（高电压与绝缘技术专业论文）永磁机构真空断路器在线监测和同步关合控制.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：论文以铁路供电系统中断路器智能控制技术的实际问题为基点，结合国家 自然科学基金项目“无涌流自动过分相关键技术的研究一子项一永磁机构同步关 合控制器的研制，采用同步关合控制来抑制过电压、涌流对系统的冲击，研究了高 压真空断路器单稳态永磁机构同步关合控制技术。 本文对永磁机构的同步关合技术进行了研究。通过计算分析了同步关合技术 对合闸暂态过程中过电流和过电压的抑制作用，并以断路器同步关合为例，分析 了同步关合的动作过程及预击穿特性、环境温度，控制电压等外界因索对同步关 合技术的影响。 为了建立环境温度和控制电压与合闸时间的关系，在不同环境温度、不同控 制电压下，对配永磁机构的真空断路器的合闸时间的实验数据进行分析，用其中 的一部分数据进行b p 神经网络训练，并建立了隐层含有四个结点的三层b p 神经 网络模型。用数据的另一部分对建立的神经网络模型进行测试，该模型的建立为 同步关合技术的实现创造了有利的条件。 研究了同步关合控制方案。微机控制系统不断采集电压、电流、温度等参数， 在收到合闸命令时，检测电压过零点的时刻，并根据当前的环境温度、控制电压 等计算出断路器的合闸时间，从而确定发出合闸控制信号的时刻。结合电气化铁 路的特点，采用永磁单稳态操作机构，依靠同步关合控制技术，合理选择相位， 控制合闸相位角，减少了过电压和涌流对系统的冲击。 关键词：永磁机构；同步关合；预击穿；神经网络：过零点；过电压；涌流 a b s t r a c t ： 1 1 舱p a p e ri n t r o d u c e sak i n do f i n t e l l e c t u a lc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h ev a g u u r f l c i r c u i tb r e a k e rw i t hm o n o s t a b l ep e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r i tb a s e so n ap r a c t i c a l p r o j e c ti np o w e rs y s t e m n es y n c h r o n o u sc l o s i n gf o rp m ai sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt o c a l c u l a t i o n , s y n c h r o n o u sc l o s i n gc a nr e d u c et h ev a l u eo fc u r r e n ta n do v e r - v o l t a g ei nt h e c l o s i n gt r a n s i e n tp r o c e s s n ed o s i n go fv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri st a k e na sa ne x a m p l e t oa n a l y z em o v e m e n tp r o c e s so fs y n 洳n o u sd o s i n g i ta l s oa n a l y z e st h ei m p a c to f p r e s t r i k ec h a r a c t e r i s t i c ，e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dc o n t r o lv o l t a g e0 1 1s y n c h r o n o u s c l o s i n g m a n ye x p e r i m e n t sh a v eb e e np u r s u e dt om e a s u r et h ed o s i n gt i m eu n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ea n dc o n t r o lv o l t a g eb yt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e d i nt h ep a p e r , a n dal o to f e x p e r i m e n td a t ah a sb e e ng a i n e d s o m eo ft h e ma r eu s e dt ot r a i na n de s t a b l i s hab p n e u r a ln e t , a n dt h e o t h e r sa r eu s e dt ot e s t ，t h ef u n c t i