（电气工程专业论文）真空永磁断路器智能控制器的设计与实现.pdf

学位论文版权使用授权书 !ijllljiliii i l liifi11ifllli i f l l l f l l l p y 17 8 0 4 2 0 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：忍湖移 签字日期：上u l o 年参月2 ；日 导师签名： 签字日期：2 以口年易月2 弓 中图分类号：t m 5 6 4 8 u d c ：6 2 1 3 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 真空永磁断路器智能控制器的设计与实现 t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ro f t h ev a c u u mm a g n e t i cc i r c u i tb r e a k e r 作者姓名：李鹏 导师姓名：王毅 学位类别：工学 学科专业：电气工程 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 学号：0 8 1 2 2 0 5 0 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：智能电器 致谢 本论文的工作是在我的导师王毅教授的悉心指导下完成的，王毅教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来王老 师对我在学业上的悉心指导和生活上的关怀。导师严谨求实的治学态度、脚踏实 地的工作作风、敏锐的思想给我留下了深刻的印象，这些都将成为我人生中的一 笔宝贵财富，使我终身受益。 在完成课题的过程中，我得到了实验室众多师兄的帮助，特别是马力、吕锦 柏、罗礼全、常广。他们给我的课题研究提供了许多宝贵的建议和意见，在此对 他们表示最诚挚的谢意。另外，还要感谢我的女友王玲婕，在完成论文过程中对 我的督促和帮助。 最后，我要感谢我的父母，谢谢他们二十多年来为我的辛勤付出，是他们的 关爱与支持让我走到今天。祝他们永远健康、幸福! 再次感谢所有关心、支持和帮助过我的人! 一 北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：本文对双稳态永磁操动机构断路器进行了深入研究，设计了一种新型 的断路器智能控制器。本文首先介绍了本设计方案的理论基础。其中包括双稳态 永磁机构的结构及工作原理、电流波形识别原则和操作线圈电流波形检测原理。 并通过理论分析得出了断路器分合闸线圈电流波形的基本特征。基于此，本设计 在现有断路器控制器中加入了电流波形检测功能，该功能的增加进一步提高了断 路器运行的稳定性和可靠性。 该方案设计的断路器智能控制器以c 8 0 5 1 f 0 1 5 为微处理器，采用操作线圈电 流波形作为分合闸控制是否成功的判别依据。对控制系统的硬件和软件进行了设 计，并在0 8 0 5 1 f 0 1 5 上移植了实时操作系统p c o s ，p c o s i i 的多任务机制有 效地提高了系统的资源利用率，从而保证了整个系统的实时性。同时，它的多任 务运行特性，为功能的扩展和改进奠定了基础。 ： 基于l a b v i e w 图形化软件，本文编程设计了系统上位机监控界面。该界面 具有分合闸控制、电流波形监测与显示、系统参数设置、故障状态显示与报警、 重要数据保存等功能。通过该界面可以发送控制分合闸命令和系统参数设置命令， 并可同时获取系统的各种状态信息。测试表明，本控制器具有更高的稳定性和可 靠性。 关键词：永磁操动机构；智能控制；波形识别；p c o s i i 操作系统；l a b v i e w 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 abstrac t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i s p a p e rp r e s e n t san e wk i n do fc i r c u i tb r e a k e ri n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r b a s e do ni t l li n t e n s i v es t u d yo fb i 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 rc i r c u i tb r e a k e r f i r s t l y , t h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h i sd e s i g ni si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eb i s t