发展，利用 徽电子技术和计算机技术不但可以使断路器通过测量某些参数和监测自身的状态来及 时发现故障隐患，而且可以对电力系统参数进行自动采集、处理和故障识别，并根据预 先确定的程序自动切除故障。除此之外，还可实现断路器与中央控制计算机的双向通信， 构成智能化监控、保护、信息网络系统，使断路器从基本的保护单元发展到能够实现数 据监控、处理、联网和远程控制的智能保护单元【9 1 1 】。 基于真空断路器的这种智能化趋势，国际上提出了相控开关的概念【9 1 ，国内也提出 了断路器智能化的概念【i 们，相关新产品中较典型的有适用于中压系统的“智能开关模块 ( i n t e l l i g e n ts w i t c h i n gm o d u l e ) 【1 1 1 。真空开关同步开断故障电流的原理如图1 2 所示。 图1 2 短路电流同步开断原理 f i g 1 2 t h ep r i n c i p l eo fs y n c h r o n o u sb r e a k i n gs h o r tc i r c u i tc u r r e n t s 如图1 2 所示，真空开关相控开断故障电流时，在t l 时刻控制开关触头开始分离， 在t 2 时刻，电流过零电弧熄灭，所以相应的间隙开距为厶，燃弧时间就是t 毗- - - t ：- t l 。从 真空开关同步分断短路电流的基本原理可知，真空开关同步开断故障电流的特点是：真 空开关的电弧工作在短间隙状态，即短间隙真空电弧。 基于单线圈永磁机构的相控开关控制器的设计 1 2 相控技术的提出与意义 1 2 1开关合分闸暂态过程与传统抑制方法 在开关的分合闸操作过程中存在暂态过程，这会给配电系统产生各种干扰，引起电 力系统的过电压和过电流，甚至会传播到远端影响其他用户。人们对于开关合分闸所引 起的暂态过程对电能质量的影响越来越重视。传统上一般采用加装合闸电阻、加载电抗 器、安装阻容吸收设备、使用氧化锌避雷器等方法来削弱这些暂态过程【1 2 。1 7 】： ( 1 ) 加装合闸电阻 在电力系统中，为了抑制开关操作产生的过电压和涌流一般采用高压电力开关加装 合闸电阻的措施。带合闸电阻电力开关的原理如图1 3 所示。 il i - - - - - _ j 图1 3 带合闸电阻的开关 f i g 1 3t h ec i 彻血b l 段i l 澍砌p i 争硫阳s i s t o r 该法把合闸过程分成四步：合闸前电容器组开路；预插电阻与电容器组串联投入； 短路预插电阻；旁路预插电阻，把较严重的暂态现象分割成两个或更多个较弱小的过程。 预插电阻能把操作过电压与合闸涌流限制在一定范围内，但有如下缺点：增加了开关的 复杂性与成本；提高了系统投资与维修费用；限压效果不稳定，分散性大：消耗电能而 产生大量的热能。 ( 2 ) 加载电抗器 对于无功并联电容器组的关合会产生很大的涌流，涌流太大会给电力开关、电容器 和附近设备造成危害，因此电力系统普遍采用串联电抗器限制合闸涌流。采用预插电感 可以增加电容器组关合时的阻抗，从而有效减少合闸涌流，较之预插电阻成本更低、更 可靠。其不足之处在于：安装调试复杂；操作时会出现电火花：易形成振荡回路，增加 系统噪声 ( 3 ) 安装阻容吸收装置 大连理工大学硕士学位论文 r c 阻容吸收装置的原理是利用增大被保护设备上的并联电容器的办法来降低过 电压的幅值。但其不足之处在于：产生谐波；对r c 质量要求苛刻，实际上增加了发生 故障的几率；易成为谐波污染源。 ( 4 ) 使用氧化锌避雷器 m o a 具有可靠性高、通流容量大、残压低、响应速度快、无工频续流、不用串联 间隙以及降低被保护设备的绝缘水平等优点。采用m o a 之后，可使相对地的操作过电 压限制到1 6 1 8 倍相电压，各相间的过电压限错m j n l 7 1 8 倍线电压。