o no ft h en e u r a ln e t t h e e s t a b l i s h m e n to ft h em o d e lc r e a t e sa n 毅l v 批g u sc o n d i t i o nf o rt h er e a l i z a t i o no f s y n c h r o n o u sd o s i n g w es t u d yt h ec o n t r o ls c h e m eo ft h es y n c h r o n o u sc l o s i n g t h e r e , m i c r o c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mc o n t i n u o u s l ya d a p tv o l t a g e s ，c u r r e n t s ，t e m p e r a t u r e sa n ds oo n , a n di t c o m p u t et h ez e r oc r o s so ft h ev o l t a g ew h e ng e tt h ed o s ec o m m a n d t h e r e b y , w eg e tt h e s e n d i n gt i m eo fc o n t r o ls i g n a l s c o m b i n i n gw i t he l e c t r i f i e dr a i l w a y ss p e c i f i e s ，w es t u d y a n dd e v e l o pv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri nt h eb a s i so fi n t e l l i g e n tp h a s ec o n t r o l ，a n da d a p t p e r m a n e n tm a g n e t i cm o n o s t a b i l i t yo p e r a t i n gi n s t i t u t i o n , i nt e r m so fi n t e l l i g e n tc o n t r o l t e c h n i q u e ，s e l e c tp h a s er a t i o n a l l y , c o n t r o ld o s i n g sa n g l e i td e b a s e st h ei m p a c to fo v e r v o l t a g ea n d i n r u s hc u r r e n t k e y w o r d s ：p m a ：s y n c h r o n o u sd o s i n g ： o v e rv o l t a g e ；i n r u s hc u r r e n t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期： 年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 北京交通大学硕士学位论文中文摘要 致谢 本文是在我的导师时卫东副教授、王毅教授悉心严格的指导下完成的。在课 题的选题及完成的过程中均渗透着时老师的心血。在这两年的学习生活和课题研 究过程中，时老师倾注了满腔的热忱。时老师严肃认真的治学态度，丰富渊博的 学术知识，勤奋求实的工作作风，锐意进取的创新精神，以及崇高无尚的道德品 质深深地影响着我，给我在以后的生活道路上树立了榜样，这也将是我一生取之 不尽、用之不竭的宝贵财富。所以，在论文即将完成之际，特向时卫东老师表示 最衷心的感谢和崇高的敬意。 王毅教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在本论文的选题、调研、写作和论文修改阶段，王毅老 师给了我最大的帮助和支持，在此向王毅老师表示衷心的谢意。 另外我还要感谢的是杨建明、师姐陈丽勤和师弟范小科以及同窗好友们，两 年一起奋斗的日子仿佛还历历在目，两年的同窗之谊难以忘怀。分别之日即将来 临，愿大家在今后的日子中都能实现自己的梦想，一路走好! 最后要深深感谢父母、兄嫂及所有的亲人，是他们的关心、支持、理解伴随 作者度过了求学生涯，值此论文完成之际，向他们致以最崇高的敬意和最美好的 祝愿。 1 1 选题背景和意义 1绪论 在铁路供电中，为使电力系统三相负荷平衡，电气化铁道采用了分相分段供 电的方法，各相间采用空气或绝缘物分割，称为电分相。国内接触网上，目前每 隔2 0 - - , 2 5 k m 就有一段长约3 0 米的无电区，称为分相区。机车通过分相区，是靠惯 性通过的。京广线上的客车每隔1 0 分钟左右就要过一次分相装置。随着我国铁路 快速的发展，高速铁路在整个铁路中占的比重会越来越大，电力机车通过分相区 的技术越来越突出，为使电力机车保持高速运行、保证行车安全和减轻司机劳动 强度，自动过分相已成为我国铁路提速和发展高速电气化铁路的关键技术之一。 