a b l ep e r m a n e n tm a g n e t , t h ei d e n t i f i c a t i o np r i n c i p l e so ft h e c o i lc u r r e n tw a v e f o r ma n dt h ed e t e c t i o np r i n c i p l eo ft h ec o i lc u r r e n tw a v e f o r r n 1 1 1 e b a s i cf e a t u r e so ft h ec o i lc u r r e n tw a v e f o r mo ft h ec i r c u i tb r e a k e ra r ca l s oo b t a i n e db y t h e o r e t i c a la n a l y s i s b a s e d0 1 1t h i s ，an e wf u n c t i o n , c u r r e n tw a v e f o r md e t e c t i o n , i s p e r f o r m e di nt h i sp r o g r a m , w h i c hi m p r o v e st h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fc i r c u i t b r e a k e rc o n t r o l l e r t h i sp r o g r a ms e l e c t e dt h e c h i pc 8 0 51f 0 15 鹪t h em i c r o p r o c e s s o ro ft h e i n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e rc o n t r o l l e ra n dc u r r e n tw a v e f o r mo ft h eo p e r a t i n gc o i l 嬲t h e c r i t e r i o no ft h es u c c e s so ft h es u b d o s i n gc o n t r 0 1 t oe n s u r et h er e a l - t i m el e v e lo ft h e w h o l es y s t e ma n di m p r o v ee f f i c i e n tr c s o u r c , eu t i l i z a t i o n ，h a r d w a r ea n ds o t t w a r eo ft h e c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n dar e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，l - t c o s i i ，i x c o s - 1 1 w h i c ha r em u l t i - t a s km e c h a n i s m , i st r a n s p l a n ti n t oc 8 0 51f 015 t h em u l t i - t a s k o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa l s ol a yag o o df o u n d a t i o nf o rt h e e x p a n s i o na n d i m p r o v e m e n to f f u n c t i o n a lb a s i s b a s e do nl a b v i e w ：t h i sp r o g r a mh a sd e s i g n e da ni n t e r f a e eo fs y s t e mp cm o n i t o r , w h i c hh a sm a n yi m p o r t a n tf u n c t i o n ss u c h 弱as u b c l o s i n gc o n t r o l ，c u r r e n tw a v e f o r m m o n i t o ra n dd i s p l a y , s y s t e mc o n f i g u r a t i o n , f a u l ta n da l a r ms t a t u sd i s p l a y , d a t as t o r a g e a n ds o0 1 1 t h o u g ht h ei n t e r f a c e ，c o m m a n d so fs u b c l o s i n gc o n t r o la n ds y s t e m c o n