智能选相真空断路器

1、前言智能选相工作原理智能选相的工作原理以断路器选择在 0°合闸为例。图 1描述了选择系统电压初相角为 0°时进行选相合闸的动作过程。其中, Tt 为目标合闸时间; Td 为延迟时间; Tc 为断路器的合闸时间。断路器在接到合闸指令后, 计算出距离指定合闸相角的合闸时间 Tc和延迟时间 Td, 在经过 Td 的延迟时间后启动断路器的操动机构进行合闸操作, 使触头在指定相位合闸。电压合闸指令触点闭合合闸信号,T-c. 图1永磁机构永磁操作机构技术是本世纪初的最新技术。1992 年前后英国开始将永磁操动技术在工业上应用。1998 年在德国汉诺威博览会上配备永磁操作机构的真空断路器

2、样品首次亮相, 引起了电器行业各制造公司的极大重视。它所配备的永磁操作机构是一种双稳态双线圈结构, 采用电容器作为放电元件, 可用在 10kV 系统的产品上。永磁操作机构的工作原理和结构设计, 是通过将电磁铁和永磁铁相结合, 实现传统断路器操作机构的全部功能, 无需机械脱、锁扣装置, 即可实现机构终端位置的保持功能, 因此它是一种全新的技术。永磁机构实现了应用控制器来控制断路器的分合闸相位, 完成同步关合的控制, 减少过电压和涌流对系统的冲击, 实现了智能化。永磁机构故障源少, 具有较高的可靠性和一般长达十万次的使用寿命,并可实现免维护运行, 提高了系统的整体长寿命。因此永磁操作机构成为智能选

3、相真空断路器的必然选择。单稳态永磁机构的原理是当机构处于合闸位时, 线圈中无电流通过, 由永磁作用使动铁心保持在上端, 分闸弹簧受压为分闸储能。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, 当动铁心受到的向下力和弹簧压力大于静态保持力时, 动铁心向下运动, 实现分闸。当处于分闸位置( 如图 3B 所示), 在操作线圈中通以与分闸操作相反的电流, 由此产生的电磁吸力带动动铁心及动触头完成合闸动作, 并使弹簧储能。由此可以看出单稳态永磁机构仅在合闸位置由永磁保持, 分闸位置由弹簧保持。单稳态永磁机构的工作特点：(1) 单稳态永

4、磁操作机构的结构。在机构中设置有分闸弹簧, 合闸状态靠磁力保持, 分闸状态靠分闸弹簧。分合闸采用同一个单线圈, 通过给线圈不同方向电流来实现分合闸操作。单稳态永磁机构在分闸中, 是靠释放分闸弹簧和触头弹簧的能量来完成的, 可通过调整分闸弹簧, 来调整分闸特性; 又因为分闸弹簧的输出特性与断路器所要求的速度特性相一致, 即具有较高的刚分速度。(2) 单稳态永磁操作机构的分合闸速度特性。单稳态永磁机构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, 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。

5、采用的永磁保持、电磁合闸和弹簧分闸的单稳态永磁操作机构, 与断路器操动技术是较为完美的组合。(3) 单稳态永磁操作机构具有良好的可控性。由分合闸线圈的励磁电流产生的磁场直接驱动动铁心, 动铁心垂直, 与断路器的主轴直接相连, 中间传递部件很少, 具有良好的可控性, 为断路器实现智能化控制创造了条件。(4) 单稳态永磁操作机构的低能耗。单稳态永磁操作机构的一个分合闸循环的能耗明显低于双稳态的永磁机构。单稳态在分闸时利用弹簧力几乎不耗电, 双稳态在分闸时则需要较大的电流。另外在有重合闸的情况下, 单稳态机构可以保证重合闸时的选相精度, 双稳态机构却难以保证实现。(5) 单稳态永磁操作机构的可靠性高