目前，我国有三种型式的自动过分相装置在线路上运行或试运行，它们是：( 1 ) 机 车不断电，地面开关自动转换过分相装置；( 2 ) 机车不断电，接触网柱上开关自 动转换过分相装置；( 3 ) 机车自动断合电过分相装置。 三种方式各有特点。但是都有一个共同点就是均采用真空开关作为通断的开 关元件。采用普通真空开关的主要缺点是：由于开关执行机构的动作时间并不是 固定的，从而不能保证开关合分闸时刻的相位角固定。 目前，铁路系统中的断路器在关合的瞬时，系统电压的初相角通常都是随机 的和不确定的，在关合空载变压器、电容器和空载线路时，有时会产生较大的涌 流和过电压。幅值很大的涌流将导致断路器触点受损，变压器绕组产生机械应力， 保护继电器误动作。过电压可能导致设备局部放电，缩短或损坏电气设备的使用 寿命。如果采用同步关合技术就可以减小涌流的幅值和电压的扰动。这样不仅对 系统中的设备不利，还可能引起保护误动作，影响电力系统的稳定。采用永磁机 构真空断路器同步关合技术可以达到以下效果【1 1 ： ( 1 ) 减小合闸操作的涌流和过电压。 ( 2 ) 提高电能质量和系统的稳定性。 ( 3 ) 延长了电器的使用寿命和检修周期，降低了成本。 1 2 国内外研究现状和不足 1 2 1 国外发展动态 国外永磁操动技术的理论及应用研究开始于8 0 年代末，1 9 9 2 年前后，配永 磁机构真空断路器在英国工业中开始应用；1 9 9 5 年，英国的w h i p p & b o u m e 公司进 一步改进了结构，具有十年免维护功能的自动重合器投入市场，与此同时，德国 的a b b 公司也做了一些技术改进，进一步降低了操作能耗；1 9 9 7 年，德国的a b b c a l o r e m a g 开关设备公司在德刊上介绍了他们最新研制的v m i 型永磁机构真空断 路器，并于1 9 9 8 年在汉诺威博览会上展出了样品，引起了各公司的极大重视。【2 】。 9 0 年代末，瑞典的a b b 公司提出了基于永磁操动机构和电子控制的中压同步 断路器的解决方案。这种断路器具有独立操动的三极，能进行复杂的同步操作并 能适应各种负载和电网结构。永磁操动机构提供了在闭环控制中实现适应性算法 的可能性，通过对来自温度、老化等干扰的影响进行补偿，实现运动控制，保证 动作时间的稳定性。永磁机构的操作是由具有连锁，信号检测，脱扣和自诊断功 能的电子装置来控制的。线圈电流的通断操作，连锁和自诊断由一个专门设计的 控制单元完成，控制系统通过对机构运动部分的闭环控制，使其在不同的环境温 度，控制电压以及所有其它参数下保持所规定的允差，并且能自动补偿触头磨损 以便保证正确的合闸和分间时刻。该方案的主要特征是在高可靠的预先确定的时 间完成操作。a b b 所描述的同步动作时间允差具有以下最大值：合闸操作为l m s ： 分闸操作为2 m s 。 ： 同步开关技术的提出己经近3 0 年了，但限于当时的技术水平，这种方法主要 停留在理论研究水平上。到了2 0 世纪9 0 年代，随着断路器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 2 2 国内发展现状 国内生产的真空断路器归纳起来大致可分为三类：( 1 ) 引进技术并国产化的产 品。z n l 2 - 1 2 ，引进西门子3 a f ：z n 2 8 - 1 2 ，引进日本东芝公司v l ( 系列产品：z n 2 1 - 1 2 ， 引进比利时e i b 公司的产品技术；z n 6 7 1 2 ，引进日本三菱电机v p r 型真空断路器 等。( 2 ) 在借鉴国外同类产品的基础上开发的产品，如：z n l 5 - 1 2 ，z n 2 8 - 1 2 ，z n 3 0 - 1 2 等，其操动机构为电磁机构或弹簧机构，目前以c d l 7 、c t l 7 和c t l 9 型机构较多， 机构结构较为复杂，零件数量多，c d 系列通常有约1 2 0 个零件，c - i i 系列有约2 0 0 个零件，操动机构通过一套或几套四连杆与开关主轴相连( 与油开关的驱动方式相 似) ，传动效率较低。 由于永磁机构的诸多优点以及在国外已经形成的开发热点，国内开关行业的 一些主导厂家、大专院校和科研院所也把目光投向永磁机构的研制上，如西安高 2 压电器研究所西安交通大学、清华大学等等，并取得了一些显著成果。1 9 9 8 年， 西安森源电气有限责任公司开始1 2 k v v s m 永磁机构真空断路器的开发研究工作， 并取得突破性进展。2 0 0 0 年6 月首批样机在西高所国家高压电器质量监督检测中 心通过了1 2 k v ，1 2 5 0 3 1 5 k a 规格的v s m 的全部型式试验；额定短路电流开断次数 为5 0 次，断路器机械寿命达到6 万次；整机通过了e m c 试验，达到了国际先进水 平，引起了国内同行的关注，相继有北京华东开关厂、常州森源开关有限公司等 国内著名断路器生产厂研制出了类似的永磁机构真空断路器。