（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊控制的高压同步断路器研究.pdf

西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho f s y n c h r o n o u s h i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r b a s e do nf u z z yc o n t r o l p o w e re l e c 仃o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e c a n d i d a t e ：w a n g r u i s u p e r v i s o r ：w a n gj u n a b s t r a c t a so n eo ft h ei m p o r t a n te l e c t r i c a le q u i p m e n t ，t h ec i r c u i tb r e a k e rp l a y s i m p o r t a n tr o l e si n c l u d i n gc o n t r o l l i n g ，a d j u s t m e n ta n dp r o t e c t i n gi np o w e rs y s t e m t h er e l i a b i l i t ya n di n t e l l i g e n c el e v e lo fc i r c u i tb r e a k e rg r e a t l yi n f l u e n c et h es t a b i l i t y a n da u t o m a t i cd e g r e eo fp o w e rs y s t e m w i t ht h ec o n t i n u o u se x p a n d i n go fp o w e r g r i d ，c o n s u m e r sd e m a n dh i g h e rp o w e rr e l i a b i l i t yw h i c hi si n d i c a t e db y t h es t a b i l i t y o fv o l t a g ea n df r e q u e n c y , d i s t o r t i o nr a t eo fv o l t a g e ，t r a n s i e n tt i m ea n ds oo n f r e q u e n to p e r a t i o n so f c i r c u i tb r e a k e rc a u s eal o to ft r a n s i e n tp r o c e s sw h i c hd i r e c t l y a f f e c tp o w e rq u a l i t yi nd i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e m b e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n g t e c h n o l o g yp r o g r e s s e sa n dr e m a r k a b l ea d v a n t a g e s ，v a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri su s e d m o r ea n dm o r ew i d e l yi nd i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i sa n d s u m m a r i z i n g o fr e s e a r c hs t a t u so f s y n c h r o n o u sh i g h - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ra th o m e a n da b r o a d ，ad s p - b a s e df u z z yc o n t r o lo fs y n c h r o n o u sc o n t r o ls o l u t i o n sa r e r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h ep e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o rs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e