配永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器運(yùn)動特性控制技術(shù)的研究

1、年月高壓電器第卷第期文章編號：（）!"!"配永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器運(yùn)動特性控制技術(shù)的研究黃瑜瓏，王靜君，徐國政，錢家驪（清華大學(xué)電機(jī)系，北京），（，）摘要：真空斷路器的動觸頭運(yùn)動特性對其開斷能力和壽命影響很大。介紹了一種控制分閘運(yùn)動特性的方法，通過控制永磁機(jī)構(gòu)的分、合閘線圈的接入時(shí)間，控制分閘的的運(yùn)動特性。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性。關(guān)鍵詞：真空斷路器；永磁機(jī)構(gòu)；運(yùn)動特性中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：的兩種分閘行程特性，平均分閘速度一樣，但開斷性能差異很大，圖中：為傳統(tǒng)型分閘曲線，分閘特性不好，為理想型分閘曲線，分閘特性好。：（）：；引言由于滅弧室技術(shù)和操動機(jī)構(gòu)制造技術(shù)

2、的進(jìn)步，使得高壓斷路器的可靠性有很大的提高，進(jìn)而減少了維護(hù)。在真空斷路器的合閘操作過程中，永磁機(jī)構(gòu)有一個(gè)很好的力合閘行程特性，非常接近與真空斷路器合閘操作的要求，但永磁機(jī)構(gòu)的分閘特性并不理想，為了克服機(jī)構(gòu)本身的機(jī)械固有特性的限制，可以采用新的原理和合分閘操作的控制方法。介紹了一種控制分閘運(yùn)動特性的方法，通過控制永磁機(jī)構(gòu)的分閘和合閘線圈通電時(shí)刻，控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)較為理想的分閘運(yùn)動特性。真空斷路器動觸頭理想運(yùn)動特性圖所示是真空斷路器滅弧室動觸頭分閘操作收稿日期：學(xué)研究及教學(xué)工作。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知，后開相的滅弧時(shí)間在時(shí)間段，而傳統(tǒng)型動觸頭分閘運(yùn)動到底振動最強(qiáng)烈的時(shí)間也正好是區(qū)域，在觸頭弧根凝固時(shí)遇到

3、強(qiáng)烈振動，飛濺的金屬懸浮微粒和不平整的觸頭表面都是重?fù)舸┖烷_斷失敗的因素。理想曲線分閘到底時(shí)間處于約，為觸頭凝固提供了約的時(shí)間，有利于觸頭表面保持平整及觸頭空間潔凈，消除重?fù)舸┌l(fā)生的外界條件。傳統(tǒng)曲線的剛分速度小，理想曲線提升了剛分速度。動觸頭剛分速度越高越有利于開斷電流。對于一定的開斷電流，間隙大于一定值之后，隨觸頭間隙的進(jìn)一步增加，開斷電流有所下降，間隙越大，電弧在陽極上的收縮越嚴(yán)重，電弧的嚴(yán)重收縮導(dǎo)致陽極熔化，出現(xiàn)點(diǎn)狀陽極斑點(diǎn)。陽極斑點(diǎn)的出現(xiàn)使陽極表面變得十分活躍，向觸頭間隙噴射大量金屬蒸氣，導(dǎo)致電流過零點(diǎn)不能熄弧。對于每種真空滅弧室都有規(guī)定的短路開斷電流，同時(shí)也相應(yīng)有一最作者簡介：黃瑜

4、瓏（），男，副教授，從事在線監(jiān)測及故障診斷、高壓電器的智能化，嵌入式單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用方面科!"研究與分析!"年月高壓電器第卷第期佳開距區(qū)。動觸頭在此區(qū)間內(nèi)運(yùn)動速度應(yīng)較慢，以便使電流在此間隙內(nèi)過零。開斷電流只有在最佳間隙區(qū)間過零，才能充分發(fā)揮真空滅弧室的開斷能力。傳統(tǒng)曲線在開斷小電流時(shí)，后開相間距太大，金屬蒸氣的平均密度小，維持小電流的能力差，截流水平就會增大，而理想曲線后開相間距小，金屬蒸氣平均密度高，維持小電流能力增強(qiáng)，截流水平大為降低。傳統(tǒng)操動機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)理想特性對于彈簧機(jī)構(gòu)的真空斷路器，當(dāng)要提高分閘速度時(shí)，一方面勢必要加強(qiáng)分閘彈簧，這就要求加強(qiáng)合閘力，過度增加又會引起

