高压真空断路器智能控制器毕业设计

1、摘要当今世界，电力在人们的日常生活和工业生产中有着相当重要的作用。在完善的电力系统中，断路器是必不可少的开关设备。断路器不仅可以可以切断系统运行时的空载电流和负荷电流，而且在电力系统出现故障时，可以与继电保护装置配合切断过负荷电流 ，对电力系统的安全稳定运行起着必不可少的作用。高压领域常选用高压真空断路器，不同于其他灭弧介质的断路器。高压真空断路器质量轻、结构简单、运行维护方便、不会对环境造成污染，所以一经采用，迅速发展为高压开关领域的主流。传统的高压真空断路器按其操动机构可分为电磁式和电动弹簧式，早期，电磁操动机构的较好地迎合了真空灭弧室的需求，得到了广大地发展和应用，但由于其机械结构复杂故

2、障率高而被新兴的永磁操动机构替代。永磁机构主要利用永磁体的磁力使得断路器保持在开断或者闭合位置 ，减少了机械部件的使用，既减轻了断路器的体积，也使得故障发生的机滤大大减少。采用了永磁机构的断路器，可以与计算机技术相互结合，便于实现断路器控制的智能化本论文以单片机为基础，设计一套高压真空断路器双稳态永磁机构的智能控制系统，实现保护、控制、测量、开关量监测等功能。实现对电压、电流、有功功率、无功功率的实时监测，并且具有过电流速断保护、过电压和欠电压保护、闭锁、自诊断以及报警等功能。关键词：电力系统；断路器；永磁操动机构0 前言电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源 。电力系统是由电能的生产、输送

3、、分配和消费的各个环节组成的整体。根据电力在国民经济中的地位和作用，对电力系统运行有三点要求：（1）保证安全可靠供电；（2）保证良好的电能质量；（3）保证电力系统运行的经济性。智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，并被认为是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。2001年美国电力科学研究院创立了智能电网联盟，推动“IntelliGrid”研究，2003年，美国能源部（DOE） 发布“Grid2030”，对美国未来电网远景进行阐述。我国关于智能电网方面的研究进展缓慢，起步较晚。2007年10月，华东电网公司启动了智能电网可行性研究项目，密切跟踪国际先进电力企业和研究机构对智能电网的研

4、究，并结合华东电网的现状和今后发展的要求提出三个阶段的发展思路和行动计划2010年初步建成电网高级调度中心，2020年全面建成具有初步智能特性的数字化电网，2030年真正建成具有自愈能力的智能电网。2008年，国家电网公司开始推行电力用户用电信息采集系统，规划用3到5年时间实现全网的电能信息采集。国家电网公司将分三个阶段推进坚强智能电网建设：2009-2010年是规划试点阶段，重点开展坚强智能电网发展规划，制定技术和管理标准，开展关键技术研发和设备研制，开展各环节的试点；2011-2015年是全面建设阶段，将加快特高压电网和城乡配电网建设，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备

5、实现重大突破和广泛应用；2016-2020年是引领提升阶段，将全面建设成统一的坚强智能电网，技术和装备达到国际先进水平。 当前电力系统建设对作为开关设备的真空断路器的智能控制功能提出了更高的要求，诸如要求分合实时、高可靠性和免维护等。传统的中压断路器的操动机构主要采用电磁机构和弹簧机构等结构。近来，在国内外中高压领域相继采用了永磁操动机构来取代传统的电磁式或电动弹簧式操动机构。永磁操动机构采用一种独特的结构和工作原理，依靠永久磁铁实现机构终端位置的保持功能，取代了传统操动机构中的机械脱扣和锁扣功能。由电磁线圈提供操动能量，永磁机构的合、分闸能量是由经过充电和稳压的电解电容对合、分闸线圈放电提供

6、的。永磁机构的出现为实现同步关合技术创造了很好的物质条件。本文基于永磁机构的工作原理和结构特点，提出了用单片机测控系统对永磁机构的分、合闸进行控制，并对永磁机构的同步关合技术进行了分析。同步关合技术，也成为选相分合闸，是为了抑制操作过电压和提出的，早期因为技术水平原因只是长期停留在理论阶段，随着高压电器制造水平的提高和微电子自动控制技术的进步，该技术已经得到实现，产品正在不断发展并投入运行本次设计针对传统真空断路器传动机构复杂、运动时间分散性大、运动可控性差、响应速度慢，难实现精确控制现状，研究了配双稳态永磁机构高压真空断路驱动器的智能控制技术。本论文对高压真空断路器的永磁操动机构及其国内外发

7、展现状进行详细介绍，阐述永磁机构的优点及其工作原理，针对双稳态真空断路器的工作原理与结构特点提出了智能控制器的基本结构框架。1 概述本章重点介绍了永磁操动机构这一新型操动机构的发展状况与前景，以及对永磁机构进行研究将重大意义，并对同步关合技术及其在现实中的重要意义做了简要介绍1.1设计研究的内容和意义随着微控制器技术、电力电子技术与智能控制理论的迅速发展及其在电器领域的广泛应用，结合当前智能电网建设与发展，对断路器的控制智能化提出了新的要求。断路器是电力系统继电保护的重要终端设备之一，它的智能化的水平对电力系统的稳定运行和自动化程度将产生深远的影响。目前，人们提出的智能断路器大致应有以下几个特

8、点：断路器可以检测自身的状态并判断是否故障，对电网的故障诊断和信息遥信技术，自动重合闸，同步关合技术等。 同步关合技术，就是指断路器动、静触头在控制系统的控制下，在电力系统是电压波形的指定相角处关合，使得空载变压器、电容器和空载线路等电力设备在对自身和系统冲击最小的情况下投入电力系统的一种智能控制技术。同步关合技术可以降低合闸操作暂态过程中的过电流和过电压，从而可以提高电力设备的寿命和系统的稳定性。永磁操动机构自一出现，因其自身的优势迅速取代了传统的操动机构而在断路器中获得广泛应用。首先，永磁机构可实现机械上的高可靠和少维护甚至免维护。IEC(国际电工委员会)标准和国家标准对“设计成在其预期的