a r e i n t r o d u c e d t h e n ，d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fb i 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 ra r es y n c - d e p t ha n a l y z e dd u r i n gt h eb r e a k i n ga n d c l o s i n gp r o c e s so ft h es y n c h r o n o u sh i g h - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r s t h ep r e l i m i n a r y c o n c l u s i o n so ft h ep e r m a n e n tm a g n e ti so b t a i n e dt h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no f d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha st h er e l a t i o n s h i po fe l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r s ， i n d u c t a n c eo fp e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r ，c u r r e n ta n dm o v e m e n tt i m eo ft h e d y n a m i cc o r ea n dt h er e l a t i o n s h i po ft h em o v i n gp e r m a n e n tm a g n e tc o r eb o d y i l 两华火学硕士学位论文 d i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n dt i m ep a r a m e t e r s s e c o n d l y , f o rt h en o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fb i s t a b l ep e r m a n e n tm a g n e t i c a c t u a t o r , af u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nt h es y n c h r o n o u sh i g h v o l t a g e c i r c u i tb r e a k e rc o n t r o ls y s t e m t h ef u z z yc o n t r o ls y s t e ma n df u z z ya d a p t i v ec o n t r o l m e t h o da r ep r e s e n t e d ，a n daf u z z yc o n t r o ls y s t e md e s i g nm e t h o di sa l s os t u d i e d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff u z z yc o n t r o l ，af u z z yc o n t r o lm e t h o do ft h e s y n c h r o n o u sh i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e rc o n t r o ls y s t e mi sp r o p o s e d ad s p - b a s e d h a r d w a r es y s t e mi sd e s i g n e da n dt h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e da n dd e b u g g e di nt h i s p a p e r f i n a l l y ，e x p e r i m e n t so fs y n c h r o n o u sh i g h - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ra r ef i n i s h e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e