他们引进或自行开 发成功的永磁机构真空断路器，也已不少推向市场，如v s m 和v s i a 型、z n 2 3 - 4 0 5 型、z n 6 5 型、z w d 1 2 型、z n d - 4 0 5 型等产品，有的已经试验到1 0 万次。 永磁机构同步关合技术理论的研究将涉及永磁材料的性能研究、控制系统工 作状态的信号处理和自动识别、同步关合控制策略和分合闸时间自适应控制原理 研究等内容。国内一些知名的大学和研究机构对上述相关内容进行了卓有成效的 研究，极大地推动了同步控制技术理论的发展和智能断路器在国内的应用。建立 了永磁机构动态特性计算数学模型的基础上采用四阶r u a g e k u t a 法以及电磁场有 限元方法同时求解电路方程、电磁场泊松方程以及运动方程来研究永磁操动机构 的动态特性。分别计算并分析了配双稳态、单稳态两种永磁操动速度等参数随时 间变化的曲线，并进行了相关的实验研究。讨论了利用s i m u l i n k 对电力电子电路 进行建模仿真的方法，通过对仿真结果分析可以将控制系统进行改进或将有关参 数进行修改使系统达到要求的结果和性能，为同步关合技术奠定了理论基础。通 过对实际工作经验的总结。【”】。 并结合配永磁机构的真空断路器关合时的动特性，对1 0 k v 系统与3 5 k v 系统 进行关合时，考虑到断路器合闸时间的分散性，在一定合闸速度下，确定了关合 涌流为最小的最佳预期关合点。针对真空断路器关合速度与预击穿对同步关合影 响进行了一定的研究。对于智能同步控制中的几个关键问题，比如电参数的计算、 信号零点的提取及合闸时间的计算进行了的研究，提出了基于人工神经网络的合 闸时间自适应控制的算法。 1 2 3 存在的不足 从目前的研究情况来看，同步关合断路器主要应用于同步关合方面，比如无 功补偿电容器的同步关合、电抗器的同步关合等，对于同步分断的研究和应用相 对较少；而且同步断路器在我国还没有实际生产。在已投入使用的同步断路器中， 其智能化功能还有待进一步提高，包括在断路器上完成测量、保护、通信和智能 操作等功能。人工智能技术( 模糊控制、人工神经网络等) 在智能断路器中的应用有 3 待研究。永磁机构作为一种新型的断路器操动机构，当前还只用于较低电压等级 的断路器操作中，对配永磁机构的真空断路器的状态监测方面作的工作也不多。 开发用于更高电压等级的永磁机构，实现更高电压等级断路器的同步操作尚在研 究之中。 1 3 研究的主要工作 本课题所要完成的任务是：针对目前永磁机构控制装置的现状和国内外发展趋 势，研究同步关合智能控制装置中关键测控技术的软、硬件实现方法，并对该方 案进行试验论证。 ( 1 ) 分析永磁机构的工作原理和动态特性，对不同负载进行同步关合技术仿真，结 合神经网络计算和合闸时间和研究同步关合控制实现的最佳算法； ( 2 ) 根据装置工作的技术要求，进行装置的方案比较，硬件选型，功能电路设计； ( 3 ) 根据装置的功能和已设计的电路，完成软件模块程序的设计和编写； ( 4 ) 测试装置的功能，对装置进行改进和提出进一步设想； 4 2 1 简介 2 永磁机构工作原理及动态特性的分析 本项目研制目的主要是解决电力机车自动过分相时产生的涌流进行抑制的 关键技术。从技术上讲，传统的弹簧操动机构，结构复杂，零件数量多( 约为2 0 0 多个) ，且加工精度要求高；电磁机构虽然机构相对简单，零件数量少( 约为1 2 0 多 个) ，但电源电压波动对合闸速度影响较大，操作电流大，无法调控分合闸速度和 相位；对电力系统操作过电压和合闸涌流的控制更是无从谈起。永磁机构采用一种 全新的工作原理和结构，工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱、锁扣装置， 故障源少，具有较高的可靠性和长使用寿命，一般达十万次以上，同时可以控制 分合闸相位，实现同步控制，减少过电压和涌流对系统的冲击，减少系统保护的 投入，提高系统整体寿命。因此永磁操作机构成为无涌流自动过分相真空断路器 的必然选择。 2 1 1 操作机构方案的确定 经过对单稳态永磁机构和双稳态永磁机构的比较，我们选择单稳态永磁机构 作为同步关合真空断路器的操动机构。单稳态永磁机构的分合闸速度特性与弹簧 机构较为相似，刚分点前加速，刚分点后减速，通过合理设计弹簧参数，既可以 做到提高刚分速度，又可以减小分闸末速度，可以得到较为理想的分闸速度特性。 同时合闸时通过调整电参数使合闸弹跳减到最小。 从图2 1 中可以看出，双稳态永磁操动机构和单稳态永磁操动机构的合闸速度 特性较为相似，与断路器的负载特性较为吻合：但分闸速度特性却差别较大，双稳 态永磁操动机构的动触头随着分闸行程的增加，动触头运动速度不断增加，这与 断路器的负荷特性不相匹配但单稳态永磁操动机构在刚分点以前加速度为正，刚 分点以后加速度为负这对于断路器来说是较理想的分闸特性，从这一点上来说， 单稳态永磁操动机构采用永磁保持、电磁合闸及弹簧分闸，实现了断路器操动技 术较为完美的结合，同时其每一分合闸循环的能耗明显低于双稳态永磁机构。