永磁機構的控制發(fā)展及解決問題
2020-01-21 533
一、 永磁機構控制發(fā)展概況
1、 斷路器操作機構的發(fā)展。高壓開關的一個*基本性能就是機械可靠性，斷路器的全部使命，歸根到底是體現(xiàn)在觸頭的分、合動作使，而分、合動作又是通過操動機構來實現(xiàn)的，因此操動機構的工作性能和質(zhì)量的優(yōu)劣，對高壓斷路器的工作性能和可靠性起著極為重要的作用。操作機構的發(fā)展經(jīng)歷了幾個重要階段：電磁機構、彈簧機構、永磁機構。
*早的電磁機構，由于對電源要求較苛刻——需要專用的大容量電源屏供電，并且操作時沖擊大，操作時間長，而逐漸被市場所淘汰，取而代之的是彈簧操作機構。其利用交直流兩用電動機對彈簧進行預儲能，利用彈簧能進行分合閘操作，從而對電源要求低，交直流均可操作，對電源無沖擊，因此在近些年得到廣泛應用。
但彈簧機構也有其自身不可刻服的缺點：零件數(shù)量多，要求加工精度高，制造工藝復雜，成本高，產(chǎn)品可靠性不易保證。研究表明,開關設備的故障率和其零件的數(shù)量成正比，彈簧操動機構的結構比較復雜，零件數(shù)量多(約為200個)，要求加工精度高、制造工藝復雜，成本高，產(chǎn)品的可靠性不易保證。電磁力合閘的操動機構稱為電磁操動機構，電磁操動機構的優(yōu)點是結構簡單，零件數(shù)量少(約為120個)，工作可靠，制造成本低，其缺點是合閘線圈消耗的功率太大，因而要求用戶配備價格昂貴的蓄電池組，加上電磁機構的結構笨重，動作時間較長。
真空斷路器之所以如此迅速發(fā)展，在于其真空滅弧室優(yōu)異的開斷特性，使其電壽命大大增加。真空斷路器的滅弧室動觸頭行程小，要求分閘速度高。動靜觸頭合閘時為平面接觸，為了防止真空斷路器在短路時觸頭被強大的沖擊力斥開，動靜觸頭間要施以較大的觸頭壓力，這樣也有利于提高分閘速度。真空滅弧室的優(yōu)異性，使其機械及電壽命從傳統(tǒng)的兩千次躍增為上萬次，沿用傳統(tǒng)斷路器操動機構很難體現(xiàn)出其高壽命、高可靠性的優(yōu)點。因此需要一結構高度簡化、節(jié)能和高可靠性的機構來滿足真空斷路器的驅(qū)動要求。永磁操作機構的出現(xiàn)就是為了解決這一問題，為研制新一代免維護斷路器奠定了基礎。從永磁機構的結構上可看出，其元件極少，動作過程簡單，用其做的開關零件比彈簧機構減少80%，從而保證運行中的故障率極低，基本可達到免維護。
另外其壽命特長，超過十萬次，這就為研制真正免維護超長壽命的真空開關奠定了良好的基礎。近幾年來，永磁機構在12kV電壓等級的斷路器上已廣泛應用，表明其與真空滅弧室配合的優(yōu)點是非常明顯的。
2、 永磁機構發(fā)展遇到的問題。永磁機構本體的可靠性同彈簧機構相比有非常明顯的提高。但是其應用和推廣過程中也遇到了一些問題，導致其推廣應用受到一定程度的限制。如何解決好這些問題成為永磁機構發(fā)展和推廣應用的關鍵。永磁機構推廣遇到的*大的問題是控制回路的問題。由于控制回路的設計不合理，可靠性較差使得人們對于永磁機構的可靠性產(chǎn)生了懷疑?？梢悦鞔_的講：永磁機構相對于彈簧機構可靠性的提高是勿容質(zhì)疑的。因此，設計和采用高可靠、高性能的控制裝置成為永磁機構發(fā)展的關鍵和難點。
3、 永磁機構控制回路主要功能永磁機構本身設計的簡單化，使得控制回路相對復雜，將機構本身可靠性的要求轉移到控制回路。控制回路的基本功能有：A、為永磁機構提供分合閘能量;B、接受控制信號;C、機構狀態(tài)監(jiān)測功能;D、通過邏輯判斷進行分合閘操作?？刂苹芈返妮o助功能有：A、操作電壓監(jiān)視;B、防跳功能;C、通訊功能;D、告警功能等。
4、 控制回路的發(fā)展永磁機構控制回路通過不斷的發(fā)展，取得了不少可喜的成果，其可靠性也在不斷的提高。控制回路的發(fā)展經(jīng)歷了從普通繼電器控制方式向大功率電力電子器件控制方式轉變的過程。普通繼電器控制方式采用直流繼電器控制分合閘線圈，來達到控制開關分合閘的目的。繼電器控制方式存在體積大、壽命短、延遲時間長、節(jié)點粘連等問題，因此其使用受到了很大的限制。
大功率電力電子器件控制方式從器件的應用上看又分為：MOSFET開關管和IGBT開關管。該方式由于一般采用單片機的設計方案，因此其具有以下優(yōu)點：體積小、功能強大、延遲時間短、壽命長等?；谏鲜鰞?yōu)點該類型的永磁控制器獲得了較為廣泛的應用。但是，由于電力電子器件耐受電壓電流沖擊的能力較低，如果保護電路不完善這些器件是非常容易順壞的。在當前永磁機構斷路器出現(xiàn)的故障中該器件損壞占據(jù)了較大的比例。因此，采用什么樣的方法來保護該類器件成為永磁機構控制器設計的重點和難點。