9、使用期间，主回路中开断用的零件不需要维护，其它零件只需要很少维修”的一种断路器定义为“E2级少维护断路器”，国际上也统称为“免维护断路器”。尽管免维护功能的实现需要从产品整体设计、制造入手，需要全方位综合考虑，但首先要解决的问题是提高机械可靠性，或者说机械上的高可靠是免维护的基础。由于永磁机构通过将电磁操动机构与永久磁铁特殊结合，可以实现传统断路器机构的全部功能，其结构上与传统机构的最大区别在于无需脱扣闭锁装置即可实现机构终端位置的保持功能，所用零部件数目大大减少，断路器的机械可靠性必然大大上升。其次，永磁机构还可实现断路器控制技术的智能化。断路器的智能化操作可以提高电力系统的稳定性，提高断路

10、器的开断和关合性能，提高断路器的可靠性。因此，断路器实现智能化操作是智能开关电器追求的目标。永磁机构由于部件少，中间转换和连接机构也少，大大减小了动作时间的分散性和不可控性，为断路器实现智能化操作提供了物质基础。通过采用电子或微机系统来对分合闸线圈进行控制，可以实现开关的智能操作和同步开断与关合。仅从提高机械可靠性的目的出发，永磁机构二次控制也可采用目前常规的电磁式继电保护方式。但为适应电力系统自动化发展的要求，特别是永磁机构简单可电控的特点，加上应用各种传感技术，采用电子式控制，开发具有自诊断功能的智能化开关最根本的发展方向。由于永磁机构采用了全新的工作原理，因此也产生了一系列新的理论问题。

11、尽管国外已有产品问世，但由于永磁机构技术试电工学、力学、计算方法、电力电子技术、微机技术、控制理论及新型材料科学在断路器上的综合应用，这一领域系统的理论还远未成熟，实质性的反映技术关键的理论研究成果还未见公开报道。因此应该结合永磁机构的开发研究永磁机构技术的电磁机理和控制理论，解决支撑这一技术的理论问题，并在理论与实验研究相结合的基础上，为这一领域形成较完善的理论奠定基础。并为下一代实现同步关合、抑制操作过电压和提高开断能力奠定基础。1.2永磁操动机构的发展现状与前景随着高压真空断路器理论研究水平和制造技术的不断提高，高压真空断路器成为高压开关领域的一个重要的发展方向。真空断路器的发展主要体现

12、在两个方面：真空灭弧室研制水平和操动机构技术水平。目前，发展“智能化开关设备”已成为智能电网发展的必然趋势和要求，传统断路器只是被动执行分合闸操作，其操作指令来源于人工命令或继电保护单元的动作信号，断路器自身无检测、判断电力系统故障和监视自身运行状态的功能。智能高压真空断路器包括对断路器外围控制电路和检测智能化以及分合闸操作智能化，智能控制系统通过采集和分析断路器的运行数据，提供动作信号或断路器能够根据检测到的不同故障电流信号，自动选择操动机构及灭弧室预先设计的设定的工作条件获得实际开断时电气和力学性能上的最佳效果。永磁操动机构以数字信号处理器为核心，可以实时获取断路器的状态信息，经过一定的算

13、法，通过控制机构的分合闸线圈电流，即可实现对断路器的智能化控制。因为智能型断路器具有许多传统断路器所无法比拟的优点,其研制受到国内外的普遍重视自1985年出现第一台以微处理器为基础的智能型断路器以来,法国梅兰日兰(MG)公司、日本寺崎公司和美国西屋公司等相继开发了带微处理器的智能断路器九十年代,国外许多公司又相继开发出智能断路器的集中控制和检测系统,包括有多种平台和相应软件支持的中央计算机控制系统!智能化断路器的对话模块、低压配电装置。世界上第一台永磁操作机构模型诞生于 1989 年,它是由英国曼彻斯特大学系统与能量组为 GEC 公司设计开发,也因此掀起了世界各国开发永磁操作机构的热潮。ABB

14、 公司于 1997 年成功研制了 VM1型配永磁机构的真空断路器,从此永磁操作机构开始逐步运用到生产实际工作之中。我国对永磁机构的研究起步较晚,但发展迅猛，自从引进后，很快得到了国内众多科研院所和高等院校的重视,并做了大量深入的研究工作。1998 年,沈阳工业大学和西安森源电气有限责任公司联合着手研究开发 12kV VSm 永磁机构真空断路器,并取得阶段性成果。2000 年 6 月,其联合研制的首批样机在西高所国家高压电器质量监督检测中心顺利通过了 12kV,1250/3lkA 规格VSm 的试验测试,整机也通过了 EMC 试验,达到了国际领先先进水平。这在国内掀起了永磁机构研究热潮,如锦州华

15、光电器有限责任公司、北京华东开关厂、常州森源开关有限公司等国内著名的断路器生产企业相继投入大量人力物力财力成立企业研发小组研制开发类似的永磁机构真空断路器,使高性能的钕铁硼稀土永磁材料在永磁机构中得到更加广泛应用。但是如何使永磁机构更加智能化、小型化就成为目前研究的热点问题。目前,我国12KV的真空断路器广泛采用了永磁操动机构，在将永磁机构技术成功应用于中压断路器的基础上可考虑进一步扩展永磁机构应用范围的可能性，中低压断路器开关操作频繁，机械寿命是较严格的考核指标，鉴于永磁机构结构简单可靠、耐磨损的特点，永磁机构在低压开关领域具有较大的优势。配用永磁操动机构的VSm型户内高压真空断路器是国内第

