一種雙繞組電磁脫扣器的理論研究及 控制策略

呂 森 宗 鳴 張昀琦

（沈陽工業(yè)大學(xué)，沈陽 110870）

0 引言

智能化是電網(wǎng)發(fā)展的重要方向之一。中國電網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)是：以數(shù)字化、信息化、自動化、互動化為特征的自主創(chuàng)新、國際領(lǐng)先、中國特色的統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)[1]。斷路器作為電網(wǎng)中的重要節(jié)點(diǎn)，必須具備上述特征。多層級配電網(wǎng)絡(luò)自動切斷故障支路是上述目標(biāo)中“自動化”的重要體現(xiàn)，但現(xiàn)有小型斷路器（miniature circuit breaker, MCB）只能實(shí)現(xiàn)短路瞬動保護(hù)，不適合多層級配電網(wǎng)絡(luò)的選擇性配合。智能型斷路器是解決該問題的有效手段。

框架式斷路器（air circuit breaker, ACB）的智能化工作開展較早，目前進(jìn)入了第五代產(chǎn)品研發(fā) 期[1]，并且市場上已經(jīng)有成熟的智能化ACB產(chǎn)品，如正泰電器NA1系列等。塑殼式斷路器（moulded case circuit breaker, MCCB）已開發(fā)了四代產(chǎn)品[2]，行業(yè)內(nèi)對智能ACB和MCCB的研究[3-12]一直在進(jìn)行。但是，MCB智能化問題受體積、成本等因素的制約，一直難以解決。盡管有文獻(xiàn)指出了MCB智能化的必要性[13]，但相關(guān)研究甚少，更沒有成熟產(chǎn)品面市。目前，終端保護(hù)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的解決方案多是MCB加智能控制器組合，如“群組智能控制”方案。用一個(gè)群組智能控制器，對多個(gè)取消了雙金屬片，但裝有微型磁通變換器或分勵(lì)脫扣器的下級MCB實(shí)施集中控制。各支路電流由群組智能控制器集中測量，每個(gè)MCB的過載和短路脫扣由群組智能控制器統(tǒng)一控制[14]。由于不需要電流測量，這種結(jié)構(gòu)可以在保持原有MCB體積的情況下，解決MCB的智能化問題，不失為一種智能化途徑。但若一個(gè)小型配電系統(tǒng)完全由一個(gè)群組智能控制器掌控，一旦群組智能控制器發(fā)生故障，將造成小型配電系統(tǒng)癱瘓。

近年來，ABB（德國）公司、法國HAGER公司和中國上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司等相繼推出了具有選擇性的MCB結(jié)構(gòu)，稱之為帶選擇性的過電流保護(hù)斷路器（selective miniature circuit breaker, SMCB），其采用了一種新的熱磁脫扣器結(jié)構(gòu)，當(dāng)下級發(fā)生短路時(shí)，脫扣器首先啟動限流模式，短路短延時(shí)后備保護(hù)由專門設(shè)計(jì)的選擇性熱脫扣器實(shí)現(xiàn)[15-18]，但這種SMCB具有一個(gè)限流電阻，且正常工作狀態(tài)下的電流也流過輔助回路中的限流電阻，這顯著增加該類斷路器的能耗。國網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司對電磁式選擇性保護(hù)直流斷路器進(jìn)行了研究[19]，但顯然這種斷路器僅適用于直流電路。除上述帶限流電阻的SMCB外，目前市場上未出現(xiàn)可以滿足選擇性保護(hù)的MCB產(chǎn)品。

脫扣器是斷路器的核心，為克服上述選擇性斷路器的不足，本文提出雙繞組可控電磁脫扣器，其可用于交流線路且不存在限流電阻的損耗，可以滿足智能電網(wǎng)對配電網(wǎng)絡(luò)選擇性保護(hù)的要求，具有更廣泛的應(yīng)用場合和更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 雙繞組理論的提出

