單穩(wěn)態(tài)柱上永磁機(jī)構(gòu)斷路器電源設(shè)計(jì)

黃新波 ，王巖妹 ，朱永燦 ，朱海濤 ，王軍安 ，趙偉強(qiáng)

（1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安電子科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710071）

0 引言

配電網(wǎng)中永磁機(jī)構(gòu)斷路器常安裝于10 kV架空配電線路的責(zé)任分界點(diǎn)處，可以實(shí)現(xiàn)單相接地故障、相間短路故障的快速切除，避免同一條饋線上的其他用戶停電，提高了非故障用戶的供電可靠性。永磁操作機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的電磁機(jī)構(gòu)和彈簧機(jī)構(gòu)相比，主要通過動(dòng)鐵芯與主軸傳動(dòng)拐臂直接相連，驅(qū)動(dòng)動(dòng)觸頭動(dòng)作，無需機(jī)械脫、鎖扣裝置，簡化了傳動(dòng)鏈，減少了故障率，并且機(jī)械壽命可高達(dá)10萬次以上，機(jī)械壽命提高了3倍之多［1-5］。目前市場(chǎng)上永磁操作機(jī)構(gòu)的使用相對(duì)較少，但隨著農(nóng)網(wǎng)配電系統(tǒng)改造，未來市場(chǎng)需要更換新設(shè)備的需求量很大，為滿足用戶對(duì)智能控制的需求，研制配套的單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器控制器顯得尤為重要［6-7］。

永磁機(jī)構(gòu)斷路器及其控制器穩(wěn)定運(yùn)行的前提是有可靠的電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)一方面給永磁機(jī)構(gòu)分合閘線圈提供瞬時(shí)大電流，驅(qū)動(dòng)永磁機(jī)構(gòu)斷路器實(shí)現(xiàn)分合閘操作；另一方面給控制器提供工作電源，實(shí)現(xiàn)斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、人機(jī)界面顯示、保護(hù)以及通信等功能［8］。其中分合閘驅(qū)動(dòng)電路對(duì)永磁機(jī)構(gòu)斷路器的分合閘成功率有重大影響，分合閘電流在線圈中的持續(xù)時(shí)間直接影響到斷路器分合閘操作的可靠性及其機(jī)械壽命。選擇最優(yōu)分合閘脈沖時(shí)間，可以有效地縮短IGBT導(dǎo)通時(shí)間，解決儲(chǔ)能電容器對(duì)分合閘線圈放電時(shí)間不準(zhǔn)確、分散性大等問題。微控制器（MCU）可以通過監(jiān)測(cè)斷路器分合閘次數(shù)與浴盆曲線的關(guān)系，改變IGBT導(dǎo)通的脈沖時(shí)間來調(diào)整分合閘操作時(shí)間，從而起到延長永磁機(jī)構(gòu)斷路器的機(jī)械壽命的作用。

1 永磁機(jī)構(gòu)控制器電源系統(tǒng)的構(gòu)成

控制器電源系統(tǒng)框圖如圖1所示。供電電源部分采用10 kV架空配電線路電壓互感器（TV）及蓄電池組互補(bǔ)供電方式，通過電源管理模塊實(shí)現(xiàn)電源的智能控制。裝置電源部分采用多個(gè)獨(dú)立的DC/DC電源模塊，滿足裝置不同電壓需求。分合閘驅(qū)動(dòng)電源部分是控制器電源系統(tǒng)的核心，驅(qū)動(dòng)永磁機(jī)構(gòu)斷路器實(shí)現(xiàn)分合閘操作，對(duì)斷路器的性能起重要作用［9］。

圖1 控制器電源系統(tǒng)Fig.1 Power system of controller

2 電源系統(tǒng)的3個(gè)主要部分

2.1 供電電源

柱上斷路器及其控制器安裝在戶外，沒有現(xiàn)成的工作電源，所以本裝置采用配電線路TV及蓄電池組互補(bǔ)的供電方式［10］。配電線路正常供電時(shí)，TV輸出的交流信號(hào)經(jīng)過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為直流24 V，在為裝置供電的同時(shí)也為蓄電池組、大容量電解電容器充電。當(dāng)配電線路停電或電壓跌落嚴(yán)重而不能提供穩(wěn)定電源時(shí)，24 V蓄電池組作為后備電源給整個(gè)裝置供電，保證控制器及斷路器可靠工作，從而實(shí)現(xiàn)不間斷供電的目的。其主要切換電路原理圖見圖2。