其不足之处主要 有：阀片容易受潮劣化，温度上升产生有功损耗，形成热崩溃，严重时将导致m o a 损 坏或爆炸，进而引发大面积停电事故 1 2 - 1 7 】。 1 2 2 相控卉关技术及其优点 由于电网发展和电力用户对高质量、高可靠供电的需求，开关合分闸操作的暂态过 程会带来负面效应越来越不可忽视。目前所采用的传统措施不能从根本上解决问题，于 是人们提出了相控开关技术，相控开关技术的概念最早出现于1 9 7 0 年，其实质是根据 不同负载( 如并联电容器组、架空输电线、空载变压器等) 的特性，控制开关在电压或 电流的最佳相位完成合闸或分闸，实现无冲击的平滑过渡，能有效地削弱开关瞬态电磁 效应。 同步开关抑制开关暂态原理如图1 4 所示。同步开关( 也称相控开关) 技术是指以 系统电压或电流为参考信号，控制开关的触头在期望的相位合闸或分闸，用以减小开关 操作暂态过程、提高电能质量，提高短路分断能力、延长开关寿命的智能控制技术。 图1 4 同步开关抑制开关暂态过程 f i g 1 4s y n c h r o n o u ss w i t c h i n gf o rr e d u c i n gs w i t c h i n gt r a n s i e n t s 与传统抑制开关操作暂态方法相比，同步开关较合闸电阻、串联电抗器和避雷器更 好，其优点有： ( 1 ) 在电容器关合中，可以减少涌流、抑制过电压，不用串联电抗器，延长高压 开关检修周期和使用寿命。 基于单线圈永磁机构的相控开关控制器的设计 ( 2 ) 在电容器切除中，实现防止重燃和重击穿，降低设备绝缘水平。 ( 3 ) 在空载变压器关合中，可以减少涌流、抑制过电压，不需要合闸电阻，防止 继电保护装置误动，提高电压稳定性。 ( 4 ) 在故障电流开断时，提高开断能力，减少开关磨损，提高系统稳定性和开关 寿命。 ( 5 ) 在快速自动重合闸时，抑制过电压，不用合闸电阻，提高系统电压稳定性。 相控技术自1 9 9 0 年实用化以来，在欧美市场的使用数量与范围迅速扩大。1 9 9 8 年， 国际大电网会议( c i g r e ) 对选相控制高压开关的优缺点进行了讨论，根据分析计算结 果和现场应用状况证明了其经济性、可行性与必要性。选相系统的费用相对低廉，只需 在电力系统现有设备的基础上做简单修改，辅以少量的硬件设备，更新相应软件算法， 就能用于选相投切。选相投切技术具有以下优点： ( 1 ) 可以省掉合闸电阻、避雷器等辅助设备，降低成本，操作简便，经济效益显 著。 ( 2 ) 可以提高电能质量与电力系统稳定性，减弱对用户设备的冲击，延缓变电设 备的老化，简化继电保护装置。 ( 3 ) 能够改善开关运行条件，降低灭弧室内部及周围的温度和电位梯度，减轻开 关部件机械应力与触头烧蚀，延长易损件的电寿命和维修周期。 ( 4 ) 可以提高开关额定关合开断能力，防止复燃与重击穿，降低超高压系统的绝 缘水平等【1 2 】【1 6 1 。 1 3相控开关技术的应用现状与前景 随着高压开关及其操动机构制造水平的不断提高和微电子自动控制技术的进步，同 步开关技术日益成为现实，受到了很大关注，并得到了广泛应用： ( 1 ) 在电抗器应用方面，加拿大的魁北克水电公司在7 3 5 k v 系统，实现对并联电 抗器的同步操作减少合闸涌流和消除重燃过电压【1 8 】；日本电力部门成功地将同步操作应 用于2 7 5 k v 和5 0 0 k v 系统的电抗器开断，防止分闸重燃，实现过电压抑制和降低电抗 器绝缘水平要求【1 9 2 0 1 。 ( 2 ) 在空载线路应用方面，1 9 9 5 年加拿大电力部门在魁北克州装有并联补偿电抗 器的5 0 0 k v 等级输电线路上，应用同步开关技术减少快速重合闸时产生的操作过电压 2 0 捌；在我国的大朝山5 0 0 k v 输电线路，使用t e b b 公司的同步开关c a t ，将合闸和快速 重合闸过电压抑制到1 3 p u 以下【2 3 1 。