16、一个实现免维护概念的断路器。其高寿命的真空灭弧室以及环氧浇注固封极柱的免维护，配用的高可靠性永磁操动机构的免维护，电子控制部分摒弃传统的辅助开关而代之以光电接近开关，并采用全电子化电源和智能控制单元保证了电子控制部分的免维护。VSm真空断路器采用MS1型永磁操动机构。该机构利用一种双稳态的磁路系统，使用两个激磁线圈驱动动铁芯运动到相应的极限位置，并利用高性能永磁体所提供的磁场能量，使之保持在极限位置。激发其中一个激磁线圈使之产生大于剩余保持力的驱动力，即可使永磁机构的动铁芯动作。当控制系统出现故障时，可用手动分闸操作装置紧急分断断路器。MS1型永磁操动机构省去了传统机构复杂易损的储能、锁扣等机

17、械装置，简化了结构，其零件数量较传统机构减少了70%以上，从而大大提高了机构的可靠性和寿命。同时由于采用了电容作为操作电源，也避免了传统机构对大容量专用电源的依赖以及辅助电源波动对机动作的影响。性能卓越的MS1型永磁操动机构可长期频繁操作，并真正做到永久性免维护。在40.5KV级和72.5Kv级真空断路器上配用永磁机构已经开始了研制，由于断路器触头开距较大，可考虑采用单相直动式操作，并可考虑将同步技术应用于较高电压等级，因此，将永磁机构应用于高电压等级的断路器也具有很大的发展前景。2 永磁操的机构永磁操动机构作为一种新型的操动机构，自已产生就因为其无可比拟的优点得到了广泛应用。而它之所以具有比

18、传统高压真空断路器更优越的性能，与其结构与独特的工作原理是密不可分的。2.1永磁操动机构的优点永磁机构是一种用于中高压真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构，它在工作时主要运动部件只有一个，无需传统电动弹簧式机构的机械脱扣、锁扣装置，其故障源少，具有较高的可靠性.采用永磁操动机构的高压真空断路器在开关机械性能上具有较高可靠性，可实现少维护甚至免维护并可实现操作性能上的智能化。与传统高压真空断路器采用的的电磁机构或电动弹簧式操动机构相比，永磁操动机构具有如下优点：（1）永磁操动机构的机械结构简单，运动部件少，机械可靠性较以往有很大的提高。（2）永磁操动机构的保持力为永磁体的磁力，不会产生传

19、统操动机构那样的操作失误，便于实现免维护运行。（3）永磁操动机构的输出特性能够与高压真空断路器的开关机械特性很好地匹配，这就使得断路器的分、合闸操作能够达到良好的速度特性。（4）永磁操动机构的机械传动机构非常简单，通过励磁电流的分、合闸线圈的产生的磁场直接驱动动铁芯，动铁芯直接连着主轴。采用这样的结构，动作部件少，使得操动机构具有更好的可控性，为高压真空断路器实现智能化控制打下了基础。2.2 永磁机构的结构永磁机构分为单稳态永磁机构和双稳态永磁机构。图2-1为双稳态永磁机构的结构原理图。图2-1双稳态永磁机构剖面图在上面的剖面图中，1是静铁心,是操动机构的磁路通道;2为动铁心,是整个机构中最主

20、要的动部件;3、4是永久磁体,为机构提供永磁保持时所需要的吸力;5、6为合闸线圈和分闸线圈;7是驱动杆,是操动机构与断路器传动机构之间的连接纽带。当断路器处于合闸或分闸位置时，分、合闸线圈中没有电流通过，永久磁铁利用动、静铁心提供的低磁阻抗通道通过永磁体的吸引力将动铁心固定在上、下极限位置，而不需要复杂机械联锁装置。当有动作信号时，分闸或合闸线圈中通过励磁电流，产生磁动势，动、静铁心中的磁场由分闸或合闸线圈产生的磁场与永久磁体产生的磁场叠加合成，动铁心在合成磁场的作用力的作用下可上下运动，并通过传动杆及传动机构推动断路器的动触头运动，完成分闸或合闸任务。动铁心在行程终止的两个极限位置时，不需要

21、消耗任何能量即可保持，即能实现所谓的永磁保持。而在传统的电磁机构中，动铁心是通过弹簧的作用被保持在行程的一端，而在行程的另一端，需要靠机械锁扣或电磁能进行保持。由上述可知，永磁机构是通过将电磁铁与永久磁体特殊结合，来实现传统断路器操动机构的全部功能:由永久磁铁代替传统的脱扣和锁扣机构来实现动铁心在行程极限位置的保持功能，由通电的合、合闸线圈来提供操作时需要的能量。双稳态永磁机构具有如下优点（1)机械寿命长，可靠性高。由于永磁机构采用的机械零部件数量较少，机械结构简单，运动部件只有一个动铁心，所以永磁机构的机械寿命特别长，操作次数可以达到10万次甚至更高。由于没有容易出现机械故障的机械锁扣装置和

22、其它高速运动部件，永磁机构几乎不会发生机械故障的概率。（2)分、合闸操作时间短，时间分散性小。永磁操动机构的机械传动部分结构非常简单，由分、合闸线圈励磁电流产生的磁场与永磁体的磁场共同作用下的合成磁场驱动动铁心，动铁心直接推动高压真空断路器的主轴作分合、闸运动，这种传动方式简单而且直接，使得永磁机构的分、合闸时间比较短而且分散性小，非常稳定，可将分合闸时间的分散性可以控制在1ms之内。（3)永磁机构可以用储能电容器或蓄电池做操作电源，也可采用小功率交流电源。这样永磁机构就保持了电动弹簧操动机构用小功率交流电源操作的优点，而不具有它结构复杂的缺点。储能电容可以用一个经过整流的小功率的交流电源进行