二、 永磁控制要解決好的幾個問題
1、 可靠性永磁機構控制要解決的首要問題是可靠性的問題。當前永磁開關推廣的一個比較大制約因素就是控制回路的可靠性問題。通過電路的優(yōu)化、器件的篩選、保護電路的完善等手段解決控制回路中大功率電力電子損壞的問題。必須通過幾方面的協(xié)調(diào)才可能達到理想的效果，在這方面我們做了大量的工作，積累了豐富的實驗數(shù)據(jù)，找到了比較好的辦法，從而提高了控制設備的可靠性。
2、 抗干擾性永磁機構控制器有的安裝于斷路器本體內(nèi)部，在開斷故障電流時控制器所受到的電磁干擾是非常惡劣的，因此作為斷路器的控制設備必須具有很高的抗干擾性，才能保證斷路器的正常動作，否則就會出現(xiàn)斷路器誤動或拒動的問題，這是必須要避免的。
一般要求控制器產(chǎn)品因該滿足下列標準中較為嚴酷的干擾等級。A、脈沖干擾GB/T 14598.13(IEC255-22-1)標準 共模： 2.5kV/1MHz/2s 2.5kV/100kHz/2s差模： 1.0kV/1MHz/2s 1.0kV/100kHz/2sB、靜電放電干擾GB/T 14598.14(IEC255-22-2)標準C、輻射電磁場干擾GB/T 14598.9(IEC255-22-3) 標準D、快速瞬變干擾GB/T 14598.10(IEC255-22-4)標準E、浪涌試驗GB/T 17626.5(IEC 61000-4-5)標準F、傳導電磁場干擾試驗GB/T 17626.6(IEC 61000-4-6)標準。
3、 抗震性對于永磁控制器的抗震性的要求，可以分為兩個等級。內(nèi)置于斷路器本體內(nèi)的永磁控制器必須具有非常高的抗震性，因為斷路器在分合過程中的震動還是相當大的，如果忽視了對于抗震性的要求，斷路器產(chǎn)品的可靠性肯定會受到很大的影響。對于同斷路器本體分離安裝的控制器來講，其抗震性的要求要地一些，一般情況滿足通常設備的抗震性即可。
4、 小型化小型化是當前控制設備的發(fā)展的必然趨勢，同時為了滿足控制器內(nèi)置的要求也必須小型化。小型化就要求采用新的控制方式、新的器件、新的控制原理。采用集成度較高的單片機和大功率電力電子器件，是控制器小型化的主要手段。
三、 控制回路組成
1、 電源部分永磁操作機構由于取消了儲能部件，所以其操作功還是比較大的。電源部分是控制回路中核心的部分，當前控制回路的許多問題都是由于沒有處理好電源部分的問題引起的。電源部分一般有兩部分組成：功率變換部分和儲能電容。儲能電容應當選取可靠性高、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。功率變換可以分為整流變換模式和開關電源模式。整流變換模式一般由工頻變壓器、整流橋和限流電路組成，雖然這種電路成本低、可靠性高，但是其輸出電壓波動較大、輸入電源只能為交流、功能簡單，因此不能完全滿足永磁操作機構的要求。開關電源模式的功率變換回路實際上是工作在開關模式的DC/DC或AC/DC電源，這種電源工作范圍寬、輸出穩(wěn)定、交直流兼容，可以完全滿足永磁操作機構的要求。為了滿足永磁控制回路可靠性、抗干擾性、抗震性、小型化的要求，應該采用模塊化、全灌封、密閉金屬外殼的模塊電源。
2、 邏輯判斷部分該部分的主要功能通過采集和判別開關的狀態(tài)、操作電壓的情況、輸入控制信號等外部狀態(tài)，然后進行計算、邏輯判斷、系統(tǒng)自檢等得出進一步動作類型，通過電力電子器件、繼電器等輸出控制脈沖或信號等。該部分的實現(xiàn)一般采用單片機的方式，也可采用模擬電路或可編程邏輯器件實現(xiàn)。該部分主要是解決好判斷邏輯的正確性、程序的穩(wěn)定性、電路抗干擾性等問題。永磁控制的一些附加功能可以由該部分實現(xiàn)，如：防跳功能、操作電壓監(jiān)視、通訊功能、告警功能等。
3、 主控制回路部分主控制回路部分的主要功能就是接受分合閘控制信號，將分合閘電壓電流施加于分合閘線圈，從而實現(xiàn)分合閘的目的。該部分的的主要問題是解決好功率器件的保護問題，保證控制回路的可靠性?？梢酝ㄟ^電路的優(yōu)化、器件的篩選、保護電路的完善等手段解決控制回路中大功率電力電子損壞的問題。