a l - t i m ec o n t r o lo ft h es y n c h r o n o u s h i g h - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e rc o n t r o ls y s t e mi s f a s ta n da c c u r a t e ，a n dp r o v i d e s i m p o r t a n td a t ai no r d e rt of u r t h e rr e s e a r c hf o rs y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i tb r e a k e r s 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 , h i g h - v o l t a g e c i r c u i tb r e a k e r s s y n c h r o n o u s ，f u z z yc o n t r o l ，d s p i i i 西华大学硕十学位论文 声明 本人声明所呈交的学术论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华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谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 导师签名： 7 0 6 月 彭月 乒日 甲日 冲7蜘于搋坪 两华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密4 适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：z 编 日期：叫6 9 指导教师签名： 日期：7 厂 t 7 2 孚 f 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 四川省教育厅重点项目： 新型高压同步断路器若干关键技术研究编号：0 7 z a l 0 8 四川省教育厅重点项目： 基于永磁机构的同步开关理论及应用研究编号：0 5 2 0 9 1 0 0 1 2 课题研究背景及意义 工业的发展对配电系统的要求越来越高，作为电力系统的重要电气设备断 路器在配电、保护线路和保护工业设备中起着非常重要的作用。 断路器俗称自动开关，其作用是保护电气配电网络和工业设备免受短路、 过载、欠电压等故障的破坏。它被广泛应用于配电系统、电力输送系统以及用 电设备中。断路器不仅能够在正常情况下接通或断开负载电流，而且允许在不 正常情况下( 过载、短路、欠电压等) 自动切断电路，从而保护用电设备和电缆等， 故障排除后，可迅速恢复供电。它可以就地操作，也可以远离操作，更加安全、 方便【l 】 2 1 。 电力系统中的高压断路器在关合和开断电路瞬间，系统电压和电流相位通 常是随机的。因此，断路器在关合并联电容器组、电抗器、空载变压器以及空 载线路时常会产生幅值、频率很高的涌流和过电压。这不仅对高压断路器自身 和电力系统其他一次设备的性能带来负面影响( 如电气设备寿命缩短、绝缘击穿 或破坏，继电保护的误动作) 而且也会降低用户电能质量和系统可靠性。近年来， 断路器操作暂态造成的危害引起了人们的极大关注。一种能有效抑制高压断路 器操作暂态的措施是同步断路器技术。同步断路器技术是根据线路电压或电流 相位来合理控制断路器的合分时刻，从而抑制电网中的操作过电压和涌流的一 种技术，从原理上看同步断路器技术较合闸电阻等方法更好，在电能质量和输 配电领域具有广泛的应用前景。国外一些公司和高校正积极研制同步断路器技 术。同步断路器能否在各种条件下达到预期作用的关键在于断路器合、分闸相 位准确度，而影响合分闸相位准确度的主要因素是断路器动作时间的稳定性。 而传统断路器的操动机构主要由连杆、锁扣以及能量传递系统等几部分组成， l 两华大学硕士学位论文 运动环节多、累计运动公差大、可控性差，不能满足同步断路器技术的要求。 因此，研制新型操动机构并采用智能控制技术保证断路器在各种条件下合、分 闸时间的一致性是实现同步断路器技术的难题和关键。 另一方面，高压断路器动触头的运动特性是由操作力和负载反力配合过程 决定的。从降低机械应力和冲击角度出发，断路器分合闸速度不宜过高。但较 高的合闸速度又可以减少触头的合前预击穿，较高的分闸速度也有利于熄弧。 此外，断路器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 零时才能充分发挥灭弧室的开断能力。因此，断路器理想的分合闸运动特性应 尽量同时在满足这几方面的基础上合理取舍。