23、充电储能，用门极关断(GTO)晶闸管控制其对分合闸线圈的放电，结构简单、节省电能。（4)永磁操动机构可以配用现代化的电子控制装置，适应配电自动化的要求并进一步实现对高压真空断路器的智能控制。现代化的电子控制系统不仅可以完成分、合闸控制，还可以完成某些继电保护、通信、遥控、在线检测等功能。电子控制装置还可以精确发出分合闸信号，为同步开关创造条件。结合上述优点，在中高压领域较常采用的是双稳态的永磁机构。2.3 双稳态永磁机构的工作原理图2-3 双稳态永磁机构工作原理双稳态永磁机构的工作原理如图2-3所示。其静铁心1的中部镶有永久磁体4和5，两个永磁体的同名磁极向着中心线。永磁体的下方和上方分别安装

24、着合闸线圈6和分闸线圈3。动铁心2位于永久磁体和静铁心上下磁极之间。动铁心上的驱动杆9穿过静铁心。此驱动杆可直接用来驱动断路器作合闸或分闸运动。动铁心理论上有三个平衡状态:其一为动铁心位于静铁心的最上方，动铁心的上端与静铁心的上磁极8接触，见图2-2中左上角分闸状态图。其二为动铁心位于静铁心的最下方，动铁心的下端与静铁心的下磁极7接触，见图2-3左下方合闸状态图。在分闸状态，永磁体通过上部磁路的磁阻很小而通过下部磁路的磁阻因存在空气间隙很大而很大。永磁体的磁通绝大部分会通过上部磁路，将动铁心牢固地吸引在静铁心的上磁极8上。在合闸状态时，与分闸情况相反，永磁体通过下部磁路的磁阻很小，磁通集中在下

25、部磁路，动铁心被吸在下磁极7上。第三个平衡状态是对于上下结构对称的机构而言的，动铁心位于静铁心的正中间，永磁体通过上部和下部空气隙的磁阻相等，此时静铁心的上端和下端受静铁心的吸力完全相等，动铁心处于一种不稳定的平衡状态。但此时只要上下气隙有微小变化，这种平衡就被打破，过渡到上述第一种或第二种平衡。所以动铁心实际工作时只存在两种平衡状态，即分闸状态和合闸状态。正因为如此，图2-2所示的这种双线圈永磁机构称作双稳态永磁机构。当双稳态永磁机构处于合闸状态时，永磁体产生的磁力线的分布如图2-2合闸状态图中I所示.此时要使其进行分闸操作，只要在分闸线圈中通以直流电流为励磁电流，该励磁电流产生的磁力线方向

26、和永磁体在静铁心下端的磁力线方向相反，见图2-3分闸过程图中的回线m。分闸线圈中的励磁电流所产生的磁场使动铁心受到的下方的吸引力减小，当此电流增大到一定程度时，动铁心所受的吸力之和小于动铁心上的机械负载(如作用在动铁心上的触头压力，其方向与永磁体的吸力相反)，这时动铁心就开始向上运动。一旦动铁心向上运动，动铁心的下端与静铁心的下磁极之间就会出现空气间隙，导致下端的磁阻增大，上端的磁阻减小。静铁心下磁极对动铁心的吸引力减小，上磁极对动铁心的吸引力增大。动铁心受到的由下向上的合力增大，使动铁心加速向上运动。这个过程一直持续到动铁心上端与静铁心的上磁极接触，直到分闸动作完成。这时，动铁心和永磁体重新

27、吸合，处于新的稳定状态，此时即使切断分闸线圈中的电流，动铁心也不能恢复到原来的状态。合闸的过程与分闸过程正好相反：给合闸线圈中通电(见图2-2合闸过程图)，线圈中的励磁电流在上部间隙产生反向磁场，动铁心上受到的总吸引力减小，当吸引力小于动铁心的机械负荷时动铁心开始向下运动，最终达到极限位置即合闸位置，动铁心重新与永磁体吸合.切断合闸线圈电流后，动铁心保持在合闸位置不变，合闸过程结束。永磁体在受到强烈的反向磁场作用时，其磁性能会降低，这就是永磁体的退磁。对于双稳态永磁机构，无论是在合闸还是在分闸过程中，线圈电流产生的外磁场在永磁体上总是与永磁体自身磁场的方向相同。2.4 双稳态永磁机构的磁路双稳

28、态永磁机构的磁路图如图2-3所示图2-3双稳态永磁机构的磁路图在这种典型磁路中，磁动势INm及磁阻Rm组成永久磁体的等效磁路,由于钕铁硼材料的去磁曲线基本上是一直线,因此INm与Rm取常数,其中I为励磁线圈电流,Nm为线圈匝数。磁路中两个控制线圈的安匝数设为和,两个工作气隙的磁阻, 均可表示为： （2-1）式中, 为空气的磁导率；S为磁极的面积,为空气间隙长度,当动铁心处于两个极端位置时,空气隙的磁阻为及 （ 2-2） （2-3）式中, 为最小气隙长度, 为最大气隙长度, 。为了便于对磁路的分析和求解,若磁路为线性磁路,可采用叠加定理可将图3-1的磁路分解为图2-4三个磁路的叠加。图2-34双

