適用于低頻和中頻控制系統(tǒng)的欠壓脫扣器

李志宏, 周云紅

(1.上海良信電器股份有限公司, 上海 201206;2.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院, 江蘇 南京 210000)

0 引 言

在工業(yè)配電系統(tǒng)中會(huì)用到大量的低壓電器,其中斷路器是最廣泛的元器件之一。為了滿足不同配電系統(tǒng)的要求,斷路器不僅要具備過(guò)載、短路等保護(hù)功能,還要具備遠(yuǎn)程分合閘、信號(hào)反饋、斷路器狀態(tài)反饋、主回路電壓檢測(cè)等附加功能,因此斷路器在設(shè)計(jì)之初就考慮這些問題,增加電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、輔助觸頭、報(bào)警觸頭、分勵(lì)脫扣器、欠壓脫扣器等附件。

欠壓脫扣器為了防止設(shè)備在低壓運(yùn)行或用于下級(jí)雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)切換,當(dāng)控制電壓低于某設(shè)計(jì)值時(shí)會(huì)動(dòng)作,進(jìn)而就會(huì)強(qiáng)制斷開斷路器。目前,萬(wàn)能式斷路器使用的欠壓脫扣器附件多為自吸式,自吸式的性能明顯優(yōu)于助吸式,但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)自吸式欠壓脫扣器出現(xiàn)失效的現(xiàn)象。

針對(duì)此問題,本文設(shè)計(jì)一款專門適用于抗諧波干擾的欠壓脫扣器,以滿足用戶的要求。

1 欠壓脫扣器

1.1 欠壓脫扣器概念

用電設(shè)備額定電壓和允許的電壓波動(dòng)范圍低于允許的波動(dòng)范圍,稱為欠壓。欠壓脫扣器就是當(dāng)脫扣器的端電壓降至預(yù)定值時(shí),使機(jī)械開關(guān)電器有延時(shí)或無(wú)延時(shí)斷開或閉合的脫扣器。欠壓脫扣器是斷路器的主要附件之一,用于被保護(hù)對(duì)象額定的電壓范圍內(nèi)使斷路器斷開電路或不能接通電路,使斷路器下級(jí)負(fù)載電路或設(shè)備在低壓狀況下運(yùn)行。

1.2 欠壓脫扣器分類

欠電壓脫扣器按動(dòng)作時(shí)間分瞬時(shí)和延時(shí),其中延時(shí)又分為短延時(shí)(0.2～3 s)和長(zhǎng)延時(shí)(3～10 s);按電流種類分交流和直流;按磁體的性質(zhì)分永磁式和軟磁式;按工作方式分電子式和電磁式;按吸合方式分自吸式和助吸式。

1.3 常見的欠壓脫扣器工作原理

1.3.1 電磁式欠壓脫扣器

電磁式欠電壓脫扣器是電磁一體化機(jī)構(gòu),主要包括控制電路和電磁系統(tǒng)兩大部分。其中,電磁系統(tǒng)由勵(lì)磁線圈、鐵心(靜鐵心和動(dòng)鐵心)、磁軛支持板和反作用力彈簧等組成。欠電壓脫扣器大部分為電磁式,保護(hù)原理和結(jié)構(gòu)形式也基本相同,目前國(guó)內(nèi)的DW15萬(wàn)能式斷路器基本上采用這種欠電壓脫扣器。

當(dāng)欠壓脫扣器安裝在斷路器內(nèi)部時(shí),與銜鐵(動(dòng)鐵心)相連的脫扣桿(板)或拉桿與斷路器的脫扣板操作機(jī)構(gòu)的連桿相連或相對(duì)(中間留有一定間隙,作為動(dòng)作行程)。欠壓脫扣器電路的進(jìn)線接在斷路器的相線端,其輸出端接勵(lì)磁線圈。當(dāng)欠壓脫扣器兩端電源電壓在85%Us～110%Us時(shí),控制電路保證接通勵(lì)磁線圈,銜鐵被吸合,斷路器處于運(yùn)行狀態(tài);當(dāng)電源電壓下降到欠壓脫扣器額定電壓的35%Us～70%Us時(shí),控制模塊關(guān)斷勵(lì)磁線圈,欠壓脫扣器無(wú)電磁吸力,在反力彈簧的作用下銜鐵被打開,脫扣桿撞擊斷路器的脫扣板或破壞四連桿機(jī)構(gòu)的平衡,使斷路器斷開。