但是，传统的高压断路器只能实 现分合闸动作要求，并且动作过程不可控，断路器的动触头运动特性难以得到 理想水平。因此，开发新型的操动机构及其伺服控制系统，使断路器动触头按 照理想曲线运动，对提高断路器开断水平及机械寿命具有重要意义和工程应用 价值。 传统的断路器的保护功能是通过电磁元件来完成的，其抗干扰能力差，动 作时间长，保护精度较低，整定起来比较困难；而且没有自检测和自诊断功能， 如果元件受到损坏，极有可能引起误动作。随着人们对供电系统自动化程度的 要求越来越高，对断路器也提出了更高的要求：对单台断路器要求其自动化、 智能化、模块化；对于供电系统中多台断路器要求能实现联网控制，集中监控。 同时为了提高断路器工作的可靠性，完善保护功能，降低功耗，节约能源，断 路器的保护由电子式向数字智能化的方向发展，智能化已成为断路器的一个重 要发展方向。 随着微处理器技术和传感技术的发展，开关设备与微电子技术、控制技术、 通讯技术、电力电子技术也日益紧密，电力设备的操作、运行、保护均向智能 化方向发展。近年来人们推出了智能型断路器，所谓智能断路器是在现有的断 路器的基础上增加一个智能控制单元，具有较好的兼容性，不一定要改变现有 的变电站和继电保护系统结构，也不影响现有系统的各种功能，只是增加了一 些新的功能。它具有智能化保护功能，选择性保护精确，能提高供电可靠性， 避免不必要的停电，可实现配电自动化。由于以上诸多优点，因而在电器装置 保护中获得了广泛应用【j j 。 当前，智能化已是断路器的一个重要发展方向。智能断路器的实现主要有 2 西华大学硕士学位论文 以下重要意义： 1 、可实现有关检测、保护、控制、通讯等开关设备一般的智能化功能； 2 、改善了电网供电质量，增加了电网的稳定性； 3 、提高了断路器的可靠性，延长了断路器的操作使用寿命，在工程上有较 大的经济效益； 4 、智能操作理论的深入研究将涉及断路器的性能、自适应控制的原理与装 置、系统工作状态的信号处理和自动识别等一系列新内容，不仅对断路器的发 展具有理论上的意义，而且还有利于一些新兴学科在电力设备中得到应用和发 展。 为了满足市场需求及提高产品竞争力，要求我们设计出性能优良、价格合 理、保护功能完善的智能化断路器。目前，国内外己出现众多不同类型的智能 断路器。智能同步断路器便是其中一种，所谓智能同步断路器，是指断路器在 电路发生故障时，在电流或电压最有利的时刻断开故障。 智能同步断路器与普通断路器相比，具有如下优势： 1 、改善了电网供电质量； 2 、更好的提高了断路器的短路电流分断能力； 3 、提高了断路器电寿命及性能。 智能断路器的控制器是断路器的中枢控制部件，它承担断路器的各种保护、 报警、显示、试验与故障诊断功能，己成为断路器是否先进的主要标志之一。 早期的产品称智能脱扣器，以过电流保护和脱扣功能为主，但通过逐步改进和 发展至今，其功能远不止此。除过电流保护外还有显示、报警、接地保护、电 流显示、电压显示、故障记录和计算机接口等功能t 4 1 t 5 】【6 】。 1 3 高压同步断路器的发展及研究现状 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，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，尤其是不会对环境造成污染等优点得到迅速发展，成为中压开关 领域的主流产品，并不断向高压领域发展【7 】【8 1 。 传统的断路器，是一个被动执行开断和关合线路的装置，其操作指令来自 于人工命令或继电保护单元，断路器本身并无检测、判断电力系统故障和监视 自身状态的能力。因而其体积较大，动作时间长，保护精度低，整定困难，效 西华大学硕士学位论文 果也不够理想。随着社会的发展，技术的进步，人们对供电系统的自动化程度 要求越来越高，传统断路器的功能己不能满足供电系统自动化的需要。为了防 止用电设备发生故障时影响整个供电线路，以及在供电网络出现异常时损坏用 电设备，因此，在传统断路器的基础上就要求其自动化、智能化、模块化，更 可靠和具有更多保护功能。微处理器技术的发展为断路器的智能化提供了条件。 近年来不断推出的智能型断路器，性能更好，可实现配电自动化。它不仅能够 提供普通断路器的各种保护功能，还具有传统断路器无法比拟的特点：控制信 号准确可靠、实时显示电路中的各种参数( 电流、电压、功率、功率因数等) 、随 时设定动作电流和动作时间、存储故障信息、预报警、联网通信等。由于以诸 多优点，因而在电器装置中获得了广泛应用。 美国早在2 0 世纪6 0 年代初就推出了半导体脱扣器，但其可靠性受到担心。 目前国外生产的断路器，除小容量的外，大都装有智能型控制器( 也称脱扣器) 。 如法国m g 公司的m 系列断路器、a b b 公司的f 系列断路器、西门子公司的 3 w e 系列断路器、德国a e 公司的m e 系列断路器，以及美国g e 公司、日本三 菱电机的a e 系列断路器和寺崎电气公司的a l l 系列断路器等。这些断路器在我 国均有应用。 