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 在空载变压器应用方面，2 0 0 2 年匈牙利将同步开关技术应用于1 3 2 k v 1 5 k v ， 1 5 5 m v a 的空载变压器的同步关合和切除，减少合闸涌流和过电压【2 4 】：法国图卢兹变电 站对3 2 0 k v 1 3 8 k v ，3 1 5 m v a 的空载变压器实现同步关合，减少合闸涌流【2 5 】。 ( 4 ) 在电容器组应用方面，位于加拿大蒙特尔的n o t r e d a m e 电站将同步开关应 用于1 2 0 k v ，9 6 m v a r 的背靠背电容器组同步投切，用以减少合闸涌流和过电压，提高 电能质量【2 6 】；而日本三棱公司对1 2 1 k v 电压等级的并联电容器组实现同步关合和同步 切除，用以减少合闸涌流和消除分闸重燃过电压，从而提高系统可靠性和电能质量【2 7 2 引。 在中压领域，传统的开关操动机构为弹簧机构和电磁机构。传统操动机构的核心是 连杆与锁扣及能量供应系统，环节多，累计运动公差大且响应时间分散性大，可空性差， 对于交流控制信号一般大于1 0 m s ，即使直流操作，控制分散性也在毫秒量级，因此不 能满足开关操作时间一致性好的要求，不能实现同步操作【2 9 】。直到2 0 世纪9 0 年代末， 新型的永磁机构和电子操动的出现为中压领域同步开关的实现提供了硬件基础。在1 9 9 7 年，a b b 公司提出了基于永磁机构和电子操动的中压同步开关的解决方案【3 0 1 。这种永 磁操动断路器三相独立操动，能进行复杂的同步操作并适应各种负载和电网结构。近年 来，国内的一些高等院校和研究所致力于永磁机构的开发和控制技术的研究，并取得了 一定的成果【3 m 3 1 。对于同步开关技术，国内只在理论和可行性方面作了一些探讨，在中 压领域还没有实际应用1 3 4 】f 3 5 】。 表1 11 9 8 4 2 0 0 1 年相控开关的应用状况调查结果 t a b 1 i r e s u l t so f w o r l d w i d es u r v e yo f c o n t r o l l e ds w i t c h i n ga p p l i c a t i o n si n s t a l l e d1 9 8 4 - 2 0 0 1 应用场合( 2 6 4 - 8 0 0 k v )所占比例( 总数2 5 0 0 ) 电容器组的投切 电抗器组的投切 变压器的投入 空载架空线关合与自动重合闸 6 4 1 7 1 7 2 c i g r e 对相控开关的发展给予极大关注，其下设专门的研究委员会w g a 3 0 7 定期 对相控开关的应用与进展情况进行调研审议，给出了相控开关在丹麦、瑞典、英国、澳 大利亚、巴西等国家应用情况的调查报告【3 6 4 0 】。 从表1 1 可以看出，相控开关以选相投切电容器组的应用最多，占总数2 5 0 0 台的 6 4 ，这主要是由于电容器组在电网中应用最广泛，操作最频繁，且相对更容易实现选 相投切。 基于单线圈永磁机构的相控开关控制器的设计 在1 9 9 7 年a b b 公司研制出基于永磁操动机构的真空开关，这为国内中低压领域改 进、推广永磁机构及其选相控制系统启动了良好的开端。之后，美国西屋公司已经制造 出1 3k v 6 0 0 a 、由g t o 元件组成的固态开关，目前已应用于新泽西州某变电站中的电 容器组选相投切。g t o 的开断时间可以缩短到1 3l 璐，这是一般机械开关所无法比拟的， 不过因为其价格昂贵，配套设施复杂，在短期内难以大面积推广。 