29、稳态永磁机构磁路的叠加在图3-2的三个磁路中,每个磁路的总电阻分别为 （2-4） （2-5） （2-6）由=IN/R及分流后得 （2-7） （2-8） （2-9） （2-10） （2-11） （2-12）式中，(1) 当动铁心处于上部极限位置即断路器合闸时,动铁心的上端与静铁心的上磁极接触.此时要使断路器实现分闸，即使动铁心向下运动，就要使分闸线圈中通过励磁电流。在通电的瞬间，=0, =IN.相应的由图3-2可得出上下气隙的磁通为； （2-13）将式(2-7)、式(2-8)、式(2-11)、式(2-12)代入得 （2-14） （2-15）(2)当动铁心处于下部极限此时位置即断路器处于分闸状态时

30、,即动铁心得下端与静铁心下磁极接触,要完成合闸操作,即使动铁心向上运动,就要在合闸线圈中通以电流.在通电得瞬间, =IN, =0.相应的由图3-2可得出上下气隙的磁通为； （3-16）将式(3-7)式(3-10)代入上式得 (3-17) (3-18)(3)当动铁心处于静铁心的中间位置,永磁体通过上部和下部气隙的磁阻R1、R2完全相等,此时动铁心的上端和下端受静铁心的吸引力大小相等,动铁心处于一种不稳定的平衡状态,但动铁心在合闸和分闸过程中都要经过这种不平衡状态,而且只要上下气隙稍有变化,就会破坏这种平衡状态,过渡到上述两种状态。另外电流的微小变化也可以很轻易地破坏这种不稳定的平衡,因此，对此状

31、态下的磁路进行分析并无太大的现实意义。 2.5 永磁机构的始动安匝当永磁机构的动铁心与静铁心上部吸合时,断路器处于合闸状态,要进行分闸操作,只要给分闸线圈种通过直流励磁电流,使上部气隙磁阻增大磁通降低,动铁心受到的向上的吸引力F1随之减小；与此同时,下部气隙磁阻减小磁通增加,动铁心受到的向下的吸引力F2增大。当励磁电流增大到一定值时,动铁心所受的吸引力之和等于动铁心上的机械负载Fr,动铁心将向下运动。若设Fr=0,则F1=F2。因为吸引力F正比于,所以有： （3-19）求解得IN值,此IN值即为动铁心在上端和下端两个极限位置下的始动安匝。动铁心位于上端极限位置时,给分闸线圈通以直流励磁电流,由

32、此可知,并得出： （3-20） 当动铁心位于下端极限位置时,给合闸线圈通以直流励磁电流,由此可知,得出： （3-21）2.5双稳态永磁机构动态特性 永磁操动机构动态特性是由电磁机构和机械部分的综合过渡过程决定的，即由电磁吸力和负载反力的配合过程决定的。分析永磁机构的动态过程的目的在于:一是可以较精确地计算出机构的动作时间,进而计算断路器触头的动作时间及触头的运动速度；二是可以确保触头动作过程中吸力与反力的合理配合,使之既可以保证动作的可靠性,又能改善机械碰撞,进而提高断路器的电气和机械寿命。对于高压真空断路器而言,为了保证有效熄弧而不会重燃,触头的动作速度应该尽量快些,这要求在规定的行程下机构

33、的动铁心要有较高的运动速度，但速度过快会引起碰撞能量的增加,对电气和机械寿命的提高均不利。由此可见,加快动作速度与减轻碰撞这两个技术要求是互相矛盾的,必须在研究动态过程中统筹兼顾。同时由于永磁机构触头行程较大,动静铁心之间的气隙较大,在线圈通电时漏磁在总磁通中占有很大比例,忽略漏磁的影响会引起很大的计算误差。所以进一步精确计算与分析永磁机构动态特性对合理设计机构并进行机构与开关本体间特性配合具有重要理论和现实意义。3 永磁机构的控制系统传统的高压真空断路器只是一个被动的执行单元，只可以人为地或在继电保护装置作用下完成相应的分合指令。永磁操动机构的智能控制，是将微机技术和断路器的控制结合在一起，

34、使断路器具有更强更灵活的逻辑判断分析能力。由于配有永磁机构的断路器分闸或合闸特性只跟线圈参数有关，同时控制电参数也是可能的并容易实现的，因此永磁机构的分合闸特性可以通过微机系统来控制，从而实现真空断路器的智能控制，可以检测动铁心的运动位置和线圈电流、瞬时通电时间等参数，并可以实现自检测功能。同时，可以通过拨码开关输入进行功能的设置和参数的整定。3.1 永磁机构控制系统设计原则永磁机构真空断路器智能控制器是供电设备的基本控制与保护单元，它的作用是保障控制、保护对象不仅在电力正常状态下能可靠工作，而且在不正常和故障状态下也能及时作出相应，保证供电的可靠性。同时还要对高压真空断路器自身工作状态进行监

35、测与控制。为提高断路器的分断能力与使用寿命，断路器也应该实现同步操作技术。根据现场环境、设备条件和工作的要求，配永磁机构真空断路驱动控制器设计必须遵循以下的原则:1）实时性。在设计数据采集与处理系统时，要充分注意数据采集和处理的方法，以保证数据采集与处理的实时性;同理在控制算法设计时，要考虑算法的快速性和收敛性，以保证控制的实时性、开合动作的实时性。2)准确性。高压真空断路器工作环境特殊而复杂，并且存在很强电磁干扰，对数据采集的精确性和传输的准确性以及开合控制的准确性带来了更严格的要求。为保证采样数据的准确性与设备工作状态判断的准确性，要在数据采集系统设计时考虑采用合适的硬件元件与软件处理方法