随着技术不断进步，发达国家此类产品也不断更新换代。8 0 年代末期，以 法国m g 公司为代表的国外低压电器生产商推出了不带电磁脱扣器的电子式过 电流脱扣器，采用了微机控制技术，摆脱了电磁脱扣器的束缚，加上其它一些 辅助功能，如电流表、电压表、故障报警、自诊断的应用。日本寺崎电机推出 了x h 系列塑壳断路器采用了8 位微处理机，实现了多功能。9 0 年代初，美国 通用电气公推出了带数字化固态脱扣器的p o w e rb r e a k e r 系列塑壳断路器。a e g 公司开发m e 一0 7 系列代替m e 系列；西门子推出3 w n 6 系列代替3 w e 系列， 其经济技术指标和保护特性均提高了一大步。 我国自六十年代起，开发生产了d w l 0 系列断路器。它的优点是结构简单， 使用方便，便于维修；缺点是短路分断能力低，保护性能差，只有瞬时动作， 难以满足现代电网的配电要求。在八十年代，为了满足电网选择性保护的需要， 提高我国的断路器设计与制造水平，先后引进了一些国外技术，丰富了我国断 路器系列品种，提高了断路器制造行业的工艺水平。八十年代我国开发成功 d w l 5 系列万能式断路器，它不仅提高了短路分断能力( 5 0 k a 8 0 9 a ) ，还采用了 4 西华大学硕士学位论文 半导体式过电流脱扣器，实现了过载长延时和短路短延时，特大短路电流瞬时 动作保护，至今应用非常广泛。在现代化电站和工矿企业中，己广泛采用电子 计算机监控系统，对与之配套的断路器提出了高性能、智能化的要求，并要求 产品具有保护、监测、试验、自诊断、显示等功能。目前，断路器己发展为智 能断路器，其功能除实现基本的保护功能外，还能对主干线路的电压、电流、 功率、功率因数、谐波等电参数及环境温度等进行实时显示、监测及报警，能 通过现场总线进行远程监控等，并且满足配电系统( 尤其对环网系统) 级间精确的 选择性要求、且具有远方控制、能量监视和记录、事故记忆、在线调试等功能， 集保护、测量、监控于一体。 目前，国外己开发研制出系列智能断路器，这些智能断路器的性能远远大 于传统的断路器产品性能。我国在这方面的产品以及研究还算刚刚起步。此方 面的研究人员的工作可谓任重道远。【4 】【5 】【8 】f 9 】 1 4 本文主要研究内容和工作 高压同步断路器的核心是基于微处理器的控制系统，该控制系统的设计首 先要满足较高的可靠性、实时性、准确性、电磁兼容性要求，同时也需要从产 品角度考虑其体积及成本。 因为高压同步断路器需要完成在电路发生短路故障时，在电流或电压最有 利的时刻断开故障，所以针对高压同步断路器控制系统的研究与设计，本文主 要的工作内容如下： 1 、首先分析了高压同步断路器的永磁机构及其特性。 2 、介绍了模糊控制技术，在此基础上研究了高压同步断路器模糊控制方法。 模糊控制具有非常好的稳定性、鲁棒性和实时性，针对高压同步断路器的非线 性特点，引入模糊控制方法，制定出简单适用的规则库，实现高压同步断路器 系统的精确控制。 3 、设计了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为核心的控制器硬件系统，系统具有较 高的可靠性、实时性和准确性，也满足电磁兼容性要求。 4 、基于d s p 的c 语言编程设计出高压同步断路器控制系统软件程序，并 论述了控制器主程序和各子程序模块的设计。 5 、最后，对高压同步断路器控制系统，进行相关的实验调试，并对实验结 果进行了分析。 5 西华大学硕士学位论文 第二章高压同步断路器永磁机构 2 1 永磁机构的结构及工作原理 2 1 1 传统操动机构与永磁机构的比较 断路器的全部使命，归根到底是体现在触头的分合动作上，而分合动作又 是通过操动机构来实现的，因此操动机构的工作性能和质量的优劣直接影响高 压断路器的工作性能和可靠性。从国际、国内断路器的故障统计数字来看，断 路器的机械故障占大多数，高达故障的7 0 【lo 】。因此，为了提高断路器的可靠 性，有必要研制新的操动机构。 传统的真空断路器操动机构有电磁式和电动弹簧式两种。靠电磁力合闸的 操动机构称为电磁操动机构。电磁操动机构在真空断路器发展初期得到了广泛 应用，这是由于电磁操动机构较好地迎合了真空灭弧室的要求：一是开距小 ( 8 - 2 5 m m ) ，二是在合闸位置需要大的操作力( 2 0 0 0 - - - 4 0 0 0 n 相) 。其零件数量约为 1 2 0 个，工作可靠，制造成本低，然而电磁操动机构也有不容忽视的缺点：其磁 路电感l 在合闸过程中变化较大，产生反电动势，从而抑制了合闸线圈动态电 流的增长，而且这种抑制作用随着合闸速度的增加而增强。这样，当线圈的稳 态电流己经较大时，若想用提高线圈稳态电流的方法来抵消这种抑制作用，常 受合闸电源容量的限制。因此，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，直流电磁操动机构合闸时间较长，电源电压波动对合闸速 度影响较大。