本文提出的雙繞組可控電磁脫扣器及其與下級斷路器的配合如圖1所示。所謂雙繞組，即為電磁脫扣器SB1增加一個(gè)控制繞組N2，其理論依據(jù)是電磁感應(yīng)定律和楞次定律。如圖1所示，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)SB1的電流線圈中通入交流電時(shí)，將在控制繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)SB2閉合時(shí)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，又根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場將阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。由于控制繞組產(chǎn)生的磁場將削弱SB1電流線圈產(chǎn)生的磁場，電磁力減小，這樣本應(yīng)使SB1脫扣的短路電流將無法使其動作，只有將SB2斷開，感應(yīng)電流消失后，電流線圈產(chǎn)生的磁場恢復(fù)到原有水平，電磁力恢復(fù)，才能使SB1動作。因此，通過控制SB2的開斷即可控制SB1的動作時(shí)間，達(dá)到短路短延時(shí)的目的。所謂可控電磁脫扣器，指的是通過控制SB2斷開與閉合的時(shí)間，可以對短延時(shí)時(shí)間Ttr根據(jù)特性配合要求進(jìn)行控制。

圖1 雙繞組可控電磁脫扣器及其與下級斷路器的配合

圖2（a）和圖2（b）分別為傳統(tǒng)小型斷路器和雙繞組可控電磁脫扣器的保護(hù)特性示意圖。I1為SB2斷開時(shí)的最小短路脫扣電流，I2為SB2閉合時(shí)的最小短路電流。若短路電流大于I2，去磁作用的效果將不足以延遲SB1的動作，SB1將瞬間脫扣。

對比圖2（a）和圖2（b），當(dāng)SB2斷開時(shí)，雙繞組可控電磁脫扣器保護(hù)特性與傳統(tǒng)MCB相同，當(dāng)SB2閉合時(shí)產(chǎn)生短路短延時(shí)作用。

圖2 兩種脫扣器的保護(hù)特性

2 去磁作用的驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述關(guān)于控制繞組的去磁作用，分別從理論推導(dǎo)和有限元分析兩方面進(jìn)行驗(yàn)證。以圖3所示的U形電磁鐵為例進(jìn)行理論分析。

圖3 U形電磁鐵

U形電磁鐵的控制繞組具有接通和斷開兩種狀態(tài)，根據(jù)前期研究成果，SB2閉合，即控制繞組接通時(shí)，主磁通為

SB2斷開，即控制繞組斷開時(shí)，主磁通[20]為

式（1）和式（2）中：Φ(t)為隨時(shí)間交變的主磁通；Im為電流幅值；Z2為控制繞組線圈阻抗；N1、N2分別為電流線圈和控制繞組的線圈匝數(shù)；Rδ為氣隙磁阻。

雖然式（1）和式（2）給出了SB2閉合和SB2斷開時(shí)的主磁通，但通過這兩個(gè)公式無法直觀地看出控制繞組的去磁作用。為此，初步選取正泰電器DZ47—60型MCB的尺寸進(jìn)行定量計(jì)算，得到Rδ= 108H-1，取線路中的電流為10倍額定電流，即Im= 10In=600A，N1=2，N2=400，Z2=0.01Ω，α≈90°，則SB2閉合時(shí)的主磁通為

SB2斷開時(shí)的主磁通為

SB2閉合和SB2斷開時(shí)主磁通的對比如圖4所示，可以看出，SB2閉合時(shí)對主磁通的削弱作用十分明顯。

圖4 SB2閉合和SB2斷開時(shí)主磁通的對比

根據(jù)式（1），對于已經(jīng)制作完成的雙繞組電磁脫扣器，影響主磁通Φ的因素中只有電流線圈側(cè)電流幅值Im一個(gè)變量。研究不同Im值時(shí)，控制繞組的去磁作用，額定短路電流為In，計(jì)算得到Im分別為5In、6In、7In、8In、9In、10In時(shí)主磁通Φ的變化，SB2斷開和SB2閉合時(shí)的主磁通分別如圖5（a）和圖5（b）所示。