在国内选相投切技术的实际应用还是以试点引进为主o1 9 9 8 年，中国第一次为某 5 0 0 k v 3 5 0 k m 空载输电线安装了选相投切装置，将过电压限制在2 p u 以下；2 0 0 0 年， 长春市一个5 0 0 2 2 0 6 6 k v 变电站选相投切6 6 k v 电抗器与电容器时把过电压限制在 1 3 p u 以下；2 0 0 3 年，大朝山水电站为了解决5 0 0 k v 系统内部过电压问题，引进了a b b 公司的开关同步合闸装置【4 i 】；2 0 0 4 年，大唐陕西韩城第二发电有限责任公司i 期工程为 了降低涌流、过电压等不良影响，引进了法国a s t o m 公司的选相投切装置r p h 2 ；目前 均运行良好。 近年来，国内一些高等院校与研究机构对选相投切技术在理论和可行性方面进行了 探讨，也进行了不同程度的尝试，取得了一些阶段性成果删。国产高压、超高压开关 几乎都配用弹簧或液压操动机构，动作分散性较大，难以达到选相投切所要求的精度【4 5 1 。 新型永磁操动机构自上世纪9 0 年代末问世以来，经过不断改进，稳定性与可靠性有了 很大提升，给中低压领域选相投切技术的实现提供了有力的硬件基础。 如前所述，相控开关以欧美为主在国际上已经有了一定规模与较长时间的研究与实 际应用，国内关注程度与实践力度仍显不足。相控开关的优越性与显著的经济效益值得 我国电力部门在改造旧电网或规划新电网时予以关注与推广。 1 4 研究意义和主要内容 1 4 1研究意义 操动机构在断路器中占有重要地位。它不但要保证断路器长期的动作可靠性，而且 要满足灭弧特性对操动机构的要求。目前用于中压断路器的操动机构主要有电磁式和弹 簧式两种。电磁操动机构在真空断路器发展的初期得到了广泛应用，这是由于电磁操动 机构较好的迎合了真空灭弧室的要求，但是它有明显的缺点：操作电流大，使用不方便。 弹簧操动机构也存在以下缺点：完全依靠机械传动，零部件总数多，一般弹簧操动机构 有上百个零件，而且传动机构较为复杂，故障率较高，运动部件多，制作工艺要求较高 【3 1 。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 近年来，一种用于中压真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构备受关注， 有关其原理、结构特点、性能以及免维护真空断路器的开发研制成为电器制造业和运行 部门的热点。因此电磁操动机构的电子控制就成为了研究重点。 本文的研究工作主要是进行高压真空断路器永磁机构智能控制器的设计，通过把永 磁机构技术原理与先进的高压真空断路器智能控制技术相结合，实现对高压真空断路器 的智能控制，为实现断路器的o c o 操作提供技术的支持。 按照永磁机构在分闸操作时的不同，永磁机构可以分为电磁操动双稳态和弹簧操动 单稳态两种形式。由于断路器分闸和合闸过程中的负载特性是不同的，要求的速度特性 也不同。 在论文中首先介绍了相控开关的基本工作原理和分合闸操作，然后详细分析了永磁 机构的分类、结构组成、工作原理和机理特性，以及单线圈永磁机构真空断路器智能驱 动控制器的设计与实现。最后主要讨论了真空开关断路器智能控制系统的实验调试结果 与课题研究的结论。 1 4 2 研究的主要内容 本文主要介绍绝缘栅双极晶体管i g b t 的驱动保护要求和一种可驱动高压大功率 i g b t 的集成驱动模块h c p l - 3 1 6 j 的实用性应用原理，并设计其过压过流保护性能测试 电路，通过测试观察波形，验证了h c p l - 3 1 6 j 良好的保护性能，调试了h c p l - 3 1 6 j 在 基于永磁机构的硬件控制开关应用电路，试验证明，该驱动电路具有较高的稳定性和良 好的保护性能，为实现断路器的o c o 操作提供了有利的支持。 全文共分为五章，各章主要内容如下： 第一章绪论，阐述本文研究课题的相关背景、研究意义和主要内容。 第二章介绍了相控开关的基本原理与分合闸操作，并给出了相控开关控制系统的结 构框图。 第三章分析了永磁机构的分类及其特点、结构组成、工作原理和机理特性，并对永 磁机构操动时间分散性的影响因素与操动精度进行了探讨。 