1、永磁机构的控制一、 永磁机构控制发展概况1、 断路器操作机构的发展。高压开关的一个最基本性能就是机械可靠性，断路器的全部使命，归根到底是体现在触头的分、合动作使，而分、合动作又是通过操动机构来实现的，因此操动机构的工作性能和质量的优劣，对高压断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。操作机构的发展经历了几个重要阶段：电磁机构、弹簧机构、永磁机构。最早的电磁机构，由于对电源要求较苛刻需要专用的大容量电源屏供电，并且操作时冲击大，操作时间长，而逐渐被市场所淘汰，取而代之的是弹簧操作机构。其利用交直流两用电动机对弹簧进行预储能，利用弹簧能进行分合闸操作，从而对电源要求低，交直流均可操作，对电源无冲
2、击，因此在近些年得到广泛应用。但弹簧机构也有其自身不可刻服的缺点：零件数量多，要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，产品可靠性不易保证。研究表明,开关设备的故障率和其零件的数量成正比，弹簧操动机构的结构比较复杂，零件数量多（约为 200 个），要求加工精度高、制造工艺复杂，成本高，产品的可靠性不易保证。电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构，电磁操动机构的优点是结构简单，零件数量少（约为 120 个），工作可靠，制造成本低，其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而要求用户配备价格昂贵的蓄电池组，加上电磁机构的结构笨重，动作时间较长。真空断路器之所以如此迅速发展，在于其真空灭弧室优异的开断特性，使其电
3、寿命大大增加。真空断路器的灭弧室动触头行程小，要求分闸速度高。动静触头合闸时为平面接触，为了防止真空断路器在短路时触头被强大的冲击力斥开，动静触头间要施以较大的触头压力，这样也有利于提高分闸速度。真空灭弧室的优异性，使其机械及电寿命从传统的两千次跃增为上万次，沿用传统断路器操动机构很难体现出其高寿命、高可靠性的优点。因此需要一结构高度简化、节能和高可靠性的机构来满足真空断路器的驱动要求。永磁操作机构的出现就是为了解决这一问题，为研制新一代免维护断路器奠定了基础。从永磁机构的结构上可看出，其元件极少，动作过程简单，用其做的开关零件比弹簧机构减少80%，从而保证运行中的故障率极低，基本可达到免维护
4、。另外其寿命特长，超过十万次，这就为研制真正免维护超长寿命的真空开关奠定了良好的基础。近几年来，永磁机构在 12kV 电压等级的断路器上已广泛应用，表明其与真空灭弧室配合的优点是非常明显的。2、永磁机构发展遇到的问题。永磁机构本体的可靠性同弹簧机构相比有非常明显的提高。但是其应用和推广过程中也遇到了一些问题，导致其推广应用受到一定程度的限制。如何解决好这些问题成为永磁机构发展和推广应用的关键。永磁机构推广遇到的最大的问题是控制回路的问题。由于控制回路的设计不合理，可靠性较差使得人们对于永磁机构的可靠性产生了怀疑。可以明确的讲：永磁机构相对于弹簧机构可靠性的提高是勿容质疑的。因此，设计和采用高可
5、靠、高性能的控制装置成为永磁机构发展的关键和难点。3、永磁机构控制回路主要功能永磁机构本身设计的简单化，使得控制回路相对复杂，将机构本身可靠性的要求转移到控制回路。控制回路的基本功能有：A、为永磁机构提供分合闸能量；B、接受控制信号； C、机构状态监测功能；D、通过逻辑判断进行分合闸操作。控制回路的辅助功能有： A、操作电压监视；B、防跳功能；C 、通讯功能；D、告警功能等。4、控制回路的发展永磁机构控制回路通过不断的发展，取得了不少可喜的成果，其可靠性也在不断的提高。控制回路的发展经历了从普通继电器控制方式向大功率电力电子器件控制方式转变的过程。普通继电器控制方式采用直流继电器控制分合闸线圈