f i g u r a t i o n c a l lb es e n tw h i l ev a r i o u ss t a t u si n f o r m a t i o no ft h es y s t e mc a nb e o b t a i n e da tt h es a m et i m e t e s t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rh a sah i g h e rs t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t i c a c t u a t o r ；, i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r , w a v e f o r m r e c o g n i t i o n ；i t c o s i io p e r a t i n gs y s t e m ；l a b v i e w c l a s s n o ： 目录 目录 中文摘要v a 】3 s t r a c t v i l 绪论1 1 1 真空断路器智能控制技术的研究现状1 1 2 课题的提出及研究意义2 1 3 本文的主要工作及章节安排2 2 基于线圈电流波形的状态检测原理5 2 1 双稳态永磁机构的结构及工作原理5 2 2 线圈电流波形识别的原则8 2 3 分合闸线圈电流波形检测原理【1 】【5 】【6 】【3 5 】【3 8 】。9 3 控制器的硬件设计与实现1 3 3 1 系统技术指标1 3 3 2 系统总体结构原理1 4 3 3 系统硬件模块设计与实现。1 6 3 3 1c p u 模块一16 3 3 2 电源模块18 3 3 3 电流数据采集模块2 0 3 3 4 线圈驱动模块2 2 3 3 5 电源检测模块2 3 3 3 6 通信模块2 4 4 控制器的软件设计与实现2 7 4 1 智能控制器软件设计的总体思想2 7 4 2 下位机程序设计：2 7 4 2 1 嵌入式实时操作系统 t c o s i i 概述2 8 4 2 2i _ t c o s i i 在c 8 0 5 1 f 0 1 5 上的移植3 l 4 2 3 控制器应用程序设计3 3 4 3 上位机程序设计。4 2 4 3 1l a b v i e w 概述4 2 4 3 2l a b v i e w 与c 8 0 51 的通信4 3 4 3 3 监控界面功能介绍4 7 北京交通大学硕士学位论文 5 系统调试5 5 5 1 系统参数测定5 5 5 2 系统整体测试5 8 6 总结与展望6 3 参考文献6 5 附录a 控制命令功能代码6 7 附录b 控制器p c b 图6 8 附录c 控制器实物图6 9 作者简历7 1 独创性声明7 3 学位论文数据集7 5 绪论 1 绪论 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，社会对电力的需求越来越大， 同时，对供电质量的要求也越来越高。而建设智能电网不仅能将太阳能、风能、 地热能等新型可替代能源接入电网，解决电力的需求问题，还能大大的提高电网 的安全性、可控性、适应性和互动性，改善供电质量。目前，我国智能电网建设 已经全面提上日程，建设坚强智能电网即将纳入国家能源战略规划、“十二五” 规划和国家重大科技计划。断路器作为电网中的重要一次设备，起着关、合 电流及开断短路故障电流的重要作用，因此研究断路器的智能控制技术，不断 提高断路器的智能化程度，对坚强智能电网的快速发展具有重要意义。 1 1 真空断路器智能控制技术的研究现状 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，因其灭弧介 质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名；其具有体积小、重量轻、结 构简单、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，在配电网中应用较为普及。 目前，真空断路器的智能控制技术在发展中日渐完善，尤其在起步较早 的国外。自1 9 8 5 年出现第一台以微处理器为基础的智能型断路器以来，法国梅 兰日兰公司、日本寺崎公司、美国西屋公司、瑞士a b b 公司等相继开发了带微 处理器的智能断路器。到了九十年代，国外许多公司又相继开发出智能断路器的 集中控制和检测系统，包括有多种平台和相应软件支持的中央计算机控制系统、 智能化断路器的对话模块、低压配电装置的监控系统等。 国内在微机保护和监控系统的研制方面起步较晚，主要从引进技术和自行开 发两个方面进行，产品的主要性能跟国外相比还存在较大的差距。且研究主要集 中在变电站综合自动化系统，而以断路器为控制对象的智能化产品则很少，直到 1 9 9 6 年才有针对单个断路器的测控单元出现，且其功能还有待完善和提高。