断路器操作机构的设计与实现研究

西安飞豹科技发展公司 牛 哲

断路器操作机构的设计与实现研究

西安飞豹科技发展公司 牛 哲

在电气线路当中，断路器是一种十分重要的电气设备，对电气线路通断发挥着控制作用。断路器性能的好坏，将会对下游电气设备的安全性产生直接的影响，一旦断路器发生故障，可能造成较为严重的损失。性能优良的断路器应当满足合闸速度快、合闸时间短等要求，因此需要断路器操作机构中的运动部件能够提供合适的吸引力和排斥力，从而在合闸过程中，能够根据要求实现加速或减速操作。基于此，本文主要研究了断路器新型永磁驱动操作机构的设计与实现，以期能够提升断路器的工作性能。

断路器；操作机构；设计；实现

0 前言

断路器是一种能够对电气线路通断进行控制的电气设备，在正常运行中，断路器能够根据指令对电气线路通断进行控制，如果电力系统发生故障，断路器与继电保护装置相互配合，能够将故障电流迅速切断，避免发生进一步的安全事故。因此，在电气线路中，其稳定性和下游设备的安全性，与断路器的性能有着很多的关系。

1 断路器操作机构的结构设计

1.1 永磁驱动操作机构原理

永磁驱动操作机构是近年来对断路器操作机构的研究得出的成果，目前其主要的结构包括四线圈永磁电动操作机构、磁分路永磁电动操作机构、磁短路环永磁电动操作机构、不对称结构永磁电动操作机构等。在永磁电动操作机构中，对电磁铁吸附铁磁材料的特性加以运用，对运动部件运动进行驱动，从而实现分闸与合闸操作。由于电磁铁只能对铁磁材料产生吸力，因而采用永磁驱动的方式，通过永磁与电磁的相互作用，利用线圈对永磁体的吸引力和排斥力，对运动部件进行更好的驱动。例如，在合闸过程中，合闸初始阶段向线圈通入最大正向电流，对永磁体产生吸引，提升断路器合闸速度。在合闸的一定阶段中，线圈正向电流断开，同时通入反向电流，使其对永磁体产生排斥，降低合闸速度，确保适当的触头接触速度。

1.2 永磁驱动操作机构驱动力

对于永磁驱动操作机构的驱动力，首先要进行磁场分析，采用Magnetostatic命令，基于操作机构部分回转体的电磁场，其运动为绕中心轴旋转，因而采用对称坐标平面进行建模。建模器采用毫米为单位，将永磁体运动范围定义为从下底板接触到向上运动18毫米，每次变化范围设定为1毫米的变量。利用软件材料管理器，设定各部分材料的属性，其中永磁体属性为NE045，下底板、缸体属性为20号钢，线圈属性为铜[1]。此后对边界条件和源进行指定，对求解参数、求解选项进行设定。然后进行驱动力合成及仿真优化。如果断路器状态为分闸，线圈中没有电流通过，永磁体受到－19N的合外力，如果断路器状态为合闸，断开线圈中的电流，永磁体受到242N的合外力。

1.3 永磁驱动操作机构驱动力测试

在永磁驱动操作机构驱动力测试当中，使用万用表、功率放大器、信号发生器、MTS809系统等仪器设备。利用转接块在MTS809系统上下夹具之间，对10KV真空断路器样机进行安装，设定系统力传感器输出值为0。在测试过程中，信号发生器产生直流电压信号，功率放大器对其放大后形成直流电流信号，同时将万用表串联在线圈中[2]。断路器灭弧室静触头与MTS809系统上夹具通过转接轴连接，可动转轴与MTS809系统下夹具通过转接轴连接。在线圈中通入方向、大小一定的电流，下夹具带动运动部件向上运动10毫米，对应力大小进行记录。

2 断路器操作机构的电路设计

2.1 电路整体设计

在电路整体设计中，为了使断路器的性能更为良好，在操作机构电路设计中融合了智能化操作技术和微机控制方式。在断路器工作当中，显示输出模块将分合闸控制指令发出，向DSP模块传递指令。DSP模块整理和分析输入数据，然后向驱动模块发送结果[3]。驱动模块根据控制命令，驱动断路器进行相应动作。在断路器中，各个操作机构运动部件的运动位移情况，可由光栅位移传感器进行记录，并向DSP模块发送数据，实现实时控制。显示输入模块在分合闸结束后，对断路器合闸情况进行显示。在断路器的工作过程中，驱动模块、DSP模块等由电源模块供给能量。

2.2 电路模块设计

在断路器操作机构电路中，主要应用了DSP模块、驱动模块、储能电容模块、直流电源模块、反馈信号采样调制模块等部分。其中DSP模块设计中，对适当DSP芯片进行选择，该数字信号处理器具有特殊的结构，能够在快速数字信号运算微处理器中进行应用。驱动模块设计采用了光电隔离芯片6N137、晶闸管基极驱动芯片IR2110。储能电容模块能够提供300V直流电压，交流电通过整流桥向四个470uF大电容进行充电。同时采用了NTC3D20热敏电阻，对电路提供热保护。直流电源模块设计采用了TL431芯片，能够输出3V～24V电压，提供可调稳压直流电源。反馈信号采样调制模块，主要处理断路器分合闸状态、线圈驱动电压电流、运动部件位移等信号。

