配永磁机构真空断路器运动特性控制技术的研究

1、年月高压电器第卷第期文章编号：（）!"!"配永磁机构真空断路器运动特性控制技术的研究黄瑜珑，王静君，徐国政，钱家骊（清华大学电机系，北京），（，）摘要：真空断路器的动触头运动特性对其开断能力和寿命影响很大。介绍了一种控制分闸运动特性的方法，通过控制永磁机构的分、合闸线圈的接入时间，控制分闸的的运动特性。在实验室进行了试验，验证了该方法的可行性。关键词：真空断路器；永磁机构；运动特性中图分类号：文献标识码：的两种分闸行程特性，平均分闸速度一样，但开断性能差异很大，图中：为传统型分闸曲线，分闸特性不好，为理想型分闸曲线，分闸特性好。：（）：；引言由于灭弧室技术和操动机构制造技术

2、的进步，使得高压断路器的可靠性有很大的提高，进而减少了维护。在真空断路器的合闸操作过程中，永磁机构有一个很好的力合闸行程特性，非常接近与真空断路器合闸操作的要求，但永磁机构的分闸特性并不理想，为了克服机构本身的机械固有特性的限制，可以采用新的原理和合分闸操作的控制方法。介绍了一种控制分闸运动特性的方法，通过控制永磁机构的分闸和合闸线圈通电时刻，控制机构的运动，以实现较为理想的分闸运动特性。真空断路器动触头理想运动特性图所示是真空断路器灭弧室动触头分闸操作收稿日期：学研究及教学工作。经统计可知，后开相的灭弧时间在时间段，而传统型动触头分闸运动到底振动最强烈的时间也正好是区域，在触头弧根凝固时遇到

3、强烈振动，飞溅的金属悬浮微粒和不平整的触头表面都是重击穿和开断失败的因素。理想曲线分闸到底时间处于约，为触头凝固提供了约的时间，有利于触头表面保持平整及触头空间洁净，消除重击穿发生的外界条件。传统曲线的刚分速度小，理想曲线提升了刚分速度。动触头刚分速度越高越有利于开断电流。对于一定的开断电流，间隙大于一定值之后，随触头间隙的进一步增加，开断电流有所下降，间隙越大，电弧在阳极上的收缩越严重，电弧的严重收缩导致阳极熔化，出现点状阳极斑点。阳极斑点的出现使阳极表面变得十分活跃，向触头间隙喷射大量金属蒸气，导致电流过零点不能熄弧。对于每种真空灭弧室都有规定的短路开断电流，同时也相应有一最作者简介：黄瑜

4、珑（），男，副教授，从事在线监测及故障诊断、高压电器的智能化，嵌入式单片机技术与应用方面科!"研究与分析!"年月高压电器第卷第期佳开距区。动触头在此区间内运动速度应较慢，以便使电流在此间隙内过零。开断电流只有在最佳间隙区间过零，才能充分发挥真空灭弧室的开断能力。传统曲线在开断小电流时，后开相间距太大，金属蒸气的平均密度小，维持小电流的能力差，截流水平就会增大，而理想曲线后开相间距小，金属蒸气平均密度高，维持小电流能力增强，截流水平大为降低。传统操动机构难以实现理想特性对于弹簧机构的真空断路器，当要提高分闸速度时，一方面势必要加强分闸弹簧，这就要求加强合闸力，过度增加又会引起

5、动触头及传动件表面强烈的冲击变形和弹跳；另一方面提高分闸速度时，也容易产生在开断到底时较大的震动，见图的传统型分闸曲线。在弹簧操动机构合闸或分闸操作启动后，难于进行运动过程中的调节控制。在时刻，分闸线圈通电，电流从开始上升。在时刻，分闸线圈电流达到了动铁心的始动电流值，操动机构铁心开始运动。在时刻，动触头与静触头分离。在时刻，分闸线圈与储能电容电容器组成的放电回路断开，分闸线圈通过续流回路放电。在时刻，动铁心运动到最大位置。在时刻，动铁心有反弹运动。图中，所测量到的分闸操作动铁心速度是先慢后快，在运动到分闸位置时刻最大，产生了较大的撞击，分闸特性不理想。一种改进的永磁操动机构控制方法技术进步为

6、改善运动特性提供条件近十年来，微计算机技术、电力电子技术、控制技术得到了飞速的发展，基于单片机、等微控制器的嵌入式系统已较广泛应用于电力系统的测量、保护和控制设备中，其工作性能、可靠性、价格等已能满足电力系统的要求，提高了电力系统中设备的性能和自动化水平。在研究过程中就是把微计算机、电力电子和控制技术运用在高压断路器的操动过程中，实现断路器最佳运动特性的要求。只依靠对操动机构的机械优化设计来提高运动特性是有限度的。在已有的永磁操动机构的基础上，利用电力电子和微计算机控制技术，笔者在实验室研究了一种永磁操动机构的控制方法。图是试验中用的真空断路器永磁操动机构控制电路，每个线圈由个开关模块控制，线