但也 应注息到，单稳态永磁操动机构的分闸特性不易受到线圈电参数的控制，因此在 需要根据实际情况来调整和控制断路器的分闸速度时，双态永磁操动机构应更具 优势 5 越 蜊 蕊 水 壁 臀 双稳态动触头行程m m 单稳态动触头行程m 图2 - - 1 双稳态和单稳态永磁操作机构动触头运动速度 f i g u r e 2 - 1m o v a b l ec o n t a c tv e l o c i t yo f b i s t a b l ea n d m o n o s t n h l ep m a 2 1 2 单稳态永磁机构的结构 1 分闸弹簧；2 动铁芯；3 线圈；4 外静铁芯； 5 永磁铁；6 隔磁板；7 电缆；8 内静铁芯；9 芯轴 图2 - 2 宝光单稳态永磁机构结构图 f i g 2 - 2s i n g l e s t a b l ep m a o fb a o g u a n g 电气化铁道中广泛采用2 7 5 k v 电压等级的牵引线路，采用高寿命的永磁机构、 同步关合技术以及自诊断功能，实现铁道真空断路器的免维护，是当前真空开关 领域的研究热点。宝光铁道电气公司研制生产的2 7 5 k v 配永磁机构真空断路器可 用于电气化铁道供电系统牵引变电所、分区亭和开闭所的2 7 5 k v 牵引线路的关 6 譬一毯覃靶螋奎暇臀 合、分断及保护。该永磁机构的设计行程为2 1 r a m ，静保持力约7 0 0 0 n 。为了研究 方便，并考虑研制和生产成本，本文中以该公司2 7 5 k v 的单稳态永磁机构( 图2 2 ) 为基础，研制永磁机构真空断路器同步关合控制【6 】。 2 2 单稳态永磁操作机构的工作原理 单稳态永磁机构的原理如图2 2 所示。当机构处于合闸位时( 如图2 3a ) 所示， 线圈中无电流通过，由永磁作用保持动铁心保持在上端。分闸时，在操作线圈中 通以特定方向的电流，该电流在动铁心上端产生与永磁体磁场相反的磁场，使动 铁心受到的磁吸力减小，当动铁心受到的向上的合力小于弹簧的拉力时，动铁心 向下运动，实现分闸。在分闸的整个过程中，线圈电流很小，仅需提供一个抵消 永久磁铁的磁场，分闸能量主要由触头弹簧和分闸弹簧提供。 “ 5 囊。 勘d ， 1 静铁心；2 动铁心；3 线圈；4 ，5 永磁体；每下磁极；7 上磁极；8 驱动杆； i - 永磁体磁场- 分闸励磁电流磁场合闸励磁电流磁场 图2 - - 3 单稳态永磁操作机构工作过程原理图 f i g u r e 2 - 3t h ef u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo f m o n o s t a b l ep m a 7 当处于分闸位置( 如图2 - 3c ) ，在操作线圈中通以与分闸操作相反的电流。这一 电流在静铁心上部产生与永磁体磁场方向相同的磁场，在动铁心下部产生与永磁 体磁场相反的磁场，使动铁心下端所受到的磁吸力减小。当操作电流增大到一定 值时，向上的电磁合力大于下端的吸力与弹簧的反力，动铁心向上运动，实现合 闸并给分闸弹簧储能忉。 图2 _ 4 合闸状态铁芯受力 f i g u r e 2 - 4c l o s i n gs t a t ef e r r i t ec o r e8 t r e $ 8 单线圈式永磁机构，当开关进行分闸时，给操作线圈反向通电，使线圈磁场与 永久磁铁的磁场方向相反，是否会导致永久磁铁退磁，而产生不可逆转的负效应， 即永久磁铁的退磁。图2 _ 4 为机构处于合闸状态，机构铁芯的受力情况。此时， 动铁芯受触头弹簧的反力( ( f 触) ，分闸弹簧的拉力( ( f 分) ，永久磁铁的吸力( ( f 磁) 以及平衡这三个力的正压力n ，存在等式；f 磁：- f 触+ f 分+ n 当机构进行分闸时， 励磁线圈反向通电，它的磁场与永久磁铁的磁场方向相反，使f 磁减小，当f 磁 f 触+ f 分时，此时开关开始分闸，分闸电流与合闸电流相比较小，图2 5 为开 关进行分、合闸时，通过线圈的电流。开关合闸时，通过线圈的电流厶为1 8 a ， 开关分闸时，通过线圈的电流，约1 - 2 a 。对单线圈式永磁机构，由于反向电流很 小对永久磁铁的影响仅仅是改变了永久磁铁的工作点，因此，永久磁铁不会发生 退磁现象。 永磁机构舍闸曩童的电流波形图永磁机构分闸时的电流波形图 图2 5 永磁机构分合闸线圈电流比较 f i g u r e 2 - 5c u r r e n tc o m p a r eo fp e r m a n e n tm a g n e tw i n d i n g 8 2 3 单稳态永磁操作机构的动态特性 对于单稳态永磁机构断路器，特别是高压断路器，开距很大，为了保证有效 熄弧和不引起重燃，触头的动作速度应适当快些，这样在规定的行程下操动机构 需要有较高的运动速度，然而这会引起碰撞能量的增大，对机构的电气和机构寿 命带来不利影响。因此，对于高压永磁机构，加快动铁芯的动作速度和减小与静 铁芯间的碰撞能量是两个必须考虑的技术要求。但是，这两个技术要求是矛盾的， 设计永磁机构时需要综合考虑，理想的结果是动铁芯在运动初期迅速加速，而在 即将到达运动终点( 合闸位置或分闸位置) 时急剧“刹车 到零速度。如图2 5 所示，永磁机构的实际速度时间曲线用实线表示，理想的速度时间曲线用虚线表 示【羽。 