圖2 電源切換電路Fig.2 Switching circuit of power supply

正常情況下由配電線路TV輸出交流220 V，經(jīng)開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成直流24 V為裝置電源供電，同時(shí)裝置電源采用DC/DC模塊供電方式，以滿足MCU（STM32F103）及其外設(shè)的供電需求。當(dāng)配電線路出現(xiàn)短暫故障或者失壓時(shí)，因開關(guān)電源內(nèi)有電感，故電壓是緩慢下降的，當(dāng)檢測(cè)到直流電壓小于18 V時(shí)，MCU的相應(yīng)管腳發(fā)出一個(gè)高電平，使三極管9013、功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF4905導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)蓄電池組給裝置電源供電，從而達(dá)到硬件上電源的無間斷切換的目的。當(dāng)控制器在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、檢修時(shí)，整機(jī)處于斷電狀態(tài)，必須通過電池激活按鍵，給MCU一個(gè)激活信號(hào)后，才能啟動(dòng)控制器工作。

2.2 裝置電源

裝置電源中DC/DC電源模塊采用密閉式電源轉(zhuǎn)換模塊，不僅可以適應(yīng)戶外惡劣的環(huán)境條件，同時(shí)具備較高的電源轉(zhuǎn)換效率，保證整個(gè)控制器可以穩(wěn)定運(yùn)行。其中多處用到隔離穩(wěn)壓電源模塊，其具有體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，為各種設(shè)備提供不受干擾的穩(wěn)定電壓。

2.3 分合閘驅(qū)動(dòng)電源

分合閘驅(qū)動(dòng)電源是驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，主要由瞬時(shí)大功率電源、電容器電壓監(jiān)測(cè)電路和IGBT全橋驅(qū)動(dòng)電路三部分組成。

2.3.1 瞬時(shí)大功率電源

分合閘瞬時(shí)電流很大，TV及蓄電池組都難以提供所需的瞬時(shí)功率，本控制器采用容量為22000 μF、耐壓250 V的大容量電解電容器作為斷路器的儲(chǔ)能元件，給分合閘提供瞬時(shí)大電流［11］。當(dāng)輸電線路因故障斷電時(shí)，儲(chǔ)能電容器容量可滿足至少一組“分-合-分”操作，以便及時(shí)、徹底地切除永久性故障［12］。本設(shè)計(jì)采用直流220V專用電容充電模塊，可以以500mA恒流實(shí)現(xiàn)在內(nèi)完成對(duì)儲(chǔ)能電容器充電，同時(shí)對(duì)電容器起過壓保護(hù)等作用。

2.3.2 電容器電壓監(jiān)測(cè)電路

電容器電壓監(jiān)測(cè)電路采用LM2903構(gòu)成2路比較器電路，儲(chǔ)能電容器上220 V電壓通過電阻分壓后與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出的開關(guān)信號(hào)通過光耦隔離后送給MCU，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本裝置中通過電阻匹配后，設(shè)定閉鎖電壓范圍為170～180 V，當(dāng)電容器兩端的電壓低于170 V時(shí)，MCU對(duì)斷路器分合閘操作進(jìn)行低電壓閉鎖，防止因?yàn)殡娙萜鲀?chǔ)能不足導(dǎo)致分合閘失??；當(dāng)電容電壓高于180 V時(shí)，MCU對(duì)電容器解除低電壓閉鎖，可以進(jìn)行分合閘或自動(dòng)重合閘等操作。電容器電壓監(jiān)測(cè)電路如圖3所示，圖中UOP為電容器操作電壓。