圖5 不同倍數(shù)短路電流時(shí)的磁通變化

經(jīng)計(jì)算，對于采用上述數(shù)據(jù)制作的雙繞組電磁脫扣器，控制繞組電流在不同倍數(shù)的額定短路電流下均將主磁通變?yōu)樵瓉淼?%，不同倍數(shù)時(shí)的去磁效果是一致的。

當(dāng)短路電流大于圖2中的I2時(shí)，去磁作用仍然將主磁通變?yōu)樵瓉淼?%，因此當(dāng)電流足夠大時(shí)，主磁通的2%即足以使雙繞組電磁脫扣器動作，此時(shí)雙繞組電磁脫扣器將失去選擇性，也就是電流大于I2時(shí)，雙繞組電磁脫扣器將瞬間動作。

通過式（1）可以看出，SB2閉合時(shí)的主磁通表達(dá)式中包含以自然對數(shù)e為底的指數(shù)形式，因此，隨著時(shí)間的增加，該項(xiàng)對主磁通的影響逐漸降低，0.3s內(nèi)的磁通如圖6所示。

圖6 以自然對數(shù)e為底的指數(shù)形式對磁通的影響

從圖6可以看出，雖然氣隙磁通是在正弦交變的基礎(chǔ)上增加了以自然對數(shù)e為底的指數(shù)這一項(xiàng)，但其對氣隙磁通幅值影響甚微，不會對雙繞組電磁脫扣器產(chǎn)生影響。

電磁鐵的吸力是通過氣隙磁通產(chǎn)生的，為得到控制繞組對磁通的削弱作用，建立雙繞組電磁脫扣器的有限元模型，如圖7所示，其中圖7（a）為有限元模型結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)帶氣隙的鐵心和兩套繞組，電流線圈和控制繞組均位于鐵心有氣隙的一側(cè)，該模型是基于前期研究成果并對U形電磁鐵合理簡化建立的[20]，圖7（b）為剖分結(jié)果，共52 473個(gè)單元。

圖7 雙繞組及鐵心的有限元模型

當(dāng)電流線圈通入10In時(shí)，得到SB2閉合時(shí)雙繞組及鐵心的磁通密度，如圖8所示。

圖8 SB2閉合時(shí)雙繞組及鐵心的磁通密度

從圖8可以看出，磁通密度最大處出現(xiàn)在氣隙位置，達(dá)到0.189T。分別提取SB2閉合和SB2斷開時(shí)的氣隙磁通密度，乘以氣隙截面積得到氣隙磁通，如圖9所示，可以看出，SB2閉合時(shí)削弱了主磁通，與理論分析得到的結(jié)論一致。需要注意的是，圖8和圖9的結(jié)果是在短路電流幅值達(dá)到最大時(shí)得到的。

圖9 SB2閉合和SB2斷開時(shí)的氣隙磁通

理論分析和有限元分析的對比結(jié)果如圖10所示，可以看出，有限元分析中控制繞組的去磁效果遠(yuǎn)不如理論分析中的效果。這是由于理論分析并未考慮漏磁和鐵心飽和的影響。有限元分析得到的結(jié)果顯示，SB2閉合時(shí)，控制繞組將氣隙磁通削弱為原來的15%左右，這足以抑制脫扣器的動作。

圖10 理論分析和有限元分析的對比

3 磁簧開關(guān)和繼電器的設(shè)計(jì)

若要實(shí)現(xiàn)雙繞組電磁脫扣器的功能，控制繞組開關(guān)SB2的控制方法和控制策略至關(guān)重要。SB2的控制邏輯是，首先判斷是否發(fā)生短路故障，其次是SB2開斷時(shí)間的控制。本文設(shè)計(jì)的控制繞組開關(guān)SB2依靠電磁鐵、磁簧開關(guān)、控制芯片和時(shí)間繼電器進(jìn)行控制，其邏輯關(guān)系如圖11所示。