因此传统电磁操动机构一般用于对速度要求较低的1 2 k v 等级以及 分合闸速度要求不太高的4 0 5 k v 等级的真空断路器中。传统的电磁机构的最大 缺点是操作电流大，因而要求用户配备价格昂贵的蓄电池组，使用不方便。 弹簧操动机构是利用己储能的弹簧为动力，使断路器动作的操动机构。弹 簧储能通常是由电动机通过减速装置来完成。整个操动机构大致可分为弹簧储 能、维持储能、合闸与合闸维持、分闸四个部分。相比之下，弹簧操动机构采 用手动或小功率交流电动机储能，其合闸力不受电源电压影响，相当恒定，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，在一定程度上克服 了电磁操动机构的缺点。然而弹簧操动机构也存在以下不足之处：完全依靠机 械传动，零部件数量多，一般弹簧操动机构有约2 0 0 个零件，且传动机构较为 6 西华大学硕士学位论文 复杂，故障率较高，运动部件多，制造工艺要求较高。 永磁机构是近年来发展起来的一种新型操动机构。这种操动机构将电磁机 构与永久磁铁特殊地结合在一起，利用永久磁铁产生的磁力将真空断路器保持 在合闸位置或分闸位置，而无须任何传统的脱扣和锁扣装置。该机构的输出力 特性可以设计到很接近真空断路器的负载特性【l ，因此可以直接与灭弧室相连。 该机构体积小、零部件数量少、结构简单，大大提高了断路器的机械可靠性。 a b b 公司研制生产的v m l 型配永磁机构的真空断路器机械寿命达到l o 万次， 其永磁机构的机械寿命为1 0 万次，而采用传统的操动机构很难达到这一指标i l 引。 2 1 2 永磁机构结构i ”j 。 尽管永磁机构有不同的结构形式，工作原理却大体相似。永磁机构就其实 质而言，是用永磁体实现合闸保持合分闸保持( 有时只用永磁体作合闸保持而 不做分闸保持) 的一种新型的电磁操动机构。 永磁机构的合闸都采用电磁操动。按照机构再分闸时的不同，永磁机构可 以分为电磁操动( 也即俗称的双稳态) 和弹簧操动( 也即俗称的单稳态) 两种 形式。从线圈数目上分，分为双线圈式和单线圈式。从外形结构上分，分为方 形结构和圆型结构。 坦副 1 4 2 1 l 3 l 嚼拥 豳图 7 f i g 2 一lp 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 图2 - 1永磁机构剖面图 l 一静铁心2 一动铁心3 、4 一永磁体 5 一分闸线圈嘶闸线圈 卜驱动杆 7 西华大学硕士学位论文 如图2 1 ，永磁机构共由七个主要零件组成：1 为静铁心，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 为动铁心，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。由上述可知，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。 2 1 3 双稳态永磁机构原理 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。 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， 西华大学硕士学位论文 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。 b ) 乍 、似、 1，馕 1i 黔 sr jf 德 n t 。 nl s 1 。 l f瓤 r - 一， 一 一 c)d) 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 图2 - 2双稳态永磁机构操作过程原理图 a ) 合闸状态b ) 分闸过程c ) 分闸状态d ) 合闸过程 l 一静铁心2 一动铁心3 一合闸线圈4 、5 一永磁体仁分闸线圈 7 一下磁极8 一上磁极9 一驱动杆 i 一永磁体磁场i i - 一分闸励磁磁场i 一合闸励磁磁场 o 西华大学硕士学位论文 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 ) 中的回线i i i 。 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， 动铁心也不恢复到合闸状态。合闸过程正好相反：在合闸线圈中通电( 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，永磁体没有退磁的危险。 2 2 永磁机构的磁路分析 本节以双稳态永磁机构为例，主要从原理上分析动铁心在上下极限位置永 磁机构的磁路。 2 2 1 磁路分析 双稳态永磁机构的原理图如图2 2 所示。图2 3 是其磁路图，这是永磁机构的 一种典型磁路。磁路中的磁动势矾及磁阻尺。组成钕铁硼永磁体的等效磁路， 由于钕铁硼材料的去磁曲线基本上是一直线，因此砜与尺。取常数，其中，为 线圈电流，以为线圈匝数。