目前， 我国正致力于开发国产第四代断路器一智能化、可通信断路器，其主要特征是在 智能化的基础上具备现场总线的可通信特点，这一特点使得断路器可以和中央控 制设备( 包括中央控制计算机和可编程逻辑控制器) 实现双向数据通信，以达到 遥控( 断路器合、分闸) 、遥测、遥调和遥信的“四遥”功能，从而实现网络管理 【l 】【3 4 1 。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 课题的提出及研究意义 永磁机构是真空断路器一直努力追求的一种完美的操动机构。它具有结构简 单，寿命长，可靠性高，可以用小功率交流电源操作，出力特性与真空断路器的 反力特性很好匹配，能给出不大的合闸速度和较高的分闸速度。由于永磁机构与 真空断路器的完美配合，真空永磁断路器已得到了广泛的应用。永磁机构可分为 单稳态和双稳态两种形式。由于断路器在分闸与合闸过程中的负载特性不同，要 求的速度特性也不同，对于单稳态永磁机构，单独一个固定匝数的线圈，很难同 时满足分闸与合闸速度特性的要求。由于分闸与合闸时电流方向不同，使得控制 回路的设计比较复杂。因此本文采用双稳态永磁操动机构方案【1 1 。 本文研究的真空永磁断路器智能控制器，是对目前现有控制器的一种改进。 现有真空永磁断路器的控制器都是利用辅助开关即位置传感器来判别断路器动触 头的位置的。在大多数情况下，辅助开关能正常工作，将动触头的位置信号返回， 从而对分合闸操作是否成功做出判断。但在下列两种情况下，辅助开关的功能将 失效：( 1 ) 断路器触头在分、合闸过程中由于机械故障卡住，无法返回正确的位 置信号；( 2 ) 断路器分、合闸成功，由于位置传感器故障，无位置信号返回。这 两种情况都会造成分合闸线圈的长时间通电，烧毁线圈。即使能够通过设定固定 分、合闸时间来限制线圈的通电时间，但在位置传感器故障时，仍然不能判别断 路器动触头的位置。 为了改善现有控制器的可靠性，针对上述两点不足以及特定永磁机构中线圈 电流波形的固有特性，在现有控制器的基础上加入了线圈电流波形检测功能，并 以线圈电流波形检测为主，以位置开关检测为辅，二者相互配合，实现断路器的 高可靠性分、合闸。该方案不仅能完善现有控制器，提高断路器的可靠性，还可 以将电流波形检测运用于故障诊断领域，通过不同时刻驱动线圈电流波形的特征 对比，来进行故障预测。因此，该方案的提出不仅可以提高断路器工作性能，还 能为智能断路器与故障诊断技术的融合奠定基础。目前，对这种基于线圈电流波 形检测的控制方式的研究还处于起步阶段，在国内外的应用几乎是空白，因此对 其的研究具有十分重要的意义。 1 3 本文的主要工作及章节安排 本文的主要工作是研究一种用于双稳态永磁操动机构真空永磁断路器的智能 2 绪论 控制器，并对分合闸到位检测功能进行了改进。期望通过功能改进，改进现有断 路器存在的不足，在实现断路器智能化的同时，进一步提高断路器工作的稳定性 和可靠性。并为深入研究电流波形检测技术在断路器故障诊断领域的应用做准备。 本论文共分为六章。第一章为绪论，主要介绍真空断路器智能控制技术的发 展现状及本课题提出的意义，并介绍本文所研究的主要内容； 第二章针对本文提出的线圈电流波形检测方式，进行了研究和分析，阐述了 其理论基础： 第三章主要介绍本控制器的硬件设计，分六个模块进行了详细介绍； 第四章是本文的重点，着重介绍了上位机软件和下位机软件的设计与实现。 对于下位机软件，本章从实时操作系统、系统移植和控制器应用程序设计三个大 方面进行介绍；对于上位机软件，本章首先介绍了l a b v i e w 与c 8 0 5 1 的通信， 接着详细介绍了监控界面的各个功能； 第五章详细记录了智能控制器实验的实验现象和实验数据； 在最后一章，本文对本课题的研究工作做了一个全面的总结，并对课题的进 一步深入研究提出了展望。 3 北京交通大学硕士学位论文 4 线圈电流波形检测的理论基础 2 基于线圈电流波形的状态检测原理 2 1 双稳态永磁机构的结构及工作原理 永磁机构就其实质而言，是用永磁体实现合闸保持和分闸保持的一种新型的 电磁操动机构。双稳态永磁机构的合闸与分闸都采用电磁操动。其基本结构如图 2 1 所示： s 3 6 图2 1 永磁机构剖面简图 f i g 2 1p r o f i l e so f p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r 1 静铁心2 动铁心3 、4 永磁体5 分闸线圈6 合闸线圈7 驱动杆 永磁机构共由七个主要零件组成：1 静铁心，为机构提供磁路通道，对于方 形结构一般采用硅钢片叠形结构，圆形结构则采用电工纯铁或低碳钢；2 动铁心， 是整个机构中最主要的运动部件，一般采用电工纯铁或低碳钢结构；3 、4 为永久 磁体，为机构提供保持时所需要的动力；5 、6 为分闸线圈和合闸线圈；7 为驱动 杆，是操动机构与断路器传动机构之间的连接纽带。当断路器处于合闸或分闸位 置时，线圈中无电流通过，永久磁铁利用动静铁心提供的低磁阻抗通道将动铁心 保持在上、下极限位置，而不需要任何机械连锁。