圖11 SB2控制策略的邏輯關(guān)系

磁簧開關(guān)是一種通過所施加的磁場進(jìn)行操作的電開關(guān)，其體積小巧，應(yīng)用廣泛，本文采用電磁鐵和磁簧開關(guān)的組合作為線路是否發(fā)生短路的判斷器。時(shí)間繼電器及其控制芯片具有多種控制策略，可靈活控制SB2的動作時(shí)間，本文采用其作為控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

磁簧開關(guān)的起動值與電磁鐵的安匝數(shù)和電磁鐵距離磁簧開關(guān)的距離密切相關(guān)，本文選取起動值為35A·匝的磁簧開關(guān)，其可在0.001s內(nèi)動作。

時(shí)間繼電器采用的控制策略為有信號時(shí)，繼電器吸合tA后自動停止，停止后再計(jì)時(shí)tB，在tA+tB時(shí)間內(nèi)信號觸發(fā)無效。

當(dāng)判斷器判定發(fā)生短路后，控制芯片接收信號并觸發(fā)時(shí)間繼電器立即吸合，使得SB2閉合，控制繞組短路，短路短延時(shí)開始，持續(xù)tA后，時(shí)間繼電器斷開，SB2斷開，控制繞組開路。若此時(shí)電流線圈流過的仍是短路電流，SB1將動作，切斷故障電流；若此時(shí)下方支路已成功切斷故障電流，即電流線圈流過的不是短路電流，此時(shí)判斷器將判定無短路電流，繼電器信號消失，回到正常工作狀態(tài)。需要注意的是，tA后時(shí)間繼電器必須斷開，否則如果下方斷路器沒有成功切斷故障電流，判斷器將始終給控制芯片信號，時(shí)間繼電器始終吸合，控制繞組始終短路，去磁作用始終存在，SB1將永遠(yuǎn)無法動作。因此，時(shí)間繼電器在收到控制芯片信號吸合tA后，必須存在tB的釋放期，且在tA+tB時(shí)間內(nèi)，尤其是tB內(nèi)有觸發(fā)信號時(shí)也不動作，給SB1留出動作時(shí)間。如果tB內(nèi)有觸發(fā)信號，時(shí)間繼電器動作，可能造成SB1動作時(shí)間不足，導(dǎo)致保護(hù)失效。短路短延時(shí)時(shí)間可根據(jù)具體需求進(jìn)行設(shè)置，一般情況下，短路短延時(shí)的時(shí)間限為0.01s≤Ttr≤0.3s。

搭建好的磁簧開關(guān)、控制芯片、時(shí)間繼電器和SB2的硬件電路如圖12所示。圖12中，分別設(shè)置了tA為0.3s和tB為1s，即短延時(shí)0.3s，1s釋放期。

圖12 硬件電路

tA和tB可根據(jù)需要方便靈活地做出調(diào)整以滿足不同多層級配電系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)論

斷路器必須實(shí)現(xiàn)短路短延時(shí)以滿足智能電網(wǎng)的要求，因此斷路器的核心脫扣器必須具備短路短延時(shí)功能。本文依據(jù)電磁感應(yīng)定律和楞次定律設(shè)計(jì)了雙繞組可控電磁脫扣器，控制繞組中的感應(yīng)電流對主磁通產(chǎn)生去磁作用，從而使脫扣器無法動作，達(dá)到短延時(shí)的目的。短延時(shí)時(shí)長依靠控制模塊中的時(shí)間繼電器進(jìn)行控制，一般短路短延時(shí)時(shí)間限為0.01s≤Ttr≤0.3s，實(shí)驗(yàn)表明，控制模塊可以很好地滿足該時(shí)間限要求。下一步將制作雙繞組可控電磁脫扣器，并將其與控制模塊結(jié)合，驗(yàn)證其性能。