36、， 3)安全性。作为一种实时应用于高压设备的控制系统，必须保证生产安全、人员安全和设备运行安全，需要采取对应对控制失效情况下的紧急控制策略。3.2 控制器总体设计由于永磁机构独特的操动和保持原理，其控制系统与传统的弹簧操动机构的控制系统有着很大的区别。智能控制断路器与普通断路器的最大区别之处是它能通过智能操作单元对电网参数实时进行采集和处理，还可以对自身状态进行监测和判断，然后根据预先确定的程序动作。并可根据需要调整断路器的操动机构的运动参数，从而获得最合适的分合闸速度和最佳分合闸时间。永磁机构的控制系统接受到光电信号，并通过逻辑判断后最终给出指令控制操动机构动作，其性能的好坏直接关系到整个断

37、路器的性能。它可采用电子控制，以实现真空断路器的所有功能，同时还可具有智能化功能，可融合在线检测技术来最大限度地体现出永磁机构的优越性。国内目前已经发展了用于控制永磁操动机构的电子技术，原先的触点开关被电子开关所代替。图3-1断路器智能控制器工作原理图3-1为断路器智能控制的工作原理图。图中智能控制单元由数据采集、智能识别和执行机构(调节装置)三个基本模块构成。1)智能识别控制模块:它是高压真空断路器智能控制器的核心，由微控制器构成的微机控制系统，可以根据分合闸操作前所采集到的电网状态信息和由主控制室发出的操作信号，自动识别进行当次操作时真空断路器所处的电网工作状态。显示断路器是否满足可操动的

38、条件、断路器的分合闸状态、断路器动作执行情况,给出系统电压、操作电压的信息,以及断路器操动机构故障报警信号,以便运行人员了解断路器的工作状态。并根据给定程序，对执行机构发出调控信息，从而使断路器根据指令发出相应的动作。2)数据采集模块:它主要由小型电压、电流转换装置和高速多通道A/D转换器组成，可随时接收断路器智能控制器的分闸命令、合闸命令、失压跳闸信号、过流跳闸信号,接收传感器提供断路器的分合闸状态信号、断路器位置信号,接收当前系统电压、断路器的操动电源信号以及复位信号等。并对这些信号进行整理分析,把模拟量的数据转换为可进行逻辑操作的数字量，以便智能识别模块进行处理分析，使这些数据满足智能控

39、制模块的要求。3)执行机构(调节装置):由能接收定量控制信息的部件和驱动执行机构组成，用来控制合闸与分闸线圈的励磁电流。永磁机构智能控制操作单元由电源模块、CPU模块、分合闸位置采样模块、分合闸信号采样模块、驱动模块、电容器模块等组成，结构原理示意图如图4-2所示。图3-2智能化操作单元结构原理示意图永磁操动机构中的分、合闸线圈必须通以电流励磁产生磁场，从而产生电磁吸引力才能驱动动铁心运动。作为永磁机构操作电源的充电电容器上充以恒定的DC100V操作电压，为操动机构的分、合闸线圈励磁提供所需的脉冲电能。但它每提供一次分闸或合闸线圈励磁所需的脉冲电能，但是如果不及时切断分闸或合闸线圈中的脉动电流

40、，电容器模块完成一次分闸或者合闸操作的功耗就会变得很大，电容器模块上的电压就会下降，操作电压的降低，将导致电源不能再为下一次合闸或分闸提供足够的脉冲电能，会导致不能完成下一次CO(合分)操作，更谈不上完成一次完整的O0.3SCO(分0.3秒合分)操作。因此一次放电后，必须及时切断分闸或合闸线圈中的脉动电流，实现这一操作，需要靠分合闸位置采样模块及CPU模块、驱动模块等协同完成。另外，要使智能断路器能够在各种环境下都可靠工作，首先应该解决的问题是电容器的使用寿命问题。实验和长期运行经验表明，充电电容的使用寿命与环境温度有关，一般在105时，使用寿命为2000h，但当工作环境温度低于50时，其寿命

41、大大延长，可达10年以上。所以在设计控制单元时，应通过切实而有效的措施降低电容器的工作温度，延长其使用寿命。采样模块是将电子接近开关检测到的分合闸位置信息传输到智能控制器的重要单元。当检测到真空断路器的合闸或分闸位置时立即发出高、低电平，并将高、低电平传送至CPU模块，通过逻辑计算后分别送至分合闸逻辑驱动电路，及时切断分合闸线圈中的脉动电流。图3-3断路器控制电路原理示意图高压真空断路器的手动、自动控制电路结构原理示意图如图3-3所示。当真空断路器的手动、自动控制电路接收到分闸或合闸命令时，逻辑驱动控制器会根据RS锁存器发出的高、低电平自动检测此时真空断路器所处的位置是分闸位置还是合闸位置，以

42、决定是否执行分闸或合闸命令。综上所述，智能高压真空断路器的工作过程如下:以微控制器为核心的智能控制单元实时采集电网的状态数据，智能识别模块根据采集到的这些数据对电网的运行状态进行快速识别，并判断电网和断路器当前所处的状态，并随时根据判别得到的结果控制调节装置动作。若采用同步关合技术，还需要通过调节装置来改变操动机构参数，使断路器的运动特性与当前系统工作状态相适应。另外，在电力系统处于故障状态时，要求高压真空断路器分合闸的时间尽可能的短，不能因为引入实现智能操作的控制和调节装置而使断路器的分合闸时间有所延长。要满足这一要求，可以从硬件结构和软件编程两方面着手，把因增加控制和调节装置而延长的时间限

43、制在可接受的或可忽略的程度。相对于传统操动机构的断路器控制系统，永磁机构断路器的智能控制器有着很大不同。首先，永磁机构控制装置的电源一般选择电容器，其控制部分因此比传统操动机构控制回路多了一个电容器的充电控制环节，稳定电容器充电的电压值，以保证整个控制系统性能的稳定性。其次，永磁机构没有传统操动机构的脱扣装置，断路器的分、合闸动作完全靠给分、合闸线圈通电产生的磁场来完成，电容器作为分、合闸线圈动作的电源，其充、放电过程由逻辑电路控制。互感器主要有电流互感器和电压互感器。逻辑分析判断部分是实现高压真空断路器的智能化控制的关键，它可以通过对断路器智能化测控单元输入的电压、电流的分析判断来判定电网是