当有动作信号时，合闸或分闸 线圈中的电流产生磁动势，动、静铁心中的磁场由线圈产生的磁场与永磁体产生 的磁场迭加合成，动铁心连同固定在上面的驱动杆，在合成磁场力的作用下，在 规定的时间内以规定的速度驱动开关本体完成分合闸动作。此机构所以被称为两 位式双稳态原理结构，是由于动铁心在行程终止的两个位置，不需要消耗任何能 5 北京交通大学硕士学位论文 量即可保持。在传统的电磁机构，动铁心式通过弹簧的作用被保持在行程的一端， 而在行程的另一端，靠机械锁扣或电磁能量进行保持。与之不同，永磁机构是通 过将电磁铁与永久磁铁特殊接合，来实现传统断路器操动机构的全部功能：由永 久磁铁代替传统的脱锁扣机构来实现极限位置的保持功能，由分合闸线圈来提供 操作时所需要的能量。可以看出，由于工作原理的改变，整个机构的零部件总数 大幅减少，使机构的整体可靠性得到大幅提高。 双线圈永磁机构的原理示于图2 2 。其静铁心l 的中部镶着永磁体4 和5 ，两 个永磁体的同名磁极向着中心。动铁心上的驱动杆9 穿过静铁心。此驱动杆可直 接用来驱动断路器作合分闸运动。 a lb i 图2 2 双稳态永磁机构操作过程原理图 f i g 2 2t h ep r i n c i p l e so f b i s t a b l ep m a a ) 分闸状态b ) 合闸过程c ) 合闸状态d ) 分闸过程 1 静铁心2 动铁心3 分闸线圈4 、5 永磁体6 合闸线圈7 下磁极8 上磁极9 驱动杆 i 永磁体磁场合闸励磁磁场u i 分闸励磁磁场 动铁心在静铁心中理论上有三个平衡状态：其一为动铁心位于静铁心的最上 方，动铁心的上端于静铁心的上磁极接触，图2 2 a 的位置为分闸状态。其二为动 6 线圈电流波形检测的理论基础 铁心位于静铁心的最下方，动铁心的下端与静铁心的下磁极7 接触，图2 2 c 的位 置为合闸状态。永磁体通过下部磁路的磁阻很小而通过上部磁路的磁阻因空气间 隙很大而很大。永磁体的磁通绝大部分通过下部磁路，将动铁心牢固的吸在静铁 心的下磁极7 上。在分闸状态时，与合闸状态相反，永磁体通过下部磁路的磁阻 很大，磁通集中在上部磁路，动铁心被吸在上磁极8 上。第三个平衡状态是静铁 心的上端和下端受静铁心的吸力完全相等，动铁心处于平衡状态。但这是一种不 稳定平衡所以动铁心实际上只存在两种平衡状态，即分闸和合闸状态。正因为如 此，图2 2 所示的这种双线圈永磁机构又称作双稳态永磁机构【2 】【3 1 。 当双线圈永磁机构处于合闸位置时，永磁体产生的磁力线的分布如图2 2 c 中 曲线i 所示。要使其分闸时，只要在分闸线圈中通以直流电流，该电流产生的磁 力线方向与永磁体在静铁心上端的磁力线方向相反，见图2 2 d 中的曲线m 。分闸 线圈中的电流所产生的磁场使动铁心所受的永磁吸力减小，当此电流增大到一定 ：值时，动铁心所受的吸力之和小于动铁心上的机械负载( 如作用在动铁心上的触 头压力，其方向与永磁体的吸力相反) ，这时动铁心就将向上运动。一旦动铁心向 上运动，动铁心下端与静铁心下磁极之间就出现了空气间隙，下端的磁阻增大， 上端的磁阻减小。静铁心下磁极对动铁心的吸力减小，上磁极对动铁心的吸力增 大。动铁心上向上的合力增大，使动铁心加速向上运动。这一过程一直持续到动 铁心上端与静铁心上磁极接触，如图2 2 a 所示，直到完成分闸动作为止。这时， 动铁心重新被永磁体吸合，处于稳定状态，即使切断分闸线圈的电流，动铁心也 不会恢复到合闸状态了。 合闸过程正好相反：在合闸线圈中通电( 见图2 2 b ) ，线圈电流在下部间隙中 产生反磁场，动铁心上受到的总吸力减小，当吸力小于动铁心上的机械负荷使动 铁心向下运动，最后达到合闸位置，如图2 2 c 所示，动铁心重新被永磁体吸合。 切断合闸线圈电流后，动铁心仍然保持在合闸位置，合闸过程结束。 永磁体在收到强烈的反向磁场作用时，其磁性能会降低，这就是永磁体的退 磁。双线圈永磁机构无论是在合闸还是在分闸过程中，线圈电流所产生的外磁场 在永磁体上总是与永磁体自身磁场的方向相同。这就使永磁体不会受反磁场的作 用，永磁铁没有退磁的危险。 由双稳态永磁机构基本结构原理可以知道，双稳态永磁机构有如下优点： 1 、机械寿命长，可靠性高。由于永磁机构零部件数量少，结构简单，运动部 件只有一个，这使永磁机构的机械寿命特别长，容易达到6 万次或更高同时由于 没有容易出现故障的机械锁扣和其它高速运动部件，所以永磁机构发生机械故障 7 北京交通大学硕士学位论文 的概率几乎为零，也即它的机械可靠性非常高。 2 、分合闸时间短，时间分散性小。永磁机构的机械传动十分简单，分合闸线 圈励磁电流产生的磁场直接驱动动铁心，动铁心直接推动真空断路器的主轴作分 合闸运动，这种简单、直接的传动方式使得永磁机构的分合闸时间比较短而且稳 定，分合闸时间的分散性可以控制在l m s 之内。 3 、永磁机构可以配用现代化的电子控制装置，适应配电自动化的要求。电子 控制系统不仅可以完成分、合闸控制，而且还可以完成某些继电保护功能、通信 功能、遥控、在线检测等。电子控制还可以精确发出分合闸信号，为同步开关创 造条件【4 j 。 