第四章详细阐述了单线圈永磁机构智能控制器的软硬件设计与实现，重点介绍了介 绍绝缘栅双极晶体管i g b t 的驱动和保护要求和一种可驱动高压大功率i g b t 的集成驱 动模块实用性应用原理，同时介绍调试成功的h c p l - 3 1 6 j 在基于永磁机构的硬件控制开 关应用电路。 第五章是试验测试结果与技术分析结，设计h c p l - 3 1 6 j 的过压过流保护性能测试电 路，通过测试观察波形，验证了h c p l 3 1 6 j 良好的保护性能，并且记录了3 5 k v 单线圈 基于单线圈永磁机构的相控开关控制器的设计 永磁机构真空断路器实验的过程与内容，讨论了实验调试结果，并进行了课题设计结论 总结。 大连理工大学硕士学位论文 2相控开关的基本原理与设计 随着微计算机技术、电力电子技术、现代控制理论和网络技术的发展及其在开关领 域的广泛应用，国内外专家提出了智能化电器的概念【4 5 0 】。近年来开关电器智能化的 前沿课题是实现智能操作，即利用电子操动进行同步操作【5 0 - 5 1 1 。 2 1相控开关的基本工作原理与分合闸操作 2 1 1相控开关的基本工作原理 近年来在电力电子领域流行一种软开关技术，即使半导体开关器件在系统零电压下 关合，在零电流下分断，有效改善电力电子开关轨迹和减少开关损耗 5 1 - 5 3 】。在高压开关 领域，这种工况称之为同步开关( 或相控开关) 技术，即应用电子操动实现与电网电压 或电流零点同步操作，控制断路器的分合闸相角以抑制或消除开关操作产生的电磁暂态 现象。 图2 1 同步开关的基本工作原理框图 f i g 2 1 t h eb l o c kd i a g r a mo fs y n c h r o n o u ss w i t c h i n g 开关同步操作技术的基本原理是根据线路电压或电流相位控制电力开关的导通与 截止来抑制开关操作产生的涌流和过电压，提高电网电能质量和稳定性，延长开关使用 寿命。图2 1 为同步开关的基本工作原理。在图2 1 中，同步开关主要由同步开关控制 基于单线罔永磁机构的相控开关控制器的设计 器、操动机构、参考电压和电流输入、操作命令输入和输出、开关操作时间补偿和电力 开关组成。电力开关的同步操作分为同步关合和同步分断两种情况。 2 1 2 相控开关的同步分合闸操作 在电力系统中，开关在开断容性负荷( 并联电容器组、空载长线) 时，电流过零， 电弧熄灭，电容上的残余电压保持u m 不变，随着电源电压变化，触头间隙承受相对较 高的暂态恢复电压t r v ，从而可能导致开关重击穿产生过电压；在感性负荷( 电抗器、 空载变压器和大容量电动机) 切除时，由于截流在开关触头间隙产生频率很高的暂态恢 复电压，导致重燃过电压。这些开关分闸操作产生的过电压可能对系统中的电力设备绝 缘产生破坏。在开断容性和感性负荷时，开断电流的幅值比较小，因而采用同步分断， 即控制开关触头的分闸相位，获得较长的燃弧时间t a r c ，这样在电流过零、电弧熄灭时 开关触头开距大，触头间隙绝缘介质强度高，因此不易出现重燃或重击穿，从而有效避 免甚至消除开关切除容性负荷和感性负荷产生的重燃过电压。 线路电漉 继电保护 信号 触发信号 触头行程 触头间隙 电压 八八八厂 l v 。s t z 一一钆l t o p 啦 l 川三 i 。z 1 2 f c ， u 御 图2 2 断路器同步分断操作时序 f i g 2 2 t h eo p e n i n gt i m i n go f s y n c h r o n o u ss w i t c h e s 同步开关开断容性负荷和感性负荷的分闸动作时序如图2 2 所示。图中t c 为外部分 闸操作指令输入时刻，t o p o f i n g 为电力开关分闸时间，为开关触头分离时刻，：为电 流过零、电弧熄灭时刻，开关燃弧时间k = t z f j 。