6、。机构零件数量仅二十一个, 运动部件只有一个动铁心, 机械故障的概率大为降低, 机械寿命和可靠性大大提高。 (6) 单稳态永磁机构的小型化和免维护。单稳态永磁机构的分、合闸过程共用一个操作线圈, 结构简单、体积小, 更有利于操动机构和真空断路器设备的小型化和免维护。关于永磁机构的优缺点：优点：(l)永磁机构结构简单，零部件数量少，比弹簧操动机构和电磁操动机构结构都要简单，永磁机构的零部件只有弹簧操动机构的40%左右。若采用永磁机构可大大减少操动机构的维护量。(2)永磁机构分合闸时间短，而且稳定，合分闸时间的分散性可以控制在土1ms内，为同步开关的研发，从而实现消除电容器和变压器的合闸涌流，提高

7、断路器的开断能力具有重大的意义。(3)永磁机构不需要大的直流电源，它可以通过储能电容或用小功率交流电源即可操作，而电磁操动机构合闸操作需要22OV、looA以上，甚至更大的直流电流，从而降低了操作电源的投人费用和维护费用。缺点：(l)永磁体的吸力在分闸过程中起着阻碍分闸的作用，对提高分闸速度不利，在这方面永磁机构较弹簧操动机构或电磁操动机构差。(2)价格较高。在经济不发达地区，使用真空断路器配弹簧操动机构或电磁操动机构无疑更经济。总体方案设计开关输入量信号调理互感器A/D转换电压跟随器DSP(TMS320F28120)光电隔离驱动电路永磁机构永磁机构智能控制装置包括4 个部分：直流电源控制，信

8、号输入输出处理，智能控制，通断线圈驱动与控制单元。该装置全部由新型电子元器件组成，其系统结构原理如图2 所示，同步控制系统主要由主控模块、信号处理采集模块和电子驱动模块三部分组成。(1) 主控模块。由DSP最小系统（包含TMS320F2812、存放重要数据的电可擦除的可编程序只读存储器以及调试程序用的随机存取存储器RAM 等）、人机接口与通信单元组成，它实时判断输入信息，接到远方或就地投切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。(2)信号处理采集模块。由互感器和模拟信号调理单元组成。因为DSP 自带的12 bit A/D 模块，精度已经可以满足系统对零点检测精度和三相电压

9、进行交流同步采样的要求，并能正确反映信号之间的相位关系，就不需要外扩高精度的A/D 模块，同时简化了系统的结构，降低了成本。(3)电子驱动模块。由开关量输入输出组成，主要通过电子驱动装置操动永磁机构，同时用接近开关检测断路器触头状态，实现失压过流闭锁保护。用于捕获引脚上电平的变化，并记录该变化发生的时刻，不占用CPU 的资源。将其设置为下降沿触发方式以捕获断路器分闭合时的电平跳变，在主程序中查询标志位可读取捕获到的动作时间。各单元模块功能介绍及电源设计信号处理采集模块信号处理采集单元主要通过电压互感器将高压回路或低压回路的高电压转变为低电压，再通过2阶RC低通滤波器进行滤波，然后经过电压跟随器

10、处理，由于电压跟随器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，可以看成是一个阻抗转换的电路（低频），这样可以提高原来电路带负载的能力。驱动模块合闸，分闸，闭锁装置由开关量输入输出组成，主要通过电子驱动装置操动永磁机构，同时用接近开关检测断路器触头状态，实现失压过流闭锁保护。用于捕获引脚上电平的变化，并记录该变化发生的时刻，不占用CPU 的资源。将其设置为下降沿触发方式以捕获断路器分闭合时的电平跳变，在主程序中查询标志位可读取捕获到的动作时间。总体设计特殊元器件介绍TMS320F2812: 芯片特点(1)TMS320F2812采用哈佛总线结构的高效32位定点DSP内核。内含16X16、32X32、和双16X