2 2 线圈电流波形识别的原则 根据系统的观点，断路器的状态也可以视为若干因素一( 激励) 共同作用下的 系统响应。这些因素包括断路器自身的几何参数、物理参数和动态参数、断路器 的运行工况等等。因此，当这些因素都相同或近似时，断路器的状态应该是相似 的，则反映状态的特征参量也应该是近似的。虽然断路器的故障样本多种多样， 但对同一种类、同一型号、在同一工况下运行的状态完好的断路器，其正常状态 应该是相似的。据此，可建立一种相对的判断标准，以已知正常的断路器状态作 为参考状态考察待测状态与参考状态之间的相似程度。当相似程度在一定范围内 时，可认为待测状态是正常的。这就是断路器线圈电流波形识别中使用的相似性 判别原则。 相似性判别原则是粗略的，它只能指出待测状态是否是正常的，而不能给出 异常或故障的具体部位或原因。但是，对于断路器这种缺乏足够的运行数据记录 而不能建立较完善的故障档案的电气设备来讲，相似性原则又是简单实用的。只 要能确定一个正常的状态，后续的判别工作就能开展。同时，若监控系统长期投 入运行对同一断路器同一测点同一参数坚持长期监测，则能在一定程度上克服因 数据的分散性带来的判别偏差，为今后形成诊断知识库或故障实例库积累数据。 这是相似性原则的纵向应用。此外，设备故障总是一种小概率事件，对于同时监 控的多个断路器来讲，多数设备应处于正常状态。因此，可将上述相似性判别规 则进行合理的拓展，以所监控的所有设备的平均状态为参考状态。当某一待测状 态与平均状态的差异超过经验阈值时，则可判为不正常，这是相似性原则的横向 应用，尤其适用于一些新投运的断路器。因此，相似性原则的确立是有一定工程 g 线圈电流波形检测的理论基础 应用价值的。与运行人员和专家的经验相结合，可望形成更加有效的诊断意见， 指导断路器的检修。 2 3 分合闸线圈电流波形检测原理【1 】【5 】【6 】【3 5 】【3 8 】 由前所述，真空永磁断路器的基本结构由导电回路、灭弧装置、绝缘部件、 操动机构和附属部件构成。电磁铁及分合闸线圈是永磁操动机构中的重要组成部 分，控制断路器动作的关键元件。当线圈通过电流时，在电磁铁内部产生磁通， 动铁心受磁力吸引而运动，使断路器分闸或合闸。电磁铁及分合闸线圈的结构示 意及等值电路图如图2 3 所示： u k ( a ) 永磁机构结构图( b ) 操作线圈等效图 1 合闸线圈2 分闸线圈 3 、4 永磁体5 动铁心6 驱动杆 图2 3 永磁机构结构示意及操作线圈等值电路图 f i g 2 3 t h es t r u c t u r eo ft h ep e r m a n e n tm a g n e t i ca n dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i to ft h eo p e r a t i o nc o i l 电磁铁等值为一个电阻r 和一个无电阻的电感线圈。从能量的角度看，电 磁铁的作用是把来自电源的电能转化为磁能，并通过动铁心的运动，再转化为机 械能输出。根据电磁铁线圈电源的不同分为交流电磁铁和直流电磁铁。操动机构 中绝大部分是直流电磁铁，因此，线圈中的电流也为直流电流。电磁铁线圈电流 波形中含有很多信息，反映电磁铁本身以及动触头在操动过程中的工作情况。因 此选择检测线圈电流波形来检测断路器的分合闸状态是可行的。通过霍尔电流传 感器可以很方便地测取分合闸线圈的电流波形。 下面结合图2 3 的等值电路分析电磁铁在吸合过程中的动特性，推导分合闸 线圈中的电流波形。 9 北京交通大学硕士学位论文 当断路器接到分合闸命令时，刀闸k 合上，线圈中通过电流i ，电路微分方 程如下： u ：r i + 坐( 2 1 ) 式中嘞磁链。为简化分析，假设电磁铁不饱和，则有盼f 。电感l 不随i 变化，但随电磁铁的气隙5 的变化而变化，即： u ：r f + d ( l i ) ：r i + 三堕+ f 丝 ，塞差d 万 ( 2 2 ) = r i + 三丝+ f 皇竺皇皇 ：r i + 三堕+ f d l v 当电磁铁线圈刚接通电源时，由于线圈具有一定电感，电流不能立刻达到稳 定电流，而是逐步由零增大。与此同时，铁心吸力逐渐增大。在电磁铁吸力不足 以使铁心动作时，5 = 6m x 为常数，即铁心的运动速度为v - - o 。式( 2 2 ) 变为： 阽尉+ 丘罢 ( 2 - 3 ) 式中l l 为5 = 5 眦x 时，电磁铁线圈的电感。微分方程( 2 3 ) 的通解是： f ：一芒+ 旦( 2 - 4 )f = c 台上i + 兰 式中c 为通解常数。由t = o ，i = o 的初始条件得微分方程( 2 3 ) 的一个特解： z = 争p 一屯 协5 ， 因此，在铁心运动之前，线圈电流i 呈指数上升。在时间t l ，电流增大到动 作电流i d ，电磁铁的吸引力超过反作用力，铁心开始运动，v o 。等值回路中增加 一随时间增大的反电势f 氅y ，一般情况下，线圈电流i 比铁心刚开始运动时的 d d 电流i d 的数值要小，因此，电流i 偏离指数上升曲线，不断下降。