高压真空断路器永磁控制技术的研发

摘 要：真空断路器的使用量大、面广，操作频繁，可靠性和免维护性的要求很高。由于永磁机构断路器是采用电子控制，可实现断路器的所用功能，同时还可具有智能化功能。特别适用于在工作范围内频繁操作和对短路开断操作次数有一定要求的场合，由于其真空电弧无与伦比的特性，使其电寿命大大增加，机械寿命可达到十万次，这就为更好的发挥真空断路器的独特性能提供了可能。

关键词：永磁机构；线圈；指令；存储器

中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）15-0071-02

1 新品研发的提出

35 kV真空断路器需求量很大，并且要求断路器开断次数频繁，可靠性高，目前国内在这一领域尚无成熟产品使用，多采用进口产品，而进口产品价格很高，国内用户对此都望而却步，我公司研究认为开发35 kV永磁机构真空断路器有以下几个优点：此产品用户需求量大，产品利润高；此产品二次控制在国内数领先技术，此断路器具有长寿命和智能化控制等特点，在今后中压开关设备领域将有很大前景。

经研究决定我公司将35 kV永磁机构高压真空断路器列为新品研发项目。而永磁机构研制的重要部分就是二次控制的开发。

2 永磁机构二次控制的研制

2.1 永磁机构的总体结构

外型尺寸小，一次、二次合理布局，并满足大批量的工业化生产，并且满足节约成本，满足机械强度是确定永磁机构的总体结构的前提。

2.2 永磁机构二次控制的设计

工作原理：控制器的核心部件采用了高性能的单片机芯片，精确控制高压开关的永磁机构，同时通过位置信号检测和储能电容的电压检测控制开关的二次电路

2.2.1 电压检测功能

控制器电源在上电的过程中，自动检测电容电压，如出现电压异常状态，内部蜂鸣器发出报警信号。当电容电压下降到100 V以下后，蜂鸣器自动发出报警信号，同时对合闸状态的机构进行自动分闸。

2.2.2 储能电压控制功能

控制器的电源电压输入在AC或DC220 V±10%范围内时，电容电压始终控制控制在DC213.5 V，稳定了机构的动作性能。

2.2.3 大电流驱动功能

控制器采用了性能可靠的IGBT模块进行驱动输出，最大可承受80 A的峰值电流。

3 端口说明

中间的三个发光二极管中+12 V和+5 V指示灯亮时表示内部电源工作正常。

状态指示灯的k0亮时表示储能电压工作正常。k1、k2为分合闸控制信号输入指示，当有分闸信号输入时，k1灯闪烁；有合闸信号输入时，k2灯闪烁。k3、k4、k5用于开关的状态指示，合闸时灯亮。

JQ和JC如图1、图2所示。JQ接永磁机构线圈，JC接储能电容，其中红色导线为正，黑色导线为负。

4 控制原理

4.1 机构

弹簧操作机构由繁多的机械元件组成，一般可以达到160种左右，而且没有标准件，比如螺钉。相比之下，永磁机构的结构就简单得多。除了灭弧室的本身的动触头外，它仅仅由一个带有触头压力弹簧的连接杆、一个焊接的主轴、永磁驱动元件组成，部件的数量减少了60%。一个固定的圆棒状的铁芯、永久磁铁、钢活塞以及分合闸线圈。当活塞与铁芯一起处于顶部位置（分闸位置）时永久磁铁形成的磁力线路径磁抗较低，而活塞底部由于存在较大的间隙，表示此处的磁抗较大。因此，磁力线几乎都无以例外的通过与磁芯接触的活塞的端部。在此处，永久磁铁产生的磁力线非常聚集，因此而产生一个很大的吸引力。这种吸引力通过主轴直接传递到真空灭弧室的触头上。