1.3.2 電子式欠壓脫扣器

電子式欠壓脫扣器主要分電子整流欠壓脫扣器和延時(shí)欠壓脫扣器。電子整流欠壓脫扣器主要采用二極管半波整流,變交流為直流,以降低線圈溫升等。半波整流欠壓脫扣器工作原理如圖1所示。

圖1 半波整流欠壓脫扣器工作原理

阻容式延時(shí)欠壓脫扣器延時(shí)電路是RC積分電路,借電容器的放電時(shí)間獲取延時(shí)時(shí)間,采用阻容放電原理,由電阻、電容、二極管組成半波整流,當(dāng)電源電壓為正常值(85%Ue～110%Ue)時(shí),經(jīng)整流后電源對(duì)電容充電,給欠壓脫扣器線圈提供正常吸合電壓,當(dāng)電源電壓為70%Ue～35%Ue時(shí),電容對(duì)線圈放電,使欠壓線圈在給定的時(shí)間內(nèi)吸合,以保證欠壓脫扣器延時(shí),斷路器斷開。阻容式延時(shí)欠壓脫扣器工作原理如圖2所示。

圖2 阻容式延時(shí)欠壓脫扣器工作原理

1.3.3 永磁式欠壓脫扣器

具有欠壓脫扣器的永磁機(jī)構(gòu)是在殼體上部設(shè)有端蓋、端蓋內(nèi)的欠壓鐵心、欠壓線圈組成的欠壓脫扣器,并在該機(jī)構(gòu)中央設(shè)置上下導(dǎo)桿,在動(dòng)鐵心腔體內(nèi)的下導(dǎo)桿外部套有彈簧。由于設(shè)置獨(dú)立的欠壓脫扣器,加上導(dǎo)桿、彈簧及其他部分的有機(jī)結(jié)合,可為斷路器處于穩(wěn)定的合閘狀態(tài)提供保持力,當(dāng)主電路產(chǎn)生欠電壓時(shí),欠壓脫扣器的吸合力下降,促進(jìn)可靠分閘,有效提高操作控制的靈敏度。且欠壓脫扣器的磁路、控制與合/分閘磁路、控制相互之間無(wú)影響,還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、控制穩(wěn)定可靠、操作調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)外施電壓≥85%Ue時(shí),永磁式欠壓脫扣器的吸合完全依靠永久磁鐵的磁場(chǎng)作用來(lái)完成吸合,當(dāng)外施電壓下降到55%Ue時(shí),電磁線圈產(chǎn)生與永久磁鐵相反的磁場(chǎng),使脫扣器完成脫扣,實(shí)現(xiàn)分?jǐn)嚅_關(guān)功能。

永磁式欠壓脫扣器解決傳統(tǒng)欠壓脫扣器溫升高、誤動(dòng)作、故障率高等問題,提高低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性。

1.3.4 智能型欠壓脫扣器

智能型欠壓脫扣器由單片機(jī)控制電路和執(zhí)行元件兩部分組成,并具有延時(shí)可調(diào)等特點(diǎn)。單片機(jī)控制電路由抗干擾電路、電源電路、取樣電路、延時(shí)選擇電路、微處理器控制電路、繼電器電路等構(gòu)成;執(zhí)行元件主要包括永磁式欠電壓脫扣器或智能脫扣器等。

整機(jī)工作過(guò)程概述如下:額定電壓輸入后,微處理器控制電路穩(wěn)定工作,監(jiān)控外施電壓的變化,當(dāng)外施電壓≥85%Ue時(shí),微處理器輸出的吸合指令使脫扣器吸合;當(dāng)外施電壓下降到動(dòng)作設(shè)定值時(shí),微處理器開始進(jìn)入延時(shí)狀態(tài),微處理器輸出脫扣指令,使脫扣器完成脫扣,實(shí)現(xiàn)分?jǐn)嚅_關(guān)功能,在延時(shí)過(guò)程中如果外施電壓恢復(fù)到85%Ue,脫扣器不斷開,進(jìn)入正常工作狀態(tài);當(dāng)外施電壓達(dá)到0時(shí),單片機(jī)控制電路起動(dòng)延時(shí)電路,有效、準(zhǔn)確地?cái)嚅_脫扣器。

2 適合于低頻電源柜的欠壓脫扣器

2.1 欠壓脫扣器的應(yīng)用

供配電系統(tǒng)中負(fù)荷的不斷變化,電網(wǎng)電壓波動(dòng)比較大,對(duì)電動(dòng)機(jī)、各類用電設(shè)備以及線路造成極大的危害。對(duì)于不十分重要的場(chǎng)所,采用欠壓脫扣器(安裝在斷路器內(nèi)部)或PLC方案來(lái)切斷電源,保護(hù)下級(jí)回路,確保重要設(shè)備的正常運(yùn)行。

