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真空斷路器永磁操作機構及其同步過零技術（二）
2015-01-10 364同步過零操作傳統(tǒng)斷路器在跳、合閘瞬間，電流、電壓的跳合閘初相角都是隨機的。因而在關合空載變壓器、電容器或空載線路時，可能產(chǎn)生幅值很高的涌流和過電壓，引起保護誤動和系統(tǒng)不穩(wěn)定。人們?yōu)榱私鉀Q這一問題，如加裝消諧器、電抗器、氧化鋅避雷器等，但效果都不盡人意。而永磁機構的出現(xiàn)，為電子同步過零操作技術提供了條件。所謂同步過零開關技術是指斷路器的動、靜觸頭在電子控制系統(tǒng)的控制下，可在系統(tǒng)電壓波形過零時關合;電流波形過零時分斷。這樣可使投入空載變壓器、電容器和空載線路時，對自身和電力系統(tǒng)沖擊*小。
因此，在降低斷路器觸頭、滅弧室的開合容量、合閘操作的過電流過電壓，提高電力設備壽命和系統(tǒng)穩(wěn)定等方面都取得根本性的進展。為什么傳統(tǒng)的電磁式、彈簧式機構不能實現(xiàn)同步操作呢?其原因是它們眾多的傳動件運動時間分散性大，響應速度慢，很難對運動機構實現(xiàn)精確控制。而同步技術要求精確操作達到微秒級，完全可把分合閘時間的分散性控制在±1ms內。永磁機構控制系統(tǒng)如圖5。
裝置的核心是邏輯控制器，它接受各種電信號，如斷路器的關合指令、關合狀態(tài)、輸入輸出電壓等，通過邏輯判斷發(fā)出相應的指令，包括給出防止斷路器“跳躍”的閉鎖措施。如遇系統(tǒng)發(fā)生短路、過電流、欠壓等故障，它發(fā)出故障信號和相應指令。其中包括電源管理單元，檢測輸入輸出電壓，保證以穩(wěn)定的電壓向電容器充電，充電放電過程控制均由該裝置完成。執(zhí)行分合閘仍由分閘、合閘線圈完成、接受電信號用高精度電流、電壓互感器。
圖6是利用同步過零技術關合斷路器的動作過程。Tt為目標合閘時間;Td為延遲時間;Tc為斷路器合閘時間。當人工發(fā)出合閘指令時，裝置自動選擇一個正弦波過零處使系統(tǒng)初相角為零度。計算機根據(jù)操作機構的合閘時間Tc，算出裝置的延遲時間Td，使合閘瞬間相角為零度的前提下達到目標合閘時間Tt。圖中0點為合閘過零點。
當然，Td還必須考慮環(huán)境溫度和電容器的電壓因素，這些都是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定的。五、電子同步控制器如上述，要實現(xiàn)精確過零關合，必須要有具備分辨率在微秒級的硬件、軟件才能實現(xiàn)，顯然，只有微電子技術才能滿足這一要求。圖7是包括同步電子控制器的系統(tǒng)原理圖。
當人員利用TA或HA發(fā)出跳合閘指令后，微機邏輯單元經(jīng)過邏輯分析在適當?shù)臅r刻發(fā)出觸發(fā)脈沖，開通功率開關器件1R1～1R4，1R1～1R4可以是場效應管MOSFET或IBGT器件。微機一般采用單片機PI-CI6C73B—201/SP或80C196KB/KC。六、關于電源和輔助開關當前常用蓄電池作為跳合閘的直接電源。永磁操作機構采用電容器作跳合閘的直接電源。早在70年代，硅整流電容貯能作為跳合閘的直接電源非常流行，后來由于種種原因舍棄電容器而用蓄電池。為什么永磁機構要采用電容器呢?一是需要的能量較小，完成一次分——合——分，所需能量在250焦耳以下，電容器完全滿足這一要求。由于容量小，只需幾秒至10秒即可充滿電，充電電流也很小(2A以內)，所以電源容量一般都在100VA以下。即便是停電24小時仍能進行分閘操作。二是從供電性質來看，跳合閘操作沖擊性負載很適合電容器，而沖擊性負載對蓄電池是很不利的。三是從充電電源來看，電容器對濾波、穩(wěn)壓要求不高，還能經(jīng)受短路的沖擊，可放電到任意電壓不受損害。而蓄電池在這些性能上都不及電容器。從經(jīng)濟上講電容器也比蓄電池省得多?，F(xiàn)代的電解電容在55℃以上可用10年以上，溫度低些可達20～30年。
所以，只要電容器容量足夠大，作為跳合閘的能源是非常理想的。永磁機構不用傳統(tǒng)的可動觸頭檢測斷路器的開、合狀態(tài)，而用電子接近開關作為輔助開關。這種感應式開關屬無觸點開關，無可動元件，無磨損，無彈跳，不存在接觸不良問題，可精確確定動作時刻，運行不受外界環(huán)境影響，具有很長的壽命和很高的可靠性。結語：將永磁體應用于脫扣器，早在60年代國外已開始研究，在80年代新型永磁體釹鐵硼稀土材料的出現(xiàn)才為永磁技術應用奠定了基礎。90年代英國設計出第一臺樣機。
ABB公司研制成功的VM1真空斷路器配置的就是雙穩(wěn)態(tài)雙線圈永磁操作機構。國內已有幾十個廠家能生產(chǎn)永磁機構。經(jīng)過數(shù)年的運行實踐，證明這種機構是一種簡單可靠、性能卓越、免調試、免維護機構，壽命可達10萬次以上，在近期內將與彈簧機構并駕齊驅，逐漸成為主流產(chǎn)品。