这一过程直到 铁心吸合，铁心停止运动，v = o 。由式( 2 2 ) ，电流微分方程变为： 拈尉+ 厶罢 ( 2 - 6 ) 式中l 2 为5 = 5m i n 时，电磁铁线圈的电感。故电流以铁心停止t = t 2 时的电流 1 2 为初值，按指数规律上升，最后达到稳态值i = u r 。上述变化过程可用图2 4 线圈电流波形检测的理论基础 中的典型分合闸线圈电流波形说明： 图2 4 分、合闸线圈的电流波形曲线 f i g 2 4t h ec u r r e n tw a v e f o r mo ft h et r i p p i n go rc l o s i n gc o i l 这一波形根据铁心的运动，明显分为五个阶段： 阶段一，t = t 旷t l 。线圈在t o 时刻通电，到t l 时刻铁心开始运动。t o 为断路器分 ( 合) 命令下达时刻，是断路器分、合闸动作的计时起点。t l 为线圈中电流、 磁通上升到足以驱动铁心运动，即铁心开始运动时刻。这一阶段的特点是电流呈 指数上升，铁心静止。这个阶段的时间与控制电源电压及线圈电阻有关： 阶段二，爿l - t 2 。铁心运动，电流下降。t 2 为控制电流的谷点，代表铁心已经 触动操作机械的负载因而显著减速或停止运动； 阶段三，仁t 2 t 3 。铁心停止运动，电流又呈指数上升； 阶段四，确咱。这一阶段是第三阶段的延续，电流达到近似的稳态； 阶段五，t = t 4 - t 5 。电流开断阶段。辅助开关k 分断，在辅助开关的触头间产 生电弧并被拉长，电弧电压快速升高，迫使电流迅速减小，直到熄灭。 分析线圈电流波形可知，分合闸线圈电流波形能够反映的状态有：铁心运动 机构有无卡滞；脱口、释能机械负载变动的情况；线圈的状态( 如电阻是否正常) ： 与铁心顶杆连接的锁闩和阀门的状态。因此通过检测分合闸线圈电流波形可获取 断路器的状态信息，进而可以有效地改进现有断路器的不足，提高断路器工作的 稳定性和可靠性【7 】【3 4 】。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 控制器的硬件设计与实现 3 1 系统技术指标 3 控制器的硬件设计与实现 永磁机构的智能控制方式是将微机技术和断路器的控制技术有效地结合在一 起，具有更强更灵活的逻辑判断分析能力。由于配有永磁机构的断路器分闸或合 闸特性只与线圈参数有关，同时控制电参数也是可能的并容易实现，因此永磁机 构的分合闸特性可以通过微机系统来控制，从而可以实现真空永磁断路器的智能 控制，检测动铁心的运动位置和线圈电流、瞬时通电时间等参数，并可以实现自 检测功能。同时，可以通过输入接口进行功能的设置和参数的整定【引。 1 、功率输出及控制要求 ( 1 ) 选用可控型高反压i g b t 。 。 ( 2 ) 合闸、分闸线圈独立控制。 ( 3 ) 分闸i g b t 故障时，备用i g b t 自动投入操作分闸线圈分闸。 ( 4 ) 工作电流4 0 a 。 ( 5 ) 带控制接点扩展输出。接点功率2 a 。 ( 6 ) 合、分闸i g b t 导通时间可调。 ( 7 ) 可就地和远传操作。接受指令的闭锁时为2 0 2 0 0 m s 可设置。 ( 8 ) 内置掉电存储信号功能。 ( 9 ) 内部电源自带稳压滤波装置，适应操作电源d c 2 2 0 v 直流电池盘或三 相全桥整流电源及续能电容器电源。纹波o 0 4 2 。 2 、功能要求 ( 1 ) 首次通电或接到合闸指令时除检测电压外，还要对电源的能量进行检测， 能量不足时拒合并报警。 ( 2 ) 对i g b t 具备小电流自动巡检功能，故障报警输出。小电流自动巡检时 分闸指令优先。 ( 3 ) 接到动作指令后，控制器内i g b t 导通，并检测施加在合、分闸线圈上 的电流曲线波形，来判定断路器合、分闸位置并指示。 ( 4 ) 位置传感器的信号指示为参考值，以电流采样为准。 ( 5 ) 接到合或分闸指令随即动作，不得先检查位置再动作。 ( 6 ) 具有合、分闸到位检测。合闸过程结束电流波形与位置开关均正常判定 1 3 北京交通大学硕士学位论文 为合闸正常；合闸电流波形正常位置开关不正常则报警；合闸电流波形不正常立 即分闸；合闸过程中接到分闸指令立即分闸。分闸指令优先，接到立即动作，分 闸电流正常与位置开关均正常判定为分闸正常。两者缺一时再次分闸，主i g b t 故障时备用i g b t 自动运行，再次确定分闸电流正确后，不再再次分闸。执行正 确指令时自动复位。分位置信号不正确报警输出。 ( 7 ) 接到错误指令时，先要动作并发出报警指示，确认是错误指令时，不再 执行动作( 如在合闸位置时给合闸信号，在分闸位置时给分闸信号) 。 ( 8 ) 具备逻辑防跳功能。 ( 9 ) 故障存储。 ( 1 0 ) 功能扩展接口。 3 、环境适应性要求 ( 1 ) 储存温度：3 0 + 4 0 ( 2 ) 工作温度：3 0 + 6 0 4 、控制回路的抗干扰功能，要满足以下标准要求： ( 1 ) 脉冲干扰g b t 1 4 5 9 8 1 3 ( i e c 2 5 5 2 2 1 ) 标准。 