v jl l 、 o 图2 - 5 永磁机构速度特性 f i g 2 - 5v e l o c i t yo fp m a 对于永磁操动机构，可以采用直流电压激磁和充电电容放电激磁两种不同的 激磁方式，本文采用充电电容放电激磁方式分别对单稳态永磁操动机构的动态特 性进行分析，激磁电路如图2 - 6 所示。 2 3 1 永磁机构动态分析和建模 永磁机构动态过程，在电路上遵循电压平衡方程，在运动上遵循达朗贝宁方 程，在磁场上遵循麦克斯韦方程，以及热路上遵循热平衡方程，这些方程存在相 互的联系，构成了描述单稳态永磁机构动态特性的微分方程组。对于充电电容放 电励磁下的机构，计算动特性的微分方程组见式( 2 - 1 ) 9 图2 - 6 咀各取电励憾倒蹯 f i g 2 - 6c i r c u i t se x c i t e db yc a p a c i t o r u = 识( 9 ) + 百d r y f ：一c d u c m 窘= 一乃( 磅) ， j ；c ，= 石( f ，艿) c 昭亍五( 睨) 百d o = 五( p 岛，d o r ，以) 式( 2 1 ) 中是电容两端电压；f ，甲分别为线圈电流和电磁系统安全磁链；f 是 时间；m 是系统运动部件归算到铁心处的质量；z 是动铁心的位移，i ，乃分别 为铁心受到的电磁吸力和运动反力，弹簧负载反力是位移x 的函数，而空气阻力则 是速度d x d t 的函数；呒是电磁系统的磁能，是i ，甲的函数；j ，魏分别是线圈工作 温度和周围环境温度；p 是永磁机构的功耗；c 是电容的容量；d o r ，日，分别是线 圈的外径和高度。 由方程组可以看出，永磁机构动态过程中包含着电磁热和机械参量的变化， 其中热的变化最小，主要是由于动态过程历时时间极短( 一般机构的动作时间为几 十毫秒) ，电磁系统又存在热惯性，所以d o d t 项极小，可忽略不计。为此动态微 分方程组( 2 1 ) 可以划分为如下描述机构吸合特性的状态方程组( 2 2 ) ： 1 0 c f， t ， d _ 出e = 亿一r 生：! 二尘塾 d tm d r 出 d u 。 i - = 一一 d tc y 【柚= ，v l , o = v o = 0 , x i 扣。= x o ，l 柚= 。 ( 2 2 ) 式中， v 是动铁心的运动速度。求解方程( 2 2 ) 可以获得永磁机构的动态特性。 2 3 2 永磁机构动态微分方程组的求解 忽略铁心中的涡流，式( 2 2 ) 及其初值条件可以直接用数值法求解， 将时间变 量t 离散化，用四阶r u n g e k u t t a 法求解，对每一时间步长缸采用如下迭代格式： 妙“l = + 竺三( 毛+ 2 k 2 + 2 k a + 缸) o m 。= m + 笪( 厶+ 2 厶+ 2 厶+ 厶) 6 。 ( 2 3 ) 稚l = 毛+ 譬+ 2 鸠+ 2 鸠+ 虬) 、。 = + 詈( m + 2 2 + 2 m + 4 ) 式中， 缸= “一， 乃，岛，呜，m u - l 2 ，3 ，4 ) 分别是缸内警，瓦d v ，妄，警， 它们的计算公式为式( 2 - 4 ) 后，= u 一测 吨吨，怖群叶擀，屯也啪 乞= + ，妒2 + 吩声啕+ 飓= + j i ! ，坼_ l 呜= 叫哪怕 钙= 一爿秀啊，嗍吨一惭。铴蚺 式中， 啊= 0 = 玛= 笪2 死= f 2 3 3 系统的动态变化过程 通过各方面的分析与计算，获得了进行动态特性分析所必须的一些相关数据。 并将这些数据和励磁回路各元件的参数代入求解动态特性的程序中，求得系统在 励磁回路闭合后系统的动态变化过程。断路器分、合闸过程的计算结果如图2 7 至图2 1 0 所示9 1 。 2 - 7 线圈电流随时间变化的曲线 f i g u r e 2 - 7m e t a m o r p h cc u r r e n ti nt h ec o i lu n d e rt h et i m e 图2 7 为分闸和合闸过程中线圈电流的变化曲线。比较分闸和合闸过程的电流 1 2 曲线可以看出，由于选取了不同的线圈参数( 主要差别表现在分闸线圈线径较大， 匝数较小) ，使得线圈电阻及电感值存在差别，导致分闸过程的电流峰值比合闸过 程大，且分闸过程的动作时间明显小于合闸过程埘。 图2 8 为机构动铁心位移随时间的变化曲线。图2 = 9 为动铁心运动速度随时间 的变化曲线。 图2 8 电容励磁下动铁心位移随时间变化曲线 f i g u r e 2 - 8m o v e sf e r r i t ec o r em e t a m o r p h i cd i s p l a c e m e n tu n d e rt h et i m e 1 i rc d s ) 图2 - 9 电容励磁下动铁心运动速度随时间变化曲线 f i g u r e 2 - 9m o v e sf e r r i t ec o r em e t a m o r p h i cs p e e du n d e rt h et i m e 1 3 2 l o 吐 咀 2 4 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r u n g e - k u t t a 法求解永磁操动机构动态微分方程组。