开关同步分断容性和感性负荷时， 参考信号选择a 相的电流。同步开关控制器在时刻t c 接收并确认就地或远动随机分闸 大连理工大学硕士学位论文 操作指令，并与参考信号的下一个零点同步；同时由开关三相分闸时间t o p e n i n g 和预设 燃弧时间t a r c 获得三相延时触发时间t d ： 匕= 1 2 f - f 嗍孵一( 1 2 f 一) m o d l l 2 f - t 。+ f o ( 2 1 ) 式中，t 、为微处理器执行计算所需时间，t 0 为负荷不同连接方式对应的三相电流零 点相移时间。延时t d 后，控制器触发分闸线圈，开关触头在时刻t s 开始分离，从而在 时刻t z 电弧熄灭，开关触头开距d 足够大，能够承受系统暂态恢复电压，实现负荷可靠 开断。 开关同步分断的另一个诱人用途就是用于开断故障电流。对于特定的电力开关而 言，总存在一个最佳燃弧区间，因而通过控制开关触头分离相位，使开断故障电流时电 弧电流在经过最小燃电弧时间t a r c m j n 过零，从而可以有效减少开关触头烧损，延长触 头的电寿命，进而可以提高电力开关的开断能力，降低对灭弧室的机械和热力学要求， 延长开关电寿命和提高系统稳定性。 同步开断要求在理想状态的电流零点时，触头应瞬时达到额定开距。只有中压真空 开关可以在几个毫秒时间内触头由闭合状态达到额定开距，其他种类的开关均无此条 件，因此最有希望在中压真空开关中实现同步开断的功能。为了实现故障电流的同步开 断，开关应满足以下几个条件： 足够高且稳定的初始分闸速度，使触头在1 2 m s 内到达能可靠熄灭电弧的临界开 距： 触头分离时刻应能稳定控制在电流过零前丁时刻，对应达到临界开距的最小燃弧 时间； 过零点的检测、计算和可靠、及时触发信号的给出。 同步关合操作就是控制高压开关的触头在电网电压的特定相位关合，以减少投入操 作产生的涌流和过电压的幅值，提高电能质量和系统稳定性，延长断路器的使用寿命和 检修周期。同步关合操作技术主要应用于容性负载( 无功补偿电容器组、空载线路) 和 感性负载( 空载变压器、电抗器) 的投入。 2 1 - 3 相控开关的技术要求 由上述开关的同步操作原理可知，同步关合和分断操作关键在于开关在电压或电流 的合分闸相位准确度，因此同步操作技术对开关的机械特性和绝缘特性提出一定的要求 【7 ，1 1 t 1 2 ： 基于单线圈永磁机构的相控开关控制器的设计 介质恢复强度的要求。开关绝缘介质恢复强度对于同步合分闸操作而言是最重要的 特性。对于电压过零同步关合操作，要求开关触头间隙绝缘能力上升率r r d s ( r a t eo f r i s eo f d i e l e c t r i cs t r 朗g t h ) 大于l ，其中r r d s 定义为： r ，f = 兰鲁等 ( 2 2 ) 叫- u _ 式中，u m a k i n g 为间隙预击穿电压，t p a r c 为开关预击穿燃弧时间，u m 为投入相电 压峰值。对于同步分断操作，要求开关的燃弧时间短，熄弧能力强和绝缘介质恢复强度 高。 机械方面的要求。同步操作技术对开关机械要求中最重要的是合分闸动作可靠和操 作时间稳定，速度尽可能快；同时在操动机构方面要求三相独立操动，开关操动机构结 构紧凑，体积小。 控制系统的要求。根据c i g r e 对现代高压断路器的调查表明，开关机构动作时间 主要受环境温度、控制电压、开关触头磨损和开关操作历史等因素的影响。因此，同步 开关控制系统应具备白适应功能以跟踪开关操作时间的变化，并加以合理补偿和修正， 控制开关动作时间分散性，即允许误差范围。 2 2 相控开关控制系统框图与流程 2 2 1 相控开关控制系统框图 图2 3 为永磁机构同步控制系统硬件结构图，同步控制系统主要由上位机通讯、主 控模块、信号处理采集模块和储能电容的充放电控制模块4 部分组成。 