共模：2 5 k v 1 m h z 2 s2 5 k v 1 0 0 k h z 2 s 差模：1 o k - v l m h 沈s1 0 k 叫1 0 0 k h 沈s ( 2 ) 静电放电干扰符g b t1 4 5 9 8 1 4 ( i e c 2 5 5 2 2 2 ) 标准。 ( 3 ) 辐射电磁场干扰g b t1 4 5 9 8 9 ( i e c 2 5 5 2 2 3 ) 标准。 ( 4 ) 快速瞬变干扰g b t1 4 5 9 8 1 0 ( i e c 2 5 5 2 2 4 ) 标准。 ( 5 ) 浪涌试验g b f r1 7 6 2 6 5 ( i e c 6 1 0 0 0 - 4 5 ) 标准。 ( 6 ) 传导电磁场干扰试验g b 1 7 6 2 6 6 ( i e c 6 1 0 0 0 - 4 5 ) 标准。 3 2 系统总体结构原理 智能控制器单元具有测量、控制、保护、显示、通讯等功能，其硬件设计围 绕功能进行。整个智能控制器单元根据所完成的功能分为以下几个主要功能模块： c p u 系统、线圈电流数据采集模块、命令输入模块、报警输出模块、用户界面模 块、串行通信模块、线圈驱动模块，电源监测模块等。其中c p u 系统为整个控制 器单元的核心，是断路器实现数字智能化的标志【9 】【1 0 】【1 4 】【1 5 】。 智能控制器单元的硬件总体结构框图如图3 1 所示： 1 4 ， 图3 1 控制器硬件总体结构图 f i g 3 1s t r u c t u r eo ft h ec o n t r o l l e r sh a r d w a r e 永磁机构中的分、合闸线圈必须受电励磁，从而产生电磁吸力方可驱动动铁 心运动。由于分合闸线圈驱动电流很大，如果不及时切断分闸或合闸线圈中的脉 动电流，电源功耗就会很大，同时也有烧毁线圈的危险。因此必须及时切断分闸 或合闸线圈中的脉动电流，这就要靠c p u 模块、驱动模块等共同完成。同时为了 可靠的判断分合闸是否到位，还需要位置开关提供的位置信号，本设计中判断分 合闸位置的依据是驱动线圈电流的波形，因此位置开关的信号仅仅作为参考。c p u 模块通过控制分合闸逻辑驱动电路来实现分合闸线圈的通断，合闸过程结束电流 波形与位置开关均正常判定为合闸正常；合闸电流波形正常位置开关不正常则报 警；合闸电流波形不正常立即分闸；合闸过程中接到分闸指令立即分闸。分闸指 令优先，接到立即动作，分闸电流正常与位置开关均正常判定为分闸正常。两者 缺一时再次分闸，主i g b t 故障时备用i g b t 自动运行，再次确定分闸电流正确 后，不再再次分闸。执行正确指令时自动复位。分位置信号不正确报警输出，接 到错误指令时，先要动作并发出报警指示，确认是错误指令时，不再执行动作。 本控制器中的数据采集模块包括线圈电流采集模块与电源电压采集模块，线 圈电流采集模块由霍尔电流传感器以及调理电路构成，负责采集分合闸线圈电流 数据以实现分合闸状态监控以及驱动回路状态监控；电源电压采集模块负责采集 操作电压以实现对操作电源电压的监控，当电源欠压或者过压时，系统会报警并 且拒绝动作。 本控制器的开关量输入输出模块由几组光耦隔离电路组成，负责本地分合闸 命令的输入、位置开关信号的输入。将外部电平信号隔离，并且转化为c p u 的电 1 5 北京交通大学硕士学位论文 平信号输入给c p u 。 报警输出模块实际上是一个开关量输出电路，通过光耦与继电器实现了 2 2 0 v ，2 a 的接点输出，当c p u 发出相应的报警信号时，便会通过该模块输出信 号，从而与外部保护装置联动。 通信模块用于控制器与p c 端的通信，控制器通过该模块发送监控数据，故 障信息给上位机，同时接受上位机分合闸命令以及参数设置等信息。 当c p u 逻辑模块未接受分闸或合闸命令的空闲时候，会定时地对控制器回路 进行分段在线监测。如果在线监测过程中发现故障，则会发出警示信号，同时闭 锁分闸或合闸信号；如果在线监测过程中接受到分闸或合闸命令，则会即刻关闭 在线监测，执行分闸或合闸命令。 从智能化的角度看，c p u 控制单元直接接收来自控制开关( 现场) 或远方控 制室输出的控制命令，经过必要的逻辑电路后可直接操作并实现自动监测保护， 一旦接收到故障异常状态信息即刻进入自动保护状态。 。 3 3 系统硬件模块设计与实现 3 3 1c p u 模块 处理器主要是对信号进行实时采集处理，完成计量、各种保护和辅助功能， 并且通过通信接口与上位机进行通信。这就要求所选芯片具有较高的速度，对 r o m 和r a m 也要求有较大容量。故选用c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 1 5 单片机，这 种设计所需外围元件少，使得设计简单，布线方便，提高其可靠性，而且在稳定 性和抗干扰能力上都有极大提高。这样，经过软件的精心设计可以完成全部功能， 实现精确的、始终一致的选择性匹配保护，使配电系统的可靠性大大提高。 嵌入式片上系统c 8 0 5 1 f