圖3 電容器電壓監(jiān)測(cè)電路Fig.3 Capacitor voltage monitoring circuit

2.3.3 IGBT全橋驅(qū)動(dòng)電路

IGBT全橋驅(qū)動(dòng)電路采用快速開斷的大功率G160N60型IGBT，當(dāng)需要進(jìn)行分合閘操作時(shí)，MCU發(fā)出脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)IGBT導(dǎo)通或關(guān)斷，控制永磁機(jī)構(gòu)完成分合閘操作［13］。合閘操作時(shí)電流通路為：斷電后通過與IGBT并聯(lián)的二極管形成續(xù)流回路進(jìn)行放電。續(xù)流回路為：線圈VD4。分閘操作時(shí)電流通路和續(xù)流通路與合閘相對(duì)應(yīng)。IGBT 全橋驅(qū)動(dòng)電路［14］見圖 4。

3 分合閘實(shí)驗(yàn)分析

圖4 IGBT全橋驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 IGBT full-bridge driving circuit

單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器主要由動(dòng)觸頭、靜觸頭、永久磁鐵、分合閘線圈、驅(qū)動(dòng)桿等部分組成。當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)，由分閘彈簧提供保持力使動(dòng)觸頭保持在分閘位置；當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，由永磁鐵提供保持力，使動(dòng)觸頭保持在合閘位置。單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器分合閘時(shí)間對(duì)保證斷路器操作可靠性和運(yùn)行壽命具有重要意義。分合閘脈沖時(shí)間過短，操作失敗的可能性增大；分合閘脈沖時(shí)間過長，電源功耗增加，線圈發(fā)熱嚴(yán)重，設(shè)備壽命將受到影響。

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

實(shí)驗(yàn)中通過一個(gè)四通道示波器，同時(shí)對(duì)合閘位置、分閘位置、分合閘線圈電流進(jìn)行錄波。通過分合閘位置信號(hào)的跳變，分析動(dòng)觸頭動(dòng)作時(shí)間和完成動(dòng)作的時(shí)間；合閘過程中電流呈馬鞍形狀分布，分閘過程中電流以“近V”形狀分布［15-16］，分合閘過程電流波形均可分4個(gè)階段進(jìn)行分析，以此可判斷出斷路器分合閘操作過程是否有故障，并可監(jiān)測(cè)出故障出現(xiàn)在哪個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接線原理圖如圖5所示。

3.2 分合閘電流波形分析

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接線電路圖Fig.5 Wiring diagram of test system

斷路器分合閘回路簡化后等效電路模型［17］如圖6所示。圖6中，C為儲(chǔ)能電容器，K為IGBT分合閘開關(guān)，L為斷路器分合閘線圈，R為回路等效電阻。

圖6 等效電路模型Fig.6 Equivalent circuit model

分合閘操作實(shí)驗(yàn)測(cè)得的合閘電流波形見圖7。

圖7 合閘時(shí)線圈電流波形Fig.7 Coil current waveform during close operation

a.t0時(shí)刻，MCU發(fā)出合閘脈沖信號(hào)，IGBT導(dǎo)通（開關(guān)K閉合），回路電流從0開始逐漸上升。

b.t0～t1階段，電容器C相當(dāng)于電壓源，即t=0時(shí)，等效電路相當(dāng)于一階零狀態(tài)響應(yīng)電路，此時(shí)電流從線圈L的正極流向負(fù)極。由基爾霍夫定律可得：

其中，UC為電容器兩端電壓；I0為分合閘時(shí)的電流。此時(shí)I0=0為初始條件，可解出一階微分方程式（1）的特解為：

所以，在此階段電流成指數(shù)形式上升，永磁鐵和線圈所產(chǎn)生向上的合力Fs小于彈簧對(duì)動(dòng)鐵芯向下的保持力 Fx，動(dòng)觸頭保持靜止?fàn)顟B(tài)［18］。

c.t1時(shí)刻，F(xiàn)s=Fx，動(dòng)鐵芯達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，此時(shí)動(dòng)鐵芯開始驅(qū)動(dòng)動(dòng)觸頭動(dòng)作。