6、，来达到控制开关分合闸的目的。继电器控制方式存在体积大、寿命短、延迟时间长、节点粘连等问题，因此其使用受到了很大的限制。大功率电力电子器件控制方式从器件的应用上看又分为：MOSFET 开关管和 IGBT开关管。该方式由于一般采用单片机的设计方案，因此其具有以下优点：体积小、功能强大、延迟时间短、寿命长等。基于上述优点该类型的永磁控制器获得了较为广泛的应用。但是，由于电力电子器件耐受电压电流冲击的能力较低，如果保护电路不完善这些器件是非常容易顺坏的。在当前永磁机构断路器出现的故障中该器件损坏占据了较大的比例。因此，采用什么样的方法来保护该类器件成为永磁机构控制器设计的重点和难点。二、 永磁控制要
7、解决好的几个问题1、可靠性永磁机构控制要解决的首要问题是可靠性的问题。当前永磁开关推广的一个比较大制约因素就是控制回路的可靠性问题。通过电路的优化、器件的筛选、保护电路的完善等手段解决控制回路中大功率电力电子损坏的问题。必须通过几方面的协调才可能达到理想的效果，在这方面我们做了大量的工作，积累了丰富的实验数据，找到了比较好的办法，从而提高了控制设备的可靠性。2、抗干扰性永磁机构控制器有的安装于断路器本体内部，在开断故障电流时控制器所受到的电磁干扰是非常恶劣的，因此作为断路器的控制设备必须具有很高的抗干扰性，才能保证断路器的正常动作，否则就会出现断路器误动或拒动的问题，这是必须要避免的。一般要求
8、控制器产品因该满足下列标准中较为严酷的干扰等级。A、脉冲干扰 GB/T 14598.13(IEC255-22-1)标准 共模： 2.5kV/1MHz/2s 2.5kV/100kHz/2s差模： 1.0kV/1MHz/2s 1.0kV/100kHz/2sB、静电放电干扰 GB/T 14598.14(IEC255-22-2)标准C、辐射电磁场干扰 GB/T 14598.9(IEC255-22-3) 标准D、快速瞬变干扰 GB/T 14598.10(IEC255-22-4)标准E、浪涌试验 GB/T 17626.5(IEC 61000-4-5)标准F、传导电磁场干扰试验 GB/T 17626.6(I
9、EC 61000-4-6)标准3、抗震性对于永磁控制器的抗震性的要求，可以分为两个等级。内置于断路器本体内的永磁控制器必须具有非常高的抗震性，因为断路器在分合过程中的震动还是相当大的，如果忽视了对于抗震性的要求，断路器产品的可靠性肯定会受到很大的影响。对于同断路器本体分离安装的控制器来讲，其抗震性的要求要地一些，一般情况满足通常设备的抗震性即可。4、小型化小型化是当前控制设备的发展的必然趋势，同时为了满足控制器内置的要求也必须小型化。小型化就要求采用新的控制方式、新的器件、新的控制原理。采用集成度较高的单片机和大功率电力电子器件，是控制器小型化的主要手段。 三、控制回路组成1、电源部分永磁操作
10、机构由于取消了储能部件，所以其操作功还是比较大的。电源部分是控制回路中核心的部分，当前控制回路的许多问题都是由于没有处理好电源部分的问题引起的。电源部分一般有两部分组成：功率变换部分和储能电容。储能电容应当选取可靠性高、性能稳定的产品。功率变换可以分为整流变换模式和开关电源模式。整流变换模式一般由工频变压器、整流桥和限流电路组成，虽然这种电路成本低、可靠性高，但是其输出电压波动较大、输入电源只能为交流、功能简单，因此不能完全满足永磁操作机构的要求。开关电源模式的功率变换回路实际上是工作在开关模式的 DC/DC 或 AC/DC 电源，这种电源工作范围宽、输出稳定、交直流兼容，可以完全满足永磁操作
11、机构的要求。为了满足永磁控制回路可靠性、抗干扰性、抗震性、小型化的要求，应该采用模块化、全灌封、密闭金属外壳的模块电源。2、逻辑判断部分该部分的主要功能通过采集和判别开关的状态、操作电压的情况、输入控制信号等外部状态，然后进行计算、逻辑判断、系统自检等得出进一步动作类型，通过电力电子器件、继电器等输出控制脉冲或信号等。该部分的实现一般采用单片机的方式，也可采用模拟电路或可编程逻辑器件实现。该部分主要是解决好判断逻辑的正确性、程序的稳定性、电路抗干扰性等问题。永磁控制的一些附加功能可以由该部分实现，如：防跳功能、操作电压监视、通讯功能、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