磁路中两个控制线圈的安匝数设为巩和巩，两 个工作气隙的磁阻冠、足均可表示为： l o 西华大学硕士学位论文 尺= 旦 g o s 式( 2 1 ) 中，风为空气磁导率；s 为磁极面积，万为空气隙长度， 于两个极端位置时，空气隙的磁阻为e , o 及心 n磊 舻希 6 只片= 二l o s ( 2 1 ) 当动铁心位 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式( 2 2 ) e e ，戍为最小气隙长度；式( 2 - 3 ) 中，瓯为最大气隙长度，其中8 0 瓦。 i n l l n 2 1 l 铆 上锄 f i g 2 - 3m a g n e t i cc i r c u i to f b i s t a b l ep m a 图2 - 3双稳态永磁机构磁路 为了便于求解磁路，假设磁路为线性，采用叠加定理可将图2 - 3 的磁路分解为 图2 4 三个磁路的叠加。 上们 + 上却 1 l 蛔 + 1 l 蛔 f i g 2 4 s t a c k i n go fm a g n e t i cc i r c u i to i lb i s t a b l ep m a 图2 _ 4双稳态永磁机构磁路的叠加 在图2 4 的三个磁路中，每个磁路的总电阻分别为 如= 盟筹 r z i - 盟掣 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 两华大学硕士学位论文 r z 2 - 盟掣 ( 2 - 6 ) 由痧= 一i n 及分流后得 r 矽= i n , r 2 西= i n , r i “ 勿：坐! 竺生2 ” 西：垡益 。1 2 勿= i n 2 r , 。 痧：坐( 垒垒2 。“ 式( 2 7 ) - ( 2 1 2 ) q b ，= r l 恐+ 尺l 如+ 垦如 ( 1 ) 当动铁心处于上部吸合位置时，即动铁心的上端与静铁心的上磁极接 触。此时要使其分闸，也就是使动铁心向下运动，就要在分闸线圈中通以电流。 因此，在通电的瞬间，i n , = 0 ，啦= i n 。相应的由图2 - 4 可得出上下气隙的磁 通为 哆= 吃，一吃，；唆= 吃一吃： ( 2 - 1 3 ) 将式( 2 7 ) 、式( 2 - 8 ) 、式( 2 - 11 ) 、式( 2 1 2 ) 代入得 哆= 否1 【飓一i n , r a ( 2 - 1 4 ) 欢= a e i n ( r o + ) + i n r o ( 2 - 1 5 ) ( 2 ) 当动铁心处于下部极端位置时，即动铁心得下端与静铁心的下磁极接触， 此时要使其合闸，也就是使动铁心向上运动，就要在合闸线圈中通以电流。因此， 在通电的瞬间，烈= i n ，巩= 0 。相应的由图2 4 可得出上下气隙的磁通为 1 2 乃 砷 聊 埘 北 p 西华大学硕士学位论文 诌= 钨，一九。；缟= 缟：+ 屯：( 2 - 1 6 ) 将式( 2 7 ) 、式( 2 8 ) 、式( 2 9 ) 、式( 2 1 0 ) 代入上式得 1 一 一 钨= 州( + r ) 一巩恐 ( 2 - 1 7 ) l 唆= 【删咒+ 巩r 】 ( 2 1 8 ) 凸 ( 3 ) 当动铁心位于静铁心的中部，永磁体通过上部和下部气隙的磁阻蜀、r 完全相等，动铁心的上端和下端受静铁心的吸力完全相等，但这是一种不稳定 的状态，而且动铁心在合闸和分闸过程中都要这种状态，并且只要上下气隙稍 有变化就会破坏这种状态，过渡到上面两种状态。另外电流也在变化，因此此 处无实际意义上的磁路分析。【1 4 】【1 7 2 2 2 永磁机构的始动安匝 当永磁机构的动铁心处于上部吸合位置时，即处于合闸状态，要使其分闸， 只要在分闸线圈种通以电流，使上部气隙磁通降低，动铁心向上的吸力只随之 减少；与此同时，下部气隙磁通增加，动铁心向下的吸力只增加。当电流增大 到一定值时，动铁心所受的吸力之和等于动铁心上的机械负载c ，这时动铁心 将向下运动。若设只= o ，则互= 五。因为吸力f 正比于，所以有 川= 训 ( 2 - 1 9 ) 将式( 2 - 1 4 ) 、式( 2 1 5 ) 、式( 2 1 7 ) 、式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 9 ) 中，求解肼值，此肼 值即为动铁心在上部和下部两种极限位置下的始动安匝巩。 ( 1 ) 动铁心位于上端极限位置，给分闸线圈通电，由此可知川= 0 ，并得 出 巩，= 砜箍 ( 2 _ 2 。) ( 2 ) 动铁心位于下端极限位置，给合闸线圈通电，由此可知巩= 0 ，得出 巩，= 砜糕 ( 2 - 2 1 ) 两华大学硕士学位论文 由于实际情况下， r r m r 万，因此，n l ， d s p 信号检测 l 七乡 主 光电 控 检测 卜 耦合 1 篮 单元 、 器 兀 断i 器状态 f 1卜、 通信 l 八 计算 、n 单元 、广， 机 7 分合闸线圈 - 彳1 t 旦主7 r 、 j 一 f i g 4 2h a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es y n c h r o n o u sh i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e rc o n t r o ls y s t e m 图4 2高压同步断路器控制系统的硬件结构框图 高压同步断路器控制系统设计中有四个主要问题需要解决：( 1 ) 永磁机构 的电源方案设计；( 2 ) 断路器分、合闸状态的检测；( 3 ) 分、合闸线圈操作单 西华大学硕士学位论文 元；( 4 ) 控制器的电磁兼容性。 4 2 1 永磁机构的电源方案设计 给永磁机构的分、合闸线圈通电，从而产生电磁吸力驱动铁心运动，必须 达到一定的励磁安匝数，这样才能满足真空断路器的分、合闸速度要求。 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；第二是采用蓄电池。由于电容器的充电时间较短，可采用常 规电源对其充电。因不必考虑充电过量的危险，不需对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，不易受损。另外，电容器体积 较小，可以并联使用，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。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它方式。 储能电容器用于储存能量，当合分闸时，它向合闸线圈或分闸线圈提供高 达2 6 0 0 w 的脉冲电能，使断路器完成合分闸操作。每次放电后，它能在1 0 s 内 被重新充电。晶体管和晶闸管等电力半导体用于分合闸电流的控制。当分、合 闸线圈突然失电时，由于分、合闸线圈属电感性元件，电流不能突变，会产生 过电压，这时采用续流二极管可以很好地解决这一问题。 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。户内永磁机构电源多为d c l 5 0 v 左右，必须保证 为电容器充电的电源输出电压为d c l 5 0 v 。开关电源在设计电源方案时考虑了电 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 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。 4 2 2 断路器分、合闸状态的检测 永磁机构断路器必须保证可靠地处于分、合闸位置，决不允许出现中间状 态等故障位置，一旦出现故障位置，应及时报警。同时，永磁机构在铁心运动 到分、合闸位置后，为避免热损耗及电源损耗，应及时断电。这就需要对断路 器的分、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、触头氧化，经常会使触头接 触不良，甚至失效。因此，应使用电子开关和非接触式传感器来取代传统的辅 助开关。 3 5 两华大学硕士学位论文 当接受到来自手动、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、地电平，自动检测断路器所处 位置，以决定是否执行分、合闸指令。若分、合闸指令同时收到，则c p u 会通 过逻辑控制器及时闭锁合闸命令而响应分闸指令；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 模块也会通过逻辑控制器及时闭锁 合闸命令而发出分闸指令。 4 2 3 断路器分、合闸线圈操作单元 执行单元电路如图4 3 所示。通过变压器给电容器充电；m 5 7 9 6 2 是i g b t 专用驱动模块，能驱动高达3 0 0 a 的1 2 0 0 vi g b t 。它隔离性能好，抗干扰能力强， 同时具有过流检测及切断电路等功能。控制信号通过分别给分闸线圈和合闸线 圈通电来完成断路器的分闸操作和合闸操作。 f i g 4 3t h e c i r c u i td i a g r a mo fe x e c u t i o nc e l l 图4 - 3 执行单元电路图 4 2 4 控制器的电磁兼容性 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。电磁干扰对于传统开关电器 的影响不大，而电子元件和设备对电磁干扰较敏感，必须采取措施加以限制， 否则就会因电磁干扰而引起系统的误动作或损坏。电磁兼容的基本任务是协调 干扰发射者和干扰敏感者之间的关系，使其“兼容”。 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 的开关来讲，电磁兼容问题具体包括三个方面的工作：干扰源分析、耦合机理 与滤波、电磁屏蔽等抗干扰措施。它