11、16乘累加（MAC）操作；快速的中断响应处理机制；统一的内存规划模式4M子的程序和数据寻址空间：在C/C+和汇编语言方式下都具有很高的代码效率，且代码与C2000系列的其他处理器兼容。（2）128位的加密位，对Flash、OPT及部分SARAM进行加密保护。（3）对CPU和外设控制器具有写保护功能。（4）采用高性能CMOS技术，I/O供电电压及Flash编程电压为3.3伏，内核供电电压降为1.8伏，降低了控制器的功耗。150MIPS的执行速度使指令周期减少到6.67ns，从而提高了控制器的实时控制能力。（5）支持JATG边界扫描。（6）高性能的32位CPU，采用哈佛总线结构，具有16X16双通

12、道MAC，可以进行16X16和32X32MAC操作。CPU可以自动运行，具有统一的储存模式，可以快速响应中断及中断处理。包括4M字线性可寻址的程序空间和4M字线性可寻址的数据空间。在C/C+和汇编语言中代码效率高。（7）片上存储Flash高达128X16,，包括4个8KX16和6个16KX16的程序储存段、2KX16的OPT ROM，M0和M1两个1KX16的SARAM、LO和LI两个4KX16的SARAM块、H0一个8KX16的SARAM。（8）4KX16的BOOT ROM具有软件引导模式和标准的数学库。（9）F2812的外部接口高达1M字的储存容量，根据需要可分别定义为程序空间、数据空间、

13、和I/O空间，有编程等待状态，可编程的读写选择及3个独立的片选信号。（10）灵活的时钟和控制系统，片内晶振，具有动态调整倍频的锁相环技术及可以独立的外设时钟方式；系统具有低功耗运行模式，基于自动锁相技术的时钟发生器及监视系统的看门狗定时器模块。（11）3个外部中断及包含45个外设中断源的外设中断扩展（PIE）模块。（12）用于电脑控制的两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括两个16位的通用定时器；8路带死区的脉宽调制（PWM）脉冲输出；3路捕获单元（CAP）或一路正交编码器接口（QEP）的脉冲输入电路。（13）3个32位的CPU定时器，其中定时器1可以让用户使用，定时器2、3应用与实时操作

14、系统（如DPS/BIOS）。（14）128位安全密码保护Flash/OPT以及L0/L1 SARAM ,防止软硬件方法反向获取代码。（15）包含串行外围接口（SPI）、2个串行通信口（SCIs）、标准的UART、增强的局部控制器网（eCAN）及SPI模式的多通道缓冲串口（McBSP）。（16）16通道的12位ADC（即2个8通道的多路输入）、2个采样保持器，1次转换时间为200ns，连续转换时间为60ns。（17）多达56个独立可编程复用的通用I/O引脚（GPIO）。（18）先进的仿真性能，分析和断点功能可以通过硬件实时调试。（19）开发工具包括ANSIC/C+编译器/汇编器/连接器，支持TM

15、S320C240/240X系列指令、CCS IDE、DSP/BIOS系列、JTAG扫描控制器（TI或者第三方的产品）、评估板及第三方的数字电视机控制板。（20低压省电模式，支持IDLE（空闲）、STANDBY（标准）及LALT（停止）模式 ，不能使用独立的外围时钟。（21）采用小型封装技术。其中，F2812采用179引脚的BGA封装和176引脚的LQFP封装；F2810采用128引脚的LQFP。 IR2112IR2112是高电压、高放大率MOSFET和带独立的推挽放大器，为自举工作方式，门驱动器供电范围从10V到20V。IR2112采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，双列直插14脚封装，

16、具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，15V下静态功率损耗仅116mW，输出的电源端（脚3，即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10V到20V，逻辑电源电压范围（脚9）5到15V，可方便的与TTL与CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有5的偏移量；工作频率高，可达500KHz；开通关断延迟小，分别为120ns和94ns图腾柱输出峰值电流为2A。IR2112有三个部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。光电耦合器 光电隔离器（optoelectronic isolator，英文缩写为OC）、又称光耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。 光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件