当合闸时，位于下面的线圈产生额外的磁场以补偿间隙处的磁抗。越来越多的磁力线开始通过下面的路径。上面线圈产生的维持力越来越小，而下面线圈产生的吸引力越来越大。当线圈电流超过某一值时，活塞开始移动。当确保到达最终位置后。线圈剩余的电流就可以使该位置处于锁定状态。永久磁铁产生的磁力和电磁铁产生的磁力合起来的力会很大，该力可以有效地防止机械振荡的产生。几微秒后，线圈电流切断，只不过这一次活塞处于另外一端极限位置。此时，真空灭弧室触头的合闸状态以及已经储能的触头弹簧是由一个固定的维持力维持，该维持力只是由永久磁铁产生。借助这样的操动机构，不需多少维护，操作寿命就可以很容易地达到100 000次。因此，这种新型的断路器在那些需要频繁开断的场所，如造纸厂以及电弧炉上，十分有用。

4.2 控制器

断路器的电气供给和控制单元必须满足所有与传统机械操动机构相似的功能。另外，它还需提供并监控开断驱动元件所需的能量。电源供给输入的电压范围从直流20～60 V（交流20～48 V），或者从直流93～375 V（交流93～265 V），它可以不受供给的辅助电压的稳定性和质量的影响，提供一个稳定的80 V的操作电压。因此，没有必要为了适应用户提供的电压，而调节断路器中机构操作消耗的时间， 低电压和过电压对开断时间都不会有任何影响。

4.3 电气控制单元的应用

为了进行合分操作，就要对机构的线圈提供能量，这就需要将线圈与一个辅助的电压供给一直连接在一起。原则上讲，传统的机械机构也是如此。因为它的跳闸和合闸线圈需要电能。但这种电能只是机构所需的必要的电能的1/10，因此，机构的线圈就不能和控制电压直接相连，而只能和一个储备的电压相连。电池和电容就是最常见的储备电压源。与电池相比，电容的优点是寿命长，而且不需要维护。即使在环境温度高达55度时，现代的电解电容寿命也超过了30年。

电气控制单元的电源与控制电压直接相连。与其他保护器件一样，断路器也应具备同样的有效性和优先权。在待命状态，整个控制单元耗能2 W。只有在开断后电容充电期间（2～10 s），或者第一次给空电容充电期间（8～50 s），电流才可能增大达到最大值2 A，这一电流受到电子线路的限制。除过这些，这种断路器再不需要其他电源，而传统的机械机构还需要给储能弹簧储能。因此，新型断路器的有效性提高了。

辅助电压出现故障时，储能电容保证了在故障出现后的2 s内，还可以进行一次开断操作。因此，短时间的断电不会产生问题，可以忽略。而传统的断路器在短时断电时不会跳闸，除非还有另外一个保护单元。在这种接线中，可以理解手动合闸时不会产生这种保护性操作，因为没有了辅助电压，任何保护功能都就没有了。

4.3.1 低电压脱扣

利用输入3，电气控制部分还具有了低电压脱扣功能。如果不用输入3，那就应该连到内部80 V的供给电压上，这样，控制部分就成了外部联锁线路的一部分。如果把CCS脱扣输入3连到一个商用的低电压继电器上，就可以实现低电压脱扣功能。这样，就可以准确地确定初级电压的开断水平（例如根据IEC标准是70%）

为了保护电机，不仅需要用用低电压继电器控制电机的电压，而且需要给磁驱动器提供和电机电压相同的电压。否则，当低电压脱扣时，断路器的有效性就会产生变化。这一电压是由一个功率大约为200 VA的小变压器提供的，它只消耗了断路器功率很小的一部分。

4.3.2 过流跳闸

如果有一个为保护单元提供的辅助电压源，那么电气控制单元非常适用于过流或短路电流跳闸。如果没有外部的电压源，那么如上面所讲的，一个变压器可以用来给断路器提供能量。

5 结 语

永磁机构的控制是一项新的学科，永磁机构由于独特的特性和工作原理，再配以合适的控制程序，会使断路器的质量得到很大的提高。

参考文献：

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