目前,低壓電器行業(yè)內(nèi)萬(wàn)能式斷路器常用的欠壓脫扣器附件結(jié)構(gòu)為自吸式,該附件產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠,但發(fā)現(xiàn)在某些特殊環(huán)境下欠壓脫扣器出現(xiàn)瞬間失效的現(xiàn)象,導(dǎo)致設(shè)備不能正常運(yùn)行。

2.2 故障原因分析

通過(guò)監(jiān)控中頻焊機(jī)正常運(yùn)行時(shí)狀況,時(shí)刻監(jiān)測(cè)欠壓脫扣器兩端電壓的變化,找到發(fā)生欠壓脫扣器失效的原因。中頻焊機(jī)控制柜工作時(shí)經(jīng)整流逆變后,控制線路中的頻率為1～1.2 kHz,功率為1 000 kW,正常工作時(shí)工作電流最高達(dá)1 500 A。萬(wàn)能式斷路器的產(chǎn)品型號(hào)NDW1-2000 C2000A/3M/3P,欠壓脫扣器的工作電壓為AC 220 V。 檢驗(yàn)設(shè)備采用萬(wàn)用表、示波器等。

欠壓脫扣器工作原理簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 欠壓脫扣器工作原理簡(jiǎn)圖

當(dāng)焊機(jī)電源柜通電后,設(shè)備未加負(fù)載和加負(fù)載后兩種情況下,欠壓脫扣器進(jìn)線端兩端電壓變化不大,如圖4所示,按照欠壓脫扣器的設(shè)計(jì)要求,正常工作電壓為85%Us～110%Us,不會(huì)出現(xiàn)跳閘的現(xiàn)象。

圖4 電壓波形

在焊機(jī)未加負(fù)載和加負(fù)載兩種情況下,欠壓脫扣器電源模塊輸出端脈沖波形如圖5所示。

圖5 欠壓脫扣器電源模塊輸出端脈沖波形

由圖5可知,在焊機(jī)加載時(shí),設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾嚴(yán)重影響欠壓脫扣器,使失真的波形無(wú)法推動(dòng)功率MOS管導(dǎo)通,使串聯(lián)在MOS管上面的線圈失電釋放,斷路器斷開。計(jì)算出波形發(fā)生器輸出波形的頻率約為100 Hz,波形占空比為37.5%,脫扣器導(dǎo)通占空比為24%。

2.3 新型欠壓脫扣器特點(diǎn)

對(duì)欠壓脫扣器的電路板重新設(shè)計(jì),包括元器件和布線,電路板的驅(qū)動(dòng)電路改為單片機(jī),單片機(jī)在工作時(shí)會(huì)輸出穩(wěn)定的矩形波(PWM),抗干擾性能強(qiáng)。新型線圈驅(qū)動(dòng)單元如圖6所示。工作原理:當(dāng)單片機(jī)輸出端PC5發(fā)出一控制信號(hào),三極管TX1飽和導(dǎo)通,+15 V正電壓加至MOS管TX4柵極使之導(dǎo)通。當(dāng)TX4導(dǎo)通后,儲(chǔ)能電容向正向線圈放電,驅(qū)動(dòng)銜鐵吸合,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。

圖6 新型線圈驅(qū)動(dòng)單元

2.4 驗(yàn) 證

對(duì)新型欠壓脫扣器進(jìn)行了驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品性能可靠、穩(wěn)定,可以滿足用戶的要求。脫扣器兩端波形如圖7所示。

圖7 脫扣器兩端波形

由圖7可知,輸出波形的頻率約為16.7 kHz,波形占空比為16.7%。

3 結(jié) 語(yǔ)

在工業(yè)領(lǐng)域中,特別是低頻和中頻控制柜及電磁干擾嚴(yán)重的環(huán)境中,常規(guī)的欠壓脫扣器會(huì)出現(xiàn)失效隱患,斷路器在正常運(yùn)行中會(huì)無(wú)故跳閘,給用戶帶來(lái)不必要的質(zhì)量事故及經(jīng)濟(jì)損失。設(shè)計(jì)一款新型的欠壓脫扣器,經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品的仿真、試驗(yàn)以及客戶現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)證,證明改進(jìn)后的欠壓脫扣器能夠適用于電磁干擾比較大的環(huán)境。

[1]連理枝.低壓斷路器設(shè)計(jì)與制造[M].北京:中國(guó)電力出版社,2003.

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