永磁機(jī)構(gòu)的控制發(fā)展及解決問題
2020-01-21 524
一、 永磁機(jī)構(gòu)控制發(fā)展概況
1、 斷路器操作機(jī)構(gòu)的發(fā)展。高壓開關(guān)的一個(gè)*基本性能就是機(jī)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(dòng)作使，而分、合動(dòng)作又是通過操動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，因此操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的優(yōu)劣，對(duì)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(jī)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)重要階段：電磁機(jī)構(gòu)、彈簧機(jī)構(gòu)、永磁機(jī)構(gòu)。
*早的電磁機(jī)構(gòu)，由于對(duì)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(shí)沖擊大，操作時(shí)間長(zhǎng)，而逐漸被市場(chǎng)所淘汰，取而代之的是彈簧操作機(jī)構(gòu)。其利用交直流兩用電動(dòng)機(jī)對(duì)彈簧進(jìn)行預(yù)儲(chǔ)能，利用彈簧能進(jìn)行分合閘操作，從而對(duì)電源要求低，交直流均可操作，對(duì)電源無沖擊，因此在近些年得到廣泛應(yīng)用。
但彈簧機(jī)構(gòu)也有其自身不可刻服的缺點(diǎn)：零件數(shù)量多，要求加工精度高，制造工藝復(fù)雜，成本高，產(chǎn)品可靠性不易保證。研究表明,開關(guān)設(shè)備的故障率和其零件的數(shù)量成正比，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件數(shù)量多(約為200個(gè))，要求加工精度高、制造工藝復(fù)雜，成本高，產(chǎn)品的可靠性不易保證。電磁力合閘的操動(dòng)機(jī)構(gòu)稱為電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)量少(約為120個(gè))，工作可靠，制造成本低，其缺點(diǎn)是合閘線圈消耗的功率太大，因而要求用戶配備價(jià)格昂貴的蓄電池組，加上電磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)笨重，動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)。
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(dòng)觸頭行程小，要求分閘速度高。動(dòng)靜觸頭合閘時(shí)為平面接觸，為了防止真空斷路器在短路時(shí)觸頭被強(qiáng)大的沖擊力斥開，動(dòng)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(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)很難體現(xiàn)出其高壽命、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。因此需要一結(jié)構(gòu)高度簡(jiǎn)化、節(jié)能和高可靠性的機(jī)構(gòu)來滿足真空斷路器的驅(qū)動(dòng)要求。永磁操作機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)就是為了解決這一問題，為研制新一代免維護(hù)斷路器奠定了基礎(chǔ)。從永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)上可看出，其元件極少，動(dòng)作過程簡(jiǎn)單，用其做的開關(guān)零件比彈簧機(jī)構(gòu)減少80%，從而保證運(yùn)行中的故障率極低，基本可達(dá)到免維護(hù)。
另外其壽命特長(zhǎng)，超過十萬次，這就為研制真正免維護(hù)超長(zhǎng)壽命的真空開關(guān)奠定了良好的基礎(chǔ)。近幾年來，永磁機(jī)構(gòu)在12kV電壓等級(jí)的斷路器上已廣泛應(yīng)用，表明其與真空滅弧室配合的優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。
2、 永磁機(jī)構(gòu)發(fā)展遇到的問題。永磁機(jī)構(gòu)本體的可靠性同彈簧機(jī)構(gòu)相比有非常明顯的提高。但是其應(yīng)用和推廣過程中也遇到了一些問題，導(dǎo)致其推廣應(yīng)用受到一定程度的限制。如何解決好這些問題成為永磁機(jī)構(gòu)發(fā)展和推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。永磁機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)不合理，可靠性較差使得人們對(duì)于永磁機(jī)構(gòu)的可靠性產(chǎn)生了懷疑?？梢悦鞔_的講：永磁機(jī)構(gòu)相對(duì)于彈簧機(jī)構(gòu)可靠性的提高是勿容質(zhì)疑的。因此，設(shè)計(jì)和采用高可靠、高性能的控制裝置成為永磁機(jī)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵和難點(diǎn)。