12、受分合闸控制信号，将分合闸电压电流施加于分合闸线圈，从而实现分合闸的目的。该部分的的主要问题是解决好功率器件的保护问题，保证控制回路的可靠性。可以通过电路的优化、器件的筛选、保护电路的完善等手段解决控制回路中大功率电力电子损坏的问题永磁断路器与二次系统接口1、 引言真空断路器的驱动元件操动机构，从最初的电磁机构，发展到现在广泛应用的弹簧操作机构，以及近年来出现了永磁机构。随着永磁材料、制造技术、控制技术的进步真空永磁断路器在中低压领域特别是在频繁操作的场合获得了广泛的应用和用户的好评。但是由于真空永磁断路器本身的一些特点同弹簧操作机构的差别，在永磁断路器的推广应用过程中遇到了一些同二次系统接口
13、方面的问题。这些问题的存在制约了永磁机构本身特点的发挥和其进一步的推广应用。必须解决好永磁断路器同二次系统地接口问题，才能更好的发挥永磁机构自身的特点和进一步的推广应用。当前永磁断路器同二次系统接口存在的主要问题，实际上不是技术的问题，而是同现在广泛应用的弹簧操作机构断路器的兼容问题。从设计角度讲，永磁机构断路器简化了同二次系统地接口，但是由于二次设备生产厂家、工程设计人员、产品使用人员对于永磁断路器的特性和应用还不是特别熟悉，在认识上还不是特别清楚，总是用弹簧断路的接口方式来套永磁断路，造成一些应用上的问题，增加了故障点降低了永磁断路的整体可靠性。因此，正确认识永磁断路器同二次系统地接口问题
14、，对于永磁断路器特点的发挥和扩大应用有着非常重要的意义。2、当前电力一次开关设备同二次系统的接口对于一次开关设备同二次系统的接口方式可以从一次和二次设备两方面分别来说明。一次开关设备对外接口主要有以下几部分：一、合、分闸控制回路；二、电流、电压变送回路；三、位置指示回路。二次系统同一次开关设备主要接口是通过微机综合保护装置来完成的，微机综合保护装置对于一次开关设备对应的接口进行相应的采集和控制，包括：一、控制开关动作；二、采集开关上的电压电流量；三、采集开关工作状态。对于一次开关设备的接口，由于弹簧机构在当前的开关设备中占据了绝对的优势，这里以弹簧开关作为例子说明一次开关设备的接口方式。图一为
15、典型的弹簧开关二次原理图，根据该图对一次开关设备的接口进行简要说明。图中合闸回路由合闸线圈、辅助开关、防跳继电器、整流桥及有关的接点组成。合闸过程为：在开关分位，辅助开关常闭接点接通，当开关接到合闸控制电压后驱动合闸线圈动作触发开关进行合闸，开关合闸完成辅助开关常闭接点断开切断合闸电流，从而完成合闸动作。防跳继电器主要是在合闸控制电压未消失前，闭锁合闸回路，防止开关跳闸后继续合闸。图中跳闸回路由跳闸线圈、辅助开关、整流桥组成。跳闸过程为：在开关合位，辅助开关常开接点接通，当开关接到跳闸控制电压后驱动跳闸线圈动作触发开关进行跳闸，开关跳闸完成辅助开关常开接点断开切断跳闸电流，从而完成跳闸动作。图
16、中开关位置指示是通过辅助开关直接引出，通过常开、常闭接点表示开关位置。该图中没有电压电流变送回路，一般情况户外开关会根据要求添加电压电流变送回路，而户内开关由于其安装于开关柜内，电压电流变送回路作为柜内元件而不作为开关元件。电压电流变送器件当前一般采用普通的电磁式变送器，输出信号一般为 1A、5A、100V、220V 等。对于弹簧开关来讲当前国内外从原理上、应用习惯上没有大的差别，区别仅在具体产品上的区别，因此就不再区别进行介绍了。图一 VS1 开关二次原理图 电力设备二次系统同一次设备的接口国内外、国内不同厂家之间、应用于中高压设备和低压电器设备有较大的区别，下面简要的介绍一下较为常见的一些
17、做法，作为讨论接口问题的例子。因为现在一次设备开关大部分为弹簧操作机构，故而绝大多数国内的二次设备（目前大多数采用“测量、保护、控制、信号”四合一的微机综合保护装置）的接口设计是根据弹簧操作机构的要求和特点进行控制回路的设计，同时根据设备运行的情况又不断地添加了一些反事故措施造成控制回路复杂，与开关设备的某些功能重叠最典型的如防跳回路。国外的二次保护设备的接口相对比较简单，大部分为空接点输出。下面简要介绍一下各自的特点。电力二次控制保护设备同一次开关设备的接口主要涉及到：动作控制、信号采集、模拟量采集的问题。动作控制主要是二次保护设备通过输出控制电压信号来驱动开关动作。保护设备为了控制开关动作