7、圈可以获得正向电流，还可以获得反向电流。由一个单片机构成的控制单元控制的开通和关断，这合闸操作提供了多种控制方法。样设计，给分、永磁操动机构现有的控制方法对于双稳态永磁操动机构，合闸操作过程中，永磁机构有一个很好的力合闸行程特性，非常接近真空断路器合闸操作的要求。但是，在现有的控制方式下，永磁机构的分闸特性并不理想。永磁机构是由电磁铁的动铁心作为驱动元件，一起参与分闸的运动，增加了分闸操作的运动惯量，不利于提高分闸的初速度。这些缺点在把永磁机构应用到或更高电压等级的断路器中变得更为突出。图是一种双稳态永磁操动机构分闸操作波形图。图中：分闸线圈电流每格，时间轴每格。由于已有的行程传感器很难安装在

8、灭弧室的动触头上，试验中行程传感器是安装在动铁心上。分闸操作方式分闸线圈通正向电流，合闸线圈通过反向电流，分闸线圈和合闸线圈产生的电磁力共同作用，驱动铁心加速运动，见图。图中：合、分闸线圈电流值为每格，时间轴每格为，下图同。在时刻，单片机发出分闸信号，经驱动电路，使图中的，导通，分闸线圈通正向电流，同时，导通，合闸线圈通年月高压电器第卷第期反向电流，分闸线圈和合闸线圈产生的电磁力共同作用于铁心，驱动铁心向分闸线圈方向运动。在时刻，分闸线圈和合闸线圈的电流达到了动铁心的始动电流值，动铁心开始运动。在时刻，动触头与静触头分离。在时刻，单片机发信号，关断，合闸线圈通过，组成的续流回路放电。在时刻，动

9、铁心运动到分闸位置，单片机发信号，关断，分闸线圈通过，的续流回路放电。分闸操作方式分闸线圈通正向电流，驱动铁心运动，进行分闸操作，合闸线圈通过正向电流，起减缓铁心运动速度和分闸缓冲的作用。见图。在时刻，单片机发出分闸信号，经驱动电路，使图中的，导通，分闸线圈通正在时向电流，分闸线圈产生的电磁力作用于铁心。刻，分闸线圈的电流达到了动铁心的始动电流值，动铁心开始分闸运动。在时刻，动触头与静触头分离。在时刻，单片机发信号，关断，分闸线圈通过，组成的续流回路放电。同时，导通，合闸线圈通过正向电流，产生的电磁力使动铁心运动减速。在时刻，动铁心运动到分闸最大位置。在时刻，关断。分闸操作方式分闸线圈通正向电

10、流，产生的电磁力驱动铁心加速运动。动触头与静触头分离后，分闸线圈通过反向电流，产生的电磁力作用于铁心，起减缓铁心运动速度和分闸缓冲的作用。见图。在时刻，单片机发出分闸信号，经驱动电路，使图中的，导通，分闸线圈通正向电流，分闸线圈产生的电磁力于铁心。在时刻，分闸线圈的电流达到了动铁心的始动电流值，动铁心开始运动。在时刻，动触头与静触头分离。在时刻，单片机发信号，关断，分闸线圈通过，组成的续流回路放电。在时刻，单片机发信号，导通，分闸线圈通过反向电流，产生的电磁力使铁心运动减速。在时刻，动铁心运动到分闸最大位置。在时刻，关断。试验结果分析（）从操作方式的试验测量图（图）中可以得出，线圈通电至动静触

11、头分离时间为，比图中的短，但动铁心的分闸速度是先慢后快，运动特性不理想。（）从操作方式的试验测量图（图）中可以得出，分闸的前期和后期速度基本相等，与分闸操作方式比较，运动特性有所改善。（）从操作方式的试验测量图（图）中可以得出，分闸速度先快后慢，运动特性有较大的改善。试验的结果说明，在分闸操作过程中，在动触头与静触头分离后，给分闸线圈通反向电流或给合闸线圈通过正向电流，可以减缓铁心运动速度，起分闸缓冲的作用，减小操作过程中的机械振动，可以提高双稳态永磁操动机构断路器的操作特性。如果对合、分闸操作线圈的电流波形进行更准确的控制，应能更加准确地控制动铁心的运动特性，达到控制真空断路器运动特性的目的，这方面的研究，将在以后的论文中发表。结语笔者介绍了一种真空断路器永磁操动机构分闸特性的控制方法，通过控制分、合闸线圈的接入时间，控制动铁心的运