44、否存在线路过电流、短路、欠电压等故障，并发出指令由执行机构来完成相应操作。高压真空断路器智能控制器的另外一个特点是，采用新型电源系统解决操动电源问题，并可设计光纤接口，通过光纤传递信号来发出分合闸命令，同时，内部的各种参数也可通过光纤传输到二次控制回路。3.3 控制系统的硬件结构随着当今科技尤其是计算机技术的迅猛发展，微机控制技术也得到了广泛的应用。微机控制技术基于模拟和数字技术通过编程利用CPU来采集、处理外界信号。永磁机构的智能控制器硬件结构框图如图3-4所示，系统的主控单元并配合相应外围电路实现机构的控制。充电单元：当电容器组的工作电压小于规定值时，对电容器组进行整流稳压限流充电。由于进

45、行分、合闸操作时通过相应线圈的励磁电流能达到几十安，所以必须选用大容量的电容器，从而实现瞬间放电。电容器储存的能量必须足够大，能够完成一次完整的分合分合分操作。对电容工作电压的检测可采用A/D转换或采用V/F变换等方法进行数据采集。执行单元：实现对分、合闸线圈的放电，以产生激励电流和磁场使操动机构动作，从而完成断路器的分、合闸操作。单片机处理器主控单元、检测单元、键盘、显示、人机接口单元与通信单元等共同组成控制器的测控系统。图3-4控制系统的硬件结构框图3.4 硬件模块设计高压真空断路器永磁机构智能控制器在电力行业的应用范围非常广泛，其可靠性应该引起足够重视，否则因产品的质量问题引起配电网的故

46、障，这与配电自动化应用的初衷南辕北辙。硬件方面，配电自动化产品通常与高电压等级的设备在同一环境中工作，当硬件工作异常，如发生柜体漏电，高压从低压侧导线耦合或强电磁场干扰时，都可能导致测控设备不能正常运行，如误动作或拒动作或发生永久性损坏。因此在硬件的设计上，应充分考虑使智能控制器在恶劣而复杂的工作条件下不失其可靠性的基础上提高测量的精度和系统的响应速度等性能指标。硬件设计时为提高产品在设计上的通用性和降低开发的风险，采取了模块化的设计思想。3.4.1 电源设计给永磁机构中的分闸线圈或合闸线圈通电，从而产生电磁吸引力驱动动铁心运动，而且必须达到一定的励磁磁动势，才能满足真空断路器执行机构的分闸或

47、合闸速度要求。若要在较短的时间内获得很大的脉动电流，目前有两种方案比较常用：一种方案是采用电容器;另一种方案是采用蓄电池。这两种方案均在实践中被应用过而且结果较为令人满意。然而如果采用蓄电池作为电源，需要考虑诸如过充电、过放电等一系列复杂问题，充电电路及配套的保护电路较为复杂。以电容器作为电源与可充电蓄电池电源相比，具有许多优点，例如电容器的充放电时间较短，可采用具有滤波或非滤波、稳压或非稳压的直流输出的任何一种常规电源装置对其进行充电，也不必考虑过充的危险，所以不需要对精确的充电电流和充电时间进行监视，无需蓄电池充电放电及其配套的保护电路那一系列复杂设计，而且不存在伴随蓄电池的化学污染或电极

48、氧化问题，可以承受无数次短路，并可放电至任意电压都不会被损坏。除此之外，电容器还可以直接地被并联使用，而不会产生电池并联时所具有的偏置电流那样的侧流效应问题。因此，户内永磁机构中的电源设计最经济最常用的方法是采用电容。对于户外工作的高压真空断路器，由于现场电源不易解决，一般采用蓄电池。选择给电容器充电的电源时，必须考虑电容器的耐压值，考虑实际分闸或合闸操作时控制器所需的电源电压。户内高压真空断路器永磁机构中的电源实际使用的电压大约为DC100V，因此必须保证为电容器充电的电源输出电压为DC100V。开关电源在设计时均衡考虑了电源行业标准，除体积小、效率高、稳压范围宽、稳压精度高、纹波小等优点以

49、外，在动态负载特性和电磁兼容性两方面更具特色和优势。因此，户内永磁机构中的电源最经济、最安全、最可靠的方法是采用开关电源为电容器充电，而后采用电容器放电的方式。电容器上充以恒定的DC100V操作电压，即可为操动机构的分闸或合闸线圈励磁提供所需的脉冲电能。它能储存完成一个完整OCO操作循环的低于250J电能。当这样的一个操作循环结束后，电容器组在不足20S内以2A的峰值电流重新充电。因此，若辅助电源发生故障，储能铝电解质电容器事先储好的电能可确保开断操作能进行一个完整的OCO操作循环。3.4.2 高压真空断路器分、合闸状态的检测永磁机构高压真空断路器必须保证可靠地处于分、合闸位置，决不允许出现中

50、间状态的故障位置，一旦出现故障位置，应能及时给出警报。同时，永磁机构在动铁心运动到分、合闸位置后，为避免热损耗和电源损耗，应及时进行断电。这也要求必须对断路器的分、合闸状态进行精确检测。如果采用传统的有触点辅助开关，由于运行环境复杂容易产生污染、触头氧化等现象，经常会使触头接触不良，甚至失效，从而导致触点开关不能准确判定触头的位置。因此，现在常使用电子开关和非接触式传感器来取代传统的触点辅助开关。当接收到来自手动、自动控制模块的分、合闸指令时，送至CPU，逻辑控制回路会根据分、合闸位置采样模块发出的高、低电平（代表相应的分合闸位置信息），自动检测当前断路器状态，以决定是否执行分、合闸指令。若分