2.3 控制方式设计

断路器控制系统对断路器的控制，是通过对电信号的接受和逻辑判断加以分析实现的。在新型永磁驱动操作机构中，控制原理与现有操作机构相似，通过对线圈通电，实现断路器的分闸与合闸[4]。在控制系统中，通常设置电容充电控制环节，以对控制系统稳定性进行保证。在断路器控制中，最重要的部分是逻辑分析，根据输入电压、电流，对线路是否存在欠电压、过流、短路等故障进行判断。如果判断结果为故障，逻辑分析模块会将发出相应指令，控制操作机构动作。按照不同的逻辑分析模块，控制方式主要包括了微机控制、电子控制、继电器控制等方法。其中，基于微机控制的方式更为先进，利用CPU对信号进行采集和处理，通过逻辑判断发出控制指令，从而控制运动机构动作。

3 断路器操作机构的控制联调实现

3.1 同步关合影响因素

在永磁机构同步关合的过程当中，老化、预击穿、环境温度、控制电压等因素，都会对其产生影响。断路器老化后，其分合闸行程会有所改变，因此分合闸时间也会变化[5]。如果断路器合闸速度较慢，在预定合闸时间之前，断口可能产生预击穿进而导通，产生较大的瞬态电压，影响断路器的正常合闸。温度的变化会对断路器线圈电容、电阻等数值产生影响，对于永磁体来说，由于其通电时间大约为20～30毫秒，具有较小的发热量，因而永磁体性能不会受到较大影响。在不同的温度下，断路器分合闸过程中的阻尼系数也会变化，进而使分合闸阻尼改变，对断路器分合闸时间产生影响。此外，断路器电解电容器充电后的放电电压为其提供控制电压，这一电压的大小，会对分合闸线圈励磁电流大小产生直接影响，进而影响励磁线圈产生电磁场的大小。所以，控制电压对断路器分合闸过程也会产生一定的影响。

3.2 开闭环控制策略的实现

在分闸过程中，控制策略为先加速再减速。在某一时刻，DSP将合闸指令发出，合闸线圈中通入最大正向电流，对永磁体产生吸力。在合闸某一阶段，DSP将减速指令发出，分闸线圈通入最大正向电流，对永磁体产生斥力。在动静触头开始接触的时刻，DSP将加速信号发出，合闸线圈中通入正向电流，对永磁体产生吸力[6]。在闭环控制策略中，首先应进行开环调试，利用开环控制策略，获取理想的分合闸曲线，然后将调试出的理想曲线作为跟踪目标进行闭环跟踪，确保一致的分合闸。最后对理想曲线进行更新，随着动静触头的磨损，对操作曲线进行重新生成，以确保闭环操作的准确性和有效性。

3.3 样机测试

采用10KV真空断路器原理样机，对永磁驱动操作机构进行样机测试。利用Matlab语言编写调试界面，其中包括了数据存储路径、调试曲线显示、串口设置、曲线参数实时显示、开环控制参数、控制按钮等区域和功能[7]。测试系统中，采用了调试用计算机、硬件电路、断路器原理样机等模块。测试结果显示，合闸过程所用时间为19.40ms，动静触头运动距离为10.25mm，永磁体运动距离为14.71mm，动静触头接触速度为0.99m/s，在动静触头接触前10ms的时间内，平均速度在0.8m/s以上。在分闸过程中，动静触头分离时间为19.50ms，永磁体和动触头可动部件碰撞速度为1.3m/s，永磁体在37.8ms时运动到最下端，完成分闸动作。这一过程中，可动部件的平均运动速度在0.6m/s以上。

4 结论

在电气线路控制系统当中，断路器作为一种重要的电气设备，对线路的开断、关合进行控制，其性能会对线路及线路中的电气设备产生直接影响。在断路器当中，操作机构的性能，往往决定了断路器的性能。基于此，本文对新型永磁驱动操作结构的设计与实现进行了研究，分析了操作机构的结构设计与电路设计，同时分析了其控制联调的实现，为断路器性能的提升提供依据和参考。

[1]胡友,杨超君,刘志刚,吴伟光,徐磊,李志宝.虚拟样机技术在塑壳断路器电动操作机构设计中的应用[J].低压电器,2011,13:16-19.

[2]曹文思,郭恒,巩鲁洪,邱道尹.真空断路器永磁操作机构控制器保护电路元件参数优化设计[J].电力自动化设备,2011,11:83-88.

[3]张继华,邓研,郭凤仪,王海潮.永磁操作机构真空断路器的智能控制器的设计[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2011,05:751-756.

[4]王海燕,袁端磊,毕迎华.35kV六氟化硫相控断路器及其磁力操动机构的设计与实现[J]. 机电一体化,2013,08:88-91.

[5]周宏明,沈艳,黄沈权,张衡.塑壳式断路器操作机构的动力学模型及性能分析[J].计算机集成制造系统,2015,05:1350-1358.

[6]程显,袁端磊,何周,钟建英,陈占清.基于位置伺服控制技术的电容器组投切相控真空断路器设计[J].河南城建学院学报,2015,04:54-61.

[7]刘爱民,张红奎,赵前程,黄旭.高压断路器无刷直流电机机构模糊控制系统仿真分析[J]. 组合机床与自动化加工技术,2012,03:65-68.

牛哲（1988—），男，河南三门峡人，大学本科，助理工程师，研究方向：电气控制。