5、動觸頭及傳動件表面強(qiáng)烈的沖擊變形和彈跳；另一方面提高分閘速度時(shí)，也容易產(chǎn)生在開斷到底時(shí)較大的震動，見圖的傳統(tǒng)型分閘曲線。在彈簧操動機(jī)構(gòu)合閘或分閘操作啟動后，難于進(jìn)行運(yùn)動過程中的調(diào)節(jié)控制。在時(shí)刻，分閘線圈通電，電流從開始上升。在時(shí)刻，分閘線圈電流達(dá)到了動鐵心的始動電流值，操動機(jī)構(gòu)鐵心開始運(yùn)動。在時(shí)刻，動觸頭與靜觸頭分離。在時(shí)刻，分閘線圈與儲能電容電容器組成的放電回路斷開，分閘線圈通過續(xù)流回路放電。在時(shí)刻，動鐵心運(yùn)動到最大位置。在時(shí)刻，動鐵心有反彈運(yùn)動。圖中，所測量到的分閘操作動鐵心速度是先慢后快，在運(yùn)動到分閘位置時(shí)刻最大，產(chǎn)生了較大的撞擊，分閘特性不理想。一種改進(jìn)的永磁操動機(jī)構(gòu)控制方法技術(shù)進(jìn)步為

6、改善運(yùn)動特性提供條件近十年來，微計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，基于單片機(jī)、等微控制器的嵌入式系統(tǒng)已較廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的測量、保護(hù)和控制設(shè)備中，其工作性能、可靠性、價(jià)格等已能滿足電力系統(tǒng)的要求，提高了電力系統(tǒng)中設(shè)備的性能和自動化水平。在研究過程中就是把微計(jì)算機(jī)、電力電子和控制技術(shù)運(yùn)用在高壓斷路器的操動過程中，實(shí)現(xiàn)斷路器最佳運(yùn)動特性的要求。只依靠對操動機(jī)構(gòu)的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高運(yùn)動特性是有限度的。在已有的永磁操動機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用電力電子和微計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，筆者在實(shí)驗(yàn)室研究了一種永磁操動機(jī)構(gòu)的控制方法。圖是試驗(yàn)中用的真空斷路器永磁操動機(jī)構(gòu)控制電路，每個(gè)線圈由個(gè)開關(guān)模塊控制，線

7、圈可以獲得正向電流，還可以獲得反向電流。由一個(gè)單片機(jī)構(gòu)成的控制單元控制的開通和關(guān)斷，這合閘操作提供了多種控制方法。樣設(shè)計(jì)，給分、永磁操動機(jī)構(gòu)現(xiàn)有的控制方法對于雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)，合閘操作過程中，永磁機(jī)構(gòu)有一個(gè)很好的力合閘行程特性，非常接近真空斷路器合閘操作的要求。但是，在現(xiàn)有的控制方式下，永磁機(jī)構(gòu)的分閘特性并不理想。永磁機(jī)構(gòu)是由電磁鐵的動鐵心作為驅(qū)動元件，一起參與分閘的運(yùn)動，增加了分閘操作的運(yùn)動慣量，不利于提高分閘的初速度。這些缺點(diǎn)在把永磁機(jī)構(gòu)應(yīng)用到或更高電壓等級的斷路器中變得更為突出。圖是一種雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)分閘操作波形圖。圖中：分閘線圈電流每格，時(shí)間軸每格。由于已有的行程傳感器很難安裝在

8、滅弧室的動觸頭上，試驗(yàn)中行程傳感器是安裝在動鐵心上。分閘操作方式分閘線圈通正向電流，合閘線圈通過反向電流，分閘線圈和合閘線圈產(chǎn)生的電磁力共同作用，驅(qū)動鐵心加速運(yùn)動，見圖。圖中：合、分閘線圈電流值為每格，時(shí)間軸每格為，下圖同。在時(shí)刻，單片機(jī)發(fā)出分閘信號，經(jīng)驅(qū)動電路，使圖中的，導(dǎo)通，分閘線圈通正向電流，同時(shí)，導(dǎo)通，合閘線圈通年月高壓電器第卷第期反向電流，分閘線圈和合閘線圈產(chǎn)生的電磁力共同作用于鐵心，驅(qū)動鐵心向分閘線圈方向運(yùn)動。在時(shí)刻，分閘線圈和合閘線圈的電流達(dá)到了動鐵心的始動電流值，動鐵心開始運(yùn)動。在時(shí)刻，動觸頭與靜觸頭分離。在時(shí)刻，單片機(jī)發(fā)信號，關(guān)斷，合閘線圈通過，組成的續(xù)流回路放電。在時(shí)刻，動