d.t1～t2階段，F(xiàn)s>Fx，動(dòng)鐵芯驅(qū)動(dòng)動(dòng)觸頭向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)給分閘彈簧和觸頭彈簧儲(chǔ)能，為分閘做好準(zhǔn)備，所以電流呈一定程度的衰減。

e.t2時(shí)刻，動(dòng)靜觸頭接觸到位，完成合閘操作。

f.t2～t3階段，電容器C繼續(xù)給線圈通電，所以其電流波形與t0～t1階段類似，仍以指數(shù)形式上升。

g.t3時(shí)刻，MCU翻轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)，IGBT截止，電容器C停止給線圈通電。

h.t3～t4階段，IGBT 關(guān)斷，線圈 L 是儲(chǔ)能元件，電路中有續(xù)流電流Ixl流過，其等效電路相當(dāng)于圖6中電容器C短路，只有LR組成的一階電路零輸入響應(yīng)。此時(shí)電流可表示為：I=I0e-tR/L。

此時(shí)的續(xù)流電流I以指數(shù)形式下降，直到續(xù)流電流為零結(jié)束。

分合閘操作實(shí)驗(yàn)測(cè)得的分閘電流波形見圖8。

圖8 分閘線圈電流波形Fig.8 Coil current waveform during open operation

由于本裝置斷路器為單穩(wěn)態(tài)，分閘操作時(shí)線圈所通電流方向與合閘操作時(shí)線圈所通電流方向相反［19］，所以圖8電流方向與圖7方向相反，只是受力方向不同，且各階段電流波形分析相似，在此不再復(fù)述。

3.3 分合閘時(shí)間分析

斷路器操作時(shí)的分合閘時(shí)間是其機(jī)械特性的重要參數(shù)，其值的大小直接影響斷路器分合閘操作的可靠性及主要機(jī)械壽命。本斷路器分合閘操作時(shí)，線圈的通電時(shí)間由IGBT導(dǎo)通時(shí)間決定，IGBT導(dǎo)通時(shí)間又由MCU I/O口發(fā)出的脈沖時(shí)間最終決定。如果分合閘時(shí)間過長，一方面斷路器線圈的通電時(shí)間相應(yīng)增長，致使線圈發(fā)熱嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)線圈燒毀的情況，縮短了斷路器的壽命；另一方面則會(huì)使動(dòng)靜觸頭之間燃弧時(shí)間增長，動(dòng)靜觸頭接觸面遭受電弧侵蝕后產(chǎn)生的粗糙顆粒和熔化坑道越多，出現(xiàn)的變形也越嚴(yán)重，甚至?xí)褂|頭發(fā)熱燒損，發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。如果分合閘時(shí)間過短，動(dòng)鐵芯受到線圈與彈簧的合力不足以克服永磁鐵的保持力，致使斷路器分合閘操作失敗，使電網(wǎng)的事故范圍擴(kuò)大。所以，斷路器穩(wěn)定工作后選擇適當(dāng)?shù)姆趾祥l時(shí)間顯得尤為重要。

基于此，本文通過斷路器分合閘操作各100次的情況下，改變脈沖時(shí)間來統(tǒng)計(jì)其可靠工作次數(shù)及其故障次數(shù)，以此來判斷斷路器分合閘操作是否滿足其機(jī)械特性及機(jī)械壽命指標(biāo)。不同脈沖時(shí)間下的分閘和合閘數(shù)據(jù)分別如表1、2所示，不同脈沖時(shí)間下分閘和合閘電流波形圖如圖9、10所示。

表1 不同脈沖時(shí)間下的分閘數(shù)據(jù)Table 1 Open operation data for different pulse widths

表2 不同脈沖時(shí)間下的合閘數(shù)據(jù)Table 2 Close operation data for different pulse widths

圖9 不同脈沖時(shí)間下的分閘電流波形Fig.9 Current waveform during open operation for different pulse widths