3、 永磁機(jī)構(gòu)控制回路主要功能永磁機(jī)構(gòu)本身設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單化，使得控制回路相對(duì)復(fù)雜，將機(jī)構(gòu)本身可靠性的要求轉(zhuǎn)移到控制回路。控制回路的基本功能有：A、為永磁機(jī)構(gòu)提供分合閘能量;B、接受控制信號(hào);C、機(jī)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能;D、通過邏輯判斷進(jìn)行分合閘操作。控制回路的輔助功能有：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(jī)構(gòu)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?？刂苹芈返陌l(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(zhuǎn)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(dá)到控制開關(guān)分合閘的目的。繼電器控制方式存在體積大、壽命短、延遲時(shí)間長(zhǎng)、節(jié)點(diǎn)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(yīng)用上看又分為：MOSFET開關(guān)管和IGBT開關(guān)管。該方式由于一般采用單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案，因此其具有以下優(yōu)點(diǎn)：體積小、功能強(qiáng)大、延遲時(shí)間短、壽命長(zhǎng)等?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)該類型的永磁控制器獲得了較為廣泛的應(yīng)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(hù)電路不完善這些器件是非常容易順壞的。在當(dāng)前永磁機(jī)構(gòu)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(hù)該類器件成為永磁機(jī)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
二、 永磁控制要解決好的幾個(gè)問題
1、 可靠性永磁機(jī)構(gòu)控制要解決的首要問題是可靠性的問題。當(dāng)前永磁開關(guān)推廣的一個(gè)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(hù)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(dá)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，找到了比較好的辦法，從而提高了控制設(shè)備的可靠性。
2、 抗干擾性永磁機(jī)構(gòu)控制器有的安裝于斷路器本體內(nèi)部，在開斷故障電流時(shí)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(shè)備必須具有很高的抗干擾性，才能保證斷路器的正常動(dòng)作，否則就會(huì)出現(xiàn)斷路器誤動(dòng)或拒動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)中較為嚴(yán)酷的干擾等級(jí)。A、脈沖干擾GB/T 14598.13(IEC255-22-1)標(biāo)準(zhǔn) 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(biāo)準(zhǔn)C、輻射電磁場(chǎng)干擾GB/T 14598.9(IEC255-22-3) 標(biāo)準(zhǔn)D、快速瞬變干擾GB/T 14598.10(IEC255-22-4)標(biāo)準(zhǔn)E、浪涌試驗(yàn)GB/T 17626.5(IEC 61000-4-5)標(biāo)準(zhǔn)F、傳導(dǎo)電磁場(chǎng)干擾試驗(yàn)GB/T 17626.6(IEC 61000-4-6)標(biāo)準(zhǔn)。
3、 抗震性對(duì)于永磁控制器的抗震性的要求，可以分為兩個(gè)等級(jí)。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?yàn)閿嗦菲髟诜趾线^程中的震動(dòng)還是相當(dāng)大的，如果忽視了對(duì)于抗震性的要求，斷路器產(chǎn)品的可靠性肯定會(huì)受到很大的影響。對(duì)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(shè)備的抗震性即可。
4、 小型化小型化是當(dāng)前控制設(shè)備的發(fā)展的必然趨勢(shì)，同時(shí)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(jī)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(jī)構(gòu)由于取消了儲(chǔ)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(dāng)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(chǔ)能電容。儲(chǔ)能電容應(yīng)當(dāng)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(guān)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(dòng)較大、輸入電源只能為交流、功能簡(jiǎn)單，因此不能完全滿足永磁操作機(jī)構(gòu)的要求。開關(guān)電源模式的功率變換回路實(shí)際上是工作在開關(guān)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(jī)構(gòu)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(yīng)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(guān)的狀態(tài)、操作電壓的情況、輸入控制信號(hào)等外部狀態(tài)，然后進(jìn)行計(jì)算、邏輯判斷、系統(tǒng)自檢等得出進(jìn)一步動(dòng)作類型，通過電力電子器件、繼電器等輸出控制脈沖或信號(hào)等。該部分的實(shí)現(xiàn)一般采用單片機(jī)的方式，也可采用模擬電路或可編程邏輯器件實(shí)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(shí)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(hào)，將分合閘電壓電流施加于分合閘線圈，從而實(shí)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(hù)問題，保證控制回路的可靠性。可以通過電路的優(yōu)化、器件的篩選、保護(hù)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。