9、鐵心運(yùn)動到分閘位置，單片機(jī)發(fā)信號，關(guān)斷，分閘線圈通過，的續(xù)流回路放電。分閘操作方式分閘線圈通正向電流，驅(qū)動鐵心運(yùn)動，進(jìn)行分閘操作，合閘線圈通過正向電流，起減緩鐵心運(yùn)動速度和分閘緩沖的作用。見圖。在時(shí)刻，單片機(jī)發(fā)出分閘信號，經(jīng)驅(qū)動電路，使圖中的，導(dǎo)通，分閘線圈通正在時(shí)向電流，分閘線圈產(chǎn)生的電磁力作用于鐵心?？蹋珠l線圈的電流達(dá)到了動鐵心的始動電流值，動鐵心開始分閘運(yùn)動。在時(shí)刻，動觸頭與靜觸頭分離。在時(shí)刻，單片機(jī)發(fā)信號，關(guān)斷，分閘線圈通過，組成的續(xù)流回路放電。同時(shí)，導(dǎo)通，合閘線圈通過正向電流，產(chǎn)生的電磁力使動鐵心運(yùn)動減速。在時(shí)刻，動鐵心運(yùn)動到分閘最大位置。在時(shí)刻，關(guān)斷。分閘操作方式分閘線圈通正向電

10、流，產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動鐵心加速運(yùn)動。動觸頭與靜觸頭分離后，分閘線圈通過反向電流，產(chǎn)生的電磁力作用于鐵心，起減緩鐵心運(yùn)動速度和分閘緩沖的作用。見圖。在時(shí)刻，單片機(jī)發(fā)出分閘信號，經(jīng)驅(qū)動電路，使圖中的，導(dǎo)通，分閘線圈通正向電流，分閘線圈產(chǎn)生的電磁力于鐵心。在時(shí)刻，分閘線圈的電流達(dá)到了動鐵心的始動電流值，動鐵心開始運(yùn)動。在時(shí)刻，動觸頭與靜觸頭分離。在時(shí)刻，單片機(jī)發(fā)信號，關(guān)斷，分閘線圈通過，組成的續(xù)流回路放電。在時(shí)刻，單片機(jī)發(fā)信號，導(dǎo)通，分閘線圈通過反向電流，產(chǎn)生的電磁力使鐵心運(yùn)動減速。在時(shí)刻，動鐵心運(yùn)動到分閘最大位置。在時(shí)刻，關(guān)斷。試驗(yàn)結(jié)果分析（）從操作方式的試驗(yàn)測量圖（圖）中可以得出，線圈通電至動靜觸

11、頭分離時(shí)間為，比圖中的短，但動鐵心的分閘速度是先慢后快，運(yùn)動特性不理想。（）從操作方式的試驗(yàn)測量圖（圖）中可以得出，分閘的前期和后期速度基本相等，與分閘操作方式比較，運(yùn)動特性有所改善。（）從操作方式的試驗(yàn)測量圖（圖）中可以得出，分閘速度先快后慢，運(yùn)動特性有較大的改善。試驗(yàn)的結(jié)果說明，在分閘操作過程中，在動觸頭與靜觸頭分離后，給分閘線圈通反向電流或給合閘線圈通過正向電流，可以減緩鐵心運(yùn)動速度，起分閘緩沖的作用，減小操作過程中的機(jī)械振動，可以提高雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)斷路器的操作特性。如果對合、分閘操作線圈的電流波形進(jìn)行更準(zhǔn)確的控制，應(yīng)能更加準(zhǔn)確地控制動鐵心的運(yùn)動特性，達(dá)到控制真空斷路器運(yùn)動特性的目的，這方面的研究，將在以后的論文中發(fā)表。結(jié)語筆者介紹了一種真空斷路器永磁操動機(jī)構(gòu)分閘特性的控制方法，通過控制分、合閘線圈的接入時(shí)間，控制動鐵心的運(yùn)