51、、合闸指令同时收到，则CPU会通过逻辑控制器及时闭锁合闸命令而响应分闸指令；若电网一次侧电源监测回路监测到过电流或过电压、欠电压信号，CPU模块也会通过逻辑控制器及时闭锁合闸命令而发出分闸指令。3.4.3 CPU模块Microchip公司推出的PIC 16F877是一款8位单片机，它采用精简指令集(RISC)结构和FLASH存储技术，相比于其它类型的单片机，具有以下特点：1) 运行速度快。该单片机在结构上采用了两级流水线的哈佛总线结构，指令的读取和执行采用流水线方式，使得单条指令(GOTO、CALL指令除外)的执行基本上可在一个周期内完成。另一方面，数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度，

52、便于实现全部指令的单字节化，有利于提高CPU的处理速度。该系列单片机是目前世界上速度最快的品种之一。2) 扩展功能丰富，功能强大。PIC 16F877单片机不同程度地将各种外围功能模块集成于内部，如A/D模块、EEPROM、捕捉比较 脉宽调制器、I2C 和SPI串行总线端口等，减少了外围器件的使用，简化了电路板的设计，提高了系统可靠性。3) 逻辑结构清晰。该单片机采用了精简指令集(RISC)技术，其指令系统只有131条指令，大多指令为单时钟周期指令，其寻址方式也得到了简化，简单易学。该系列单片机的一个很大的特色是广泛使用了可位寻址的特殊功能寄存器，只要将命令写入这些特殊功能寄存器，就可以方便灵

53、活地控制各功能模块，易于编制程序。另外，PIC 16F877单片机还有可在线编程，上电、掉电延时复位保护和看门狗功能， I/O管脚驱动能力和抗干扰能力强。 本设计中的微处理器采用高性能的PIC 16F877，它具有8kB4个片内Flash程序存储器，368kB8个片内数据存储器(RAM)，256kB8个EEPROM数据存储器及10位多通道A/D转换器。由于采用PIC16F877可以无需其它许多外围元器件，所以控制器的硬件线路简单，降低了成本，而且大大提高了可靠性。3.4.4 信号输入单元控制器的输入信号有反映开关状态与手动操作的开关量信号、来自电压互感器与电流互感器的模拟量信号、拨码开关的设置

54、参数等。数字量通过光电耦合器可以很方便地实现隔离与变换，送入微控制器进行处理;模拟量要通过A/D转换器变成数字量来分析。交流电量信号输入回路通常包括隔离变换器、滤波、超值保护与量化处理等部分。在电力系统中，电压电流信号取自电压互感器与电流互感器二次侧，其额定值分别为100V/5A。当电力系统发生故障时，这些电气量会发生很大的变化(几十倍)，因此必须将其转换成微机系统可以接收的信号类型与范围，并且须保证故障情况下也不会超过此范围。光电耦合器件是利用光传递信息的，它是由输入端的发光二极管和输出端的光敏元件组成，输入与输出在电气上是完全隔离的。其体积小、结构简单且使用简便，可以根据现场实际干扰情况的

55、不同，组成各种不同的抗干扰电路对共模和差模干扰进行抑制。光电耦合器用在输入、输出间隔离的情况下，线路是很简单的。这种隔离的作用不仅可应用于数字电路，也可以用在线性电路中。光电耦合器用于消除噪声主要体现在两个方面:一方面是防止输入端的噪声传递到输出端，而只把有用信号传送到输出端。另一方面，由于输入端到输出端的信号传递是通过光来实现的，极间电容很小，绝缘电阻很大，因而输出端的信号与噪声也不会反馈到输入端。使用光电耦合器时，应注意的是这种光电耦合器本身有1030pF的分布电容，所以工作频率不能太高;另外在接点输入时，应加RC滤波器，抑制接点的抖动。另外，用于低电压时，其传输距离以100米以内为限、传

56、输速率在10Kbps以下为宜。图3-5 电压模拟量输入示意图本系统需要采集的模拟信号共有8路，有三相电压信号、三相电流信号、零序电压和零序电流信号。从电压互感器和电流互感器得到的电压信号(100V)和电流信号(5A)进入控制器后还需要经过进一步的调整转换成CPU需要的02.5V电压信号。然后信号再送到CPU进行处理。其中电压模拟量输入电路示意图如图4-5所示，电流模拟量输入与之类似。由于本系统使用的PIC 16F877自带10位A/D转换器模块，所以不用另外设计采样电路。内核用到两个参考电平，即和，作为转换范围的上下限和读数的满量程值和“0”值。转换数值在输入信号大于时为满量程值，小于等于时为

57、“0”。3.4.5 信号输出单元信号输出单元用于指示高压真空断路器的运行状态。输出信号有断路器的分合闸状态、断路器执行机构的动作执行情况(正常分闸或合闸、过流速断分闸、失压分闸、过压欠压分闸)、当前操作电压是否可进行合闸或分闸、给电容器充电的开关电源的输入电压正常与否以及高压真空断路器操动机构故障报警信号等。当断路器处于合闸状态时，标志断路器合闸的指示灯亮;当断路器处于分闸状态时，标志断路器分闸的指示灯亮;当分闸时电容器两端的电压大于规定值时，标志分闸电容电压过量的指示灯亮;当合闸时电容器两端的电压大于规定值时，标志合闸电容电压过量的指示灯亮;当断路器处于合闸状态，测量得到的电流互感器的二次电流值大于设定的过流定值，过流时间大于设定的延时定值，且此时分闸电容指示灯亮，断路器就会跳开，过流