18、（合闸、分闸），一般要有合闸继电器（有的还分为遥控合闸和保护合闸继电器）、分闸继电器（有的还分为遥控分和保护分继电器）。由于开关设备合分闸控制需要的控制电流比较大（1A5A），电压比较高（24V,110V220V，直流 /交流）如果开关拒动或是回路中的辅助开关故障，就需要保护设备切断该电流，但是一般的继电器的接点容量无法完全满足上述需要，故而不同厂家采取了很多办法解决该问题。许多措施的应用保证了保护设备的可靠性，提高了系统的稳定性。但是这些措施的应用并不适合其它非弹簧操作机构的一次开关设备，是造成当前永磁操作机构在应用中同二次设备接口不匹配的主要原因。国内二次设备厂家为了解决继电器接点容量不足
19、的问题一般采取增加跳闸插件（回路）的办法，图二为一典型的保护设备跳闸插件原理图。从图中可以看出，保护设备为了解决继电器接点容量不足的问题采取的办法是增加了控制回路的电流保持功能。简单的讲就是在控制回路增加了电流型继电器（HJ、TBJ），该继电器的功能就是一但控制回路有电流流过该回路就一直接通直至电流消失，这就保证了由于继电器接点容量不足而引起的节点损坏。这样的解决办法实际上是由于国内产业分割二次保护设备和一次开关设备一般不是同一厂家供货造成的，该办法并没有从根本上解决问题，只是二次保厂家为了保证自身设备可靠性而采取的办法。如果开关设备拒动或是辅助开关粘连，未采用该办法可能烧毁控制继电器以及合分
20、闸线圈，采用该办法的直接后果就是合分闸线圈的烧毁。同时保护设备为了保证控制的可靠性，通过合分闸回路来检测开关合分闸位置，这样就可以进行控制回路检测，因为合闸回路合分闸回路必定有一个是通的如果两个回路都不通证明控制回路断线。图二保护装置控制回路原理图二次保护设备为了同一次开关设备控制回路接口匹配、为了适应不同的控制电压（110V，220V，交流，直流）等，需要不同控制电路和参数，造成保护设备规格不一调试麻烦，没有统一的标准等，至今仍然存在好多的问题。但是国外的保护设备很少采用类似的解决办法，施耐德 S80、S40 、S20、ABB SPJ140 系列、 SEL 系列、阿尔斯通 MicomP 系列
21、、西门子 7SJ 系列都是继电器直接出口，没有相应的保持电路。信号采集主要是通过采集开关设备辅助开关的通断情况来判断开关有关的状态，如：开关合位、开关分位、储能状态等。二次保护设备采集电路主要是通过光电耦合器件实现开关量的。 模拟量采集主要是通过将电压电流变送器输出的转化为 AD 变换电路能够识别的电平信号，通过 AD 变换将该电平转换为数字信号供二次保护设备 CPU 进行数字处理，然后确定相应的动作。3、 新型永磁断路器同二次系统接口的方式 真空永磁断路器因其高可靠性、免维护性等逐渐获得了用户的喜爱，应用范围不断扩大，但是其又有本身不同于弹簧机构断路器的特点，在应用过程中遇到了很多同二次设备
22、接口问题。为了更好的推广真空永磁断路器必须要解决好其同二次设备的接口问题。前面也提到了永磁开关其实是简化了二次保护设备对于接口的要求。永磁开关因其控制方式的不同其接口方式也有区别，当前永磁断路器主要的控制方式主要分为：接触器控制方式和电子控制器控制方式。接触器控制方式永磁开关，通过接触器触点接通或断开永磁机构合分闸线圈的电流来实现合闸合分闸过程。对二次保护设备来讲合分闸回路就是接触器线圈串入相应的辅助开关，保护设备的控制电压信号通过辅助开关送给接触器线圈，开关动作到位后通过辅助开关切断接触器回路。该方式可以将接触器线圈看成是弹簧操作机构的合分闸线圈，接口方面同弹簧开关基本没有大的区别。该控制方式由于采用了接触器元件，接触器的性能、可靠性无法同永磁机构相匹配，同时还存在烧毁机构线圈的问题，另外接触器体积较大安装不方便，因此应用该控制方式的永磁断路器在永磁断路器中所占的比例较少且在逐渐减少。合闸位置检测分闸位置检测手动合闸控制遥控合闸控制手动分闸控制遥控分闸控制光电隔离开入操作电压EMI 抑制隔离、放大、比较逻辑判别互锁回路告警回路系统自检