然后对单稳态永磁操 动机构的真空断路器进行了动态特性的计算，获得了断路器在分合闸过程中动态 特性的各项参数，并进行了理论分析，得到了反力特性、线圈匝数和初始电压对 动态特性参数的影响。 1 4 3 永磁机构同步关合技术仿真和影响因素分析 同步关合技术是指断路器动、静触头在控制系统的控制下，在系统电压波形 的指定相角处关合，使得空载变压器、电容器和空载线路等电力设备在对自身和 系统冲击最小的情况下投入电力系统的智能控制技术。目前，电力系统中的断路 器在开断和关合电力设备的瞬时，系统电压的初相角通常都是随机的和不确定的， 因此会产生过电压。例如，在关合空载变压器、电容器和空载线路时，常常产生 幅值很高的涌流和过电压。幅值很大的涌流将导致断路器触点受损、变压器绕组 产生机械应力及保护继电器误动作：过电压可能导致设备局部放电，这些干扰都会 影响系统的稳定运行。而利用同步关合技术可以降低合闸操作暂态过程中的过电 流和过电压，从而可以提高电力设备的寿命和系统的稳定性。 3 1 同步关合技术仿真 3 1 1 电容器的同步关合技术分析 我们研究一下断路器关合电容器的情况。原理如图3 所示。其中u 为1 0 k v 电 压源；c b 为断路器；r 为0 2 q 的线路电阻；l 为1 5 m h 的线路电c 为3 5 5 # f 的 负载电容器；国为电源的频率。 c 图3 1 断路关合电容器原理图 f i 9 3 1c a p a c i t o ri sc l o s e db yb 列鞠出砑 当断路器在t = 0 时关合，线路电阻、电感和电容器发生谐振，产生幅值和频率 都很高的关合涌流。回路的方程如下： l 出d i + r i + 吉肛= 撕s i n ( f + 口) ( 3 1 ) 对上式两边同时积分得： 万d 2 i + z r 瓦d i + 历1f = 宰c o s ( 驴口) ( 3 2 ) 1 5 对上式求解得： f = e - 西( c 。c o s = 再+ q s i l l 也芦= 再) + 曰洲f + 口+ 劝 ( 3 3 ) 其中， 万= 瓦r ，国= 去，缈= 优留差，q = 曰s 证伊 g 一孝曰如伊一 式( 3 3 ) 描述的过程可以用s i m u l i n k 进行动态仿真。通过改变断路器关合 的时间来改变电容器刚接通时电源的初相角口，得到不同相角下关合涌流的波形。 如图4 所示，图( a ) 、( b ) 、( c ) 是口分别为0 、4 5 、9 0 度时的涌流波形，图( d ) 是涌流对稳态电流的倍数与口的关系 n - l s 。 萋 孵 响 s ) a 黼 a 曩 薯z 摹孤拍j i i 囟莉朗相角j ( m 图3 - 2 不同相角下关合电容器的涌流分析 f i 9 3 - 2s u r g ec u r r e n t o nv a r i a n tc l o s i n gp h a s ea n g l ei nc a p a c i t o r 从图3 2 可以看出：当口为0 度时，涌流的幅值仅为稳态值的1 6 倍，且暂态 过程较短；当口为4 5 度时，涌流的幅值升至稳态值的3 倍；当口为9 0 度时，涌 流的幅值达到稳态值的4 3 倍，且暂态过程较长，对电力设备的危害很大。当口在 0 度到9 0 度范围内，涌流的幅值随着口的增大而增大；当口在9 0 度到1 8 0 度范围 内，涌流的幅值随着口的增大而减小。因此，如果能够控制断路器在口在o 度或 1 6 善耀 1 8 0 度附近关合电容器将大大降低涌流的倍数。 3 1 2 空载变压器的同步关合技术的分析 空载变压器稳态运行时，励磁电流是额定电流的2 0 o - 1 0 ，但在接通电源的瞬 间，电流的幅值却很大，而且频率很高，通常称这个电流为涌流。对于中、小型 变压器，涌流的直接危害并不大，但却能引起装在变压器原边的过电流保护装置 误动作；对于大型变压器，涌流将对变压器产生很大的冲击。下面分析一下涌流产 生的原因。 当变压器低压侧空载，高压侧在时间t - - o 时接到3 5 k v 正弦电源t l 上以后，高 压侧回路方程如下： ”q 等= u s i n ( o t t + 口) ( 3 4 ) 式( 3 4 ) 中q 是高压侧绕组的匝数，么是高压侧绕组的全磁通，口是变压器刚 接通时电源的初相角，毛和，；是高压侧绕组的励磁电流和电阻。由于变压器铁芯存 在饱和现象，上式是一个非线性微分方程，山于很小，式( 3 4 ) d p 第一项比第二项 小得多。在这种情况下不考虑铁芯存在饱和，令 劬i l l2 寸死 ( 3 5 ) 这样方程求解变的比较容易，又不会有太大得误差，将( 3 5 ) 代入( 3 4 ) 中，得： 警+ 丢炉u q s i n ( o j t + 口) 6 ， 上式是一个以磁通以为变量的常系数微分方程，办由强制分量( 周期分量) 办 和自由分量唬两部分组成，即 谚= 9 i l + 红 ( 3 7 ) 1 7 ( 3 8 ) 攻= 丸c o s 口e z i 丸告南 。