图2 3 选相控制系统的硬件结构图 f i g 2 3s t r u c t u r ed i a g r a mo fs y n c h r o n o u sc o n t r o l l e ds y s t e m 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 主控模块 主控模块是整个同步控制系统的核心部分，主要由d s p 最小系统、人机接口与远 程通信单元等部分组成，它实时判断输入信息，收到分合闸指令时按照预定算法给出触 发信号，控制断路器在所期望的相位动作。可通过r s - 4 8 5 总线将系统参数上传到控制 中心，或者中断接收控制中心的遥控指令。 所用的核心处理器要完成有限冲激响应( f 瓜) 数字滤波，同步延迟时间的计算， 还要完成控制，人机接口等功能，工作量较大，对处理的速度要求较高。主控模块由 d s p 、外部r a m 、人机接口组成，它实时判断输入信息，收到分合闸指令时按预定算 法给出触发信号，控制断路器在所期望的相位动作。 ( 2 ) 信号处理采集模块 信号处理采集模块由模拟信号调理、逻辑控制与数字采集单元组成，主要完成参考 信号的采集和调理。由于参考信号零点检测精度的要求较高，又必须对系统的三相电压 同步采样才能正确反映信号之间的相位关系，因此，可以使用1 4 位自带多路开关与采 样保持电路的a d c m a x l 2 5 ，使用g a l 2 0 v 8 b 对m a x l 2 5 进行启动、读写、寻址等逻 辑控制。信号处理过程为：电网信号通过互感器转换成系统所能处理范围内的交流信号， 然后通过限流保护、信号调理等电路，进入a d c ( m a x l 2 5 )内部进行模数转换，转 换后的数据送到d s p 中进行f i r 滤波处理，以提取参考信号的过零点【1 2 】。 ( 3 ) 储能电容的充放电控制 图2 4 储能电容的充放电控制电路图 f i g 2 4 t h ec i r c u i td i a g r a mo fc a p a c i t o r sc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g 基于单线圈永磁机构的相控开关控制器的设计 图2 4 为储能电容的充放电控制模块原理图，储能电容的充电电路由a c d c 高频 开关电源、放电储能电容器c 、保护二极管i n 5 3 9 9 和光电耦合器t l p 2 5 0 组成。正常状 态下，d s p 控制m o s f e t ( i f r 8 4 0 ) 导通，电源对电容处于浮充状态；若接到操作指令， 正常情况下，d s p 不关断m o s f e t ，通过h c p l 3 1 6 j 给i g b t 桥电路相应的逻辑电平 以控制电容器c 对励磁线圈l 放电，使断路器完成分( 合) 闸动作；若出现故障，则关 断m o s f e t 实现闭锁，以防止误动作。 2 2 2f i r 数字滤波器简介 为了消除外部高频及其他干扰信号，通常需对控制系统的交流输入信号进行滤波处 理。数字滤波有很多突出优点，不仅可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，还 可以避免模拟滤波器难以克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。其中有限冲激响应 ( f 瓜) 数字滤波器是一个很好的选择。f i r 滤波器的结构是一个分节的延时线，每一 节的输出加权累加得到总输出。由于采用非递归结构，因此在有限精度的运算中是稳定 的，可在幅度特性随意设计的同时，保证精确、严格的线形相位特性。f i r 滤波器的差 分方程为 幽 y ( n ) = h ( k ) x ( n k ) ( 2 3 ) 式中，x (