分析表1和圖9可知，15～40 ms的分閘脈沖均可以完成分閘操作，當(dāng)分閘脈沖時(shí)間超過20 ms時(shí)，隨著分閘脈沖時(shí)間的增長，t0～t2階段的波形無變化，只有t2～t4階段的波形會(huì)隨分閘脈沖時(shí)間的增長有所變化，并且此時(shí)間的延長對(duì)斷路器分閘操作無影響。從圖8中波形分析可知，分閘脈沖時(shí)間只需大于t2即可完成分閘操作。因此本控制器選定柱上永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的分閘脈沖時(shí)間為20 ms。且根據(jù)斷路器機(jī)械特性參數(shù)中觸頭開距為（9±1）mm，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得分閘操作中動(dòng)觸頭動(dòng)作時(shí)間（即t1～t2時(shí)間）為8 ms，計(jì)算出其平均分閘速度為1.2 m/s，此數(shù)據(jù)滿足斷路器機(jī)械特性參數(shù)要求及其機(jī)械壽命的條件，從而驗(yàn)證了此脈沖時(shí)間可以可靠地進(jìn)行分閘操作。

分析表2和圖10可知，30 ms的脈沖不能可靠完成合閘操作，35～55 ms的合閘脈沖均能可靠地完成分閘操作。隨著合閘脈沖時(shí)間的增長，t1～t2階段波形無變化，只有t2～t4階段的波形會(huì)隨合閘脈沖時(shí)間的增長有所變化，并且此時(shí)間的延長對(duì)斷路器合閘操作無影響。從圖7中波形分析可知，合閘脈沖時(shí)間只需大于t2即可完成合閘操作。因此本控制器選定柱上永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的合閘脈沖時(shí)間為40 ms。且根據(jù)斷路器機(jī)械特性參數(shù)中觸頭開距為（9±1）mm，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得合閘操作中動(dòng)觸頭動(dòng)作時(shí)間（即t1～t2時(shí)間）為14 ms，計(jì)算出其平均合閘速度為0.67 m/s，該數(shù)據(jù)滿足斷路器機(jī)械特性參數(shù)要求及其機(jī)械壽命的條件，從而驗(yàn)證了此脈沖時(shí)間可以可靠地進(jìn)行合閘操作。

根據(jù)斷路器故障率隨時(shí)間變化的浴盆曲線關(guān)系可知，隨著斷路器分合閘操作次數(shù)的不斷增加以及現(xiàn)場(chǎng)工況的不斷變化，電磨損和機(jī)械磨損越來越嚴(yán)重，促使觸頭動(dòng)作速度變慢，分合閘操作的時(shí)間相應(yīng)加長，因此斷路器機(jī)械壽命將逐漸縮短?；诖?，分合閘時(shí)間存在一定的分散性問題，MCU可通過監(jiān)測(cè)斷路器分合閘次數(shù)與其機(jī)械壽命的關(guān)系，控制IGBT導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)整分合閘操作時(shí)間，從而延長斷路器的機(jī)械壽命。針對(duì)永磁機(jī)構(gòu)可靠分合閘等指標(biāo)對(duì)斷路器機(jī)械壽命的影響，將在今后的工作中對(duì)其相關(guān)問題進(jìn)行研究與分析。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器的特點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)了一種控制器專用驅(qū)動(dòng)電源，可以實(shí)現(xiàn)控制器電源切換、電容器電壓監(jiān)測(cè)、斷路器分合閘驅(qū)動(dòng)等功能。

圖10 不同脈沖時(shí)間下的合閘電流波形Fig.10 Current waveform during close operation for different pulse widths

a.控制器電源采用配電線路TV及蓄電池組互補(bǔ)供電方式，正常時(shí)采用TV電源，故障時(shí)自動(dòng)切換到蓄電池組供電。

b.針對(duì)單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了由IGBT構(gòu)成的全橋驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器的分合閘控制。

c.本控制器在實(shí)際拓展應(yīng)用中，可以根據(jù)斷路器型號(hào)及其操作機(jī)構(gòu)的不同，對(duì)其有效分合閘脈沖時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，確定其可靠分合閘脈沖時(shí)間。同時(shí)MCU可通過監(jiān)測(cè)斷路器分合閘次數(shù)與其機(jī)械壽命的關(guān)系，控制IGBT導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)整分合閘操作時(shí)間，從而延長斷路器的機(jī)械壽命。