9 ) 由于，i “嵋，所以留一1 堕9 0 ，式( 3 2 5 ) 可以近似写为： f i i = 咆c o s ( c a t + a ) ( 3 1 0 ) 将式( 3 9 ) 和( 3 1 0 ) 代入( 3 7 ) 中得： 办= 一九c o s ( 耐+ 口) + 丸c o s 口e ( 3 1 1 ) 图3 - 3 随时间的变化曲线的示意图，其中曲线1 为磁通的自由分量，曲线2 为磁通的周期分量，曲线3 为两部分合成的磁通。由式( 3 1 1 ) 可以看出：空载变压器 的涌流的大小与接通电源瞬间电源的初始相角口有关【幡1 9 1 。变压器的磁化曲线如 2 d 图3 - 3 磁通随时间变化曲线3 4 变压器磁化曲线 f i 9 3 - 3f l u xm c t a m o 印h i c1 = m d c r t h et i m ef i 9 3 - 4g u r v co ft r a n s f o r m e rm a g n e t i z a t i o n 假设变压器在额定电流下运行时工作在a 点。我们分析两种特殊的情况： ( 1 ) 如果在口= 9 0 。时接通电源，谚= 丸，变压器铁芯在一开始就建立了稳态磁 通，变压器不经历过渡过程直接进入稳态运行。 ( 2 ) 如果在口= o 时接通电源，谚= 一九s ( 研) + 丸c o s 口e ，在f = 三时，谚 可以达到最大值，差不多2 九，此时变压器工作在b 点附近，励磁电流很大，可 达到额定电流的5 1 0 倍，超过稳态空载电流的几十倍甚至几百倍。随着磁通自由 分量的衰减，励磁电流也要衰减，衰减的时间常数r ：生。中、小型变压器衰减的 吒 1 8 速度较快，约几个周波达到稳态值；大型变压器衰减的速度较慢，有时达数十秒之 久。 以容量为1 0 m v a ，额定电压为3 5 k v 6 3 k v 额定电流为1 6 5 a 9 1 7 a 的变压器 的空载关合过程为例进行动态建模仿真计算。可以得到不同相角口下关合涌流的 波形。如图3 - 5 所示，图3 - 5 ( a ) ， 3 - 5 ( b ) ， 3 - 5 ( c ) 是口分别为0 ，4 5 ， 9 0 度时的 涌流波形，图3 - 5 ( d ) 是涌流对额定电流的倍数与口的关系。 ( c ) ( b ) 图3 5 不同相角下关合空载变压器涌流分析 f i 9 3 5s u r g ec u r r e n to nv a r i a n tc l o s i n gp h a s ea n g l ei nt r a n s f o r m e r 从图3 5 可以看出：当口为0 度时，涌流的最大值为最高，达到额定电流的 1 1 4 倍；当口为4 5 度时，涌流的最大值降至额定电流的7 3 倍；当口为9 0 度时， 理想情况下将不产生涌流，变压器直接进入稳态运行。当口在0 到9 0 度范围内， 涌流的幅值随着口的增大而减小。当口在9 0 度到1 8 0 度范围内，涌流的幅值随着 口的增大而增大。因此，如果能控制断路器在口为9 0 度或2 7 0 度附近关合空载变 压器将大大降低涌流的倍数。 3 1 3 空载线路同步关合技术的分析 关合空载线路主要出现在以下两种情况中：一种是线路检修后投入运行；另 一种是线路故障切除后的自动重合。关合空载线路的主要问题是可能会产生两倍 甚至大于两倍的过电压。线路的过电压对线路以及与线路相连的设备的绝缘将构 成潜在的威胁，可能导致局部放电甚至更加严重的故障。尤其对于高压输电线路 过电压的危害更加严重【2 0 】。 1 9 妊罂鼯嘿 以单导线输电线路为例，关合的原理图与图3 1 相同，不同之处在于电容c 是线路的等值电容。导线型号为“、j _ 4 0 0 5 0 r = 0 0 7 9q 加， c - - 0 9 4 2 f 1 0 0 k m , l = 1 3 2 4 m h k m ，设输电线路的长度为1 0 0 k i n ，则用集中参数的 线路t 型等值电路的参数为：l p 7 9q ， c = 0 9 4 2 f ， m 2 = 6 6 2 m h 。在不考虑 存在残余电荷的情况下，通过仿真计算得到不同合闸初相角下限路过电压的波形。 如图3 - 6 所示，图3 - 6 ( a ) ，3 - 6 ( b ) ，3 - 6 ( c ) 分别为0 、4 5 ， 9 0 度时的涌流波形， 图( d ) 是过电压对稳态电流的倍数与口的关系。 膏嗍角 越 图3 - 6 不同相位角下关合线路分析 f i 9 3 - 6s u r g ec u r r e n to n 硼胁tc l o s i n gp h a s em o ei n 伽饼g 咖1 i n 伪 从图3 6 可以看出：当口为0 度时，过电压的幅值仅为稳态值的1 0 5 倍；当口为 4 5 度时，过电压的幅值升至稳态值的1 6 倍；当口为9 0 度时，过电压的幅值达到稳 态值的1 9 5 倍，且暂态过程较长，对电力设备的绝缘极为不利。当口在0 度到9 0 度范围内，过电压的幅值随着口的增大而增大；当口在9 0 度到1 8 0 度范围内，过电 压的幅值随着“的增大而减小。因此，如果能够控制断路器在口在0 度或1 8 0 度附 近关合电容器将大大降低过电压的倍数。 在考虑线