便携式永磁机构控制器的硬件设计

王军安

（西安工程大学，陕西西安710048）

0 引言

配电网中永磁机构断路器常安装于10kV架空配电线路的责任分界点处，可以实现单相接地故障、相间短路故障的快速切除，避免同一条馈线上的其他用户停电，提高非故障用户的供电可靠性。永磁操作机构断路器以其卓越的性能、简单的结构及高可靠性获得了市场的认同，随着农网配电系统改造，未来市场需要更换新设备的需求很大。大量永磁机构断路器投入使用后，实际使用中因为某些原因，有些断路器会因为控制器故障无法进行分合闸操作，为解决现场的这个问题，本文设计了简易的便携式永磁机构断路器的控制器，其具有独立的蓄电池，并且体积小、重量轻，便于现场临时应急使用。

1 单稳态永磁机构断路器的控制原理

单稳态永磁机构断路器原理图如图1所示。

图1 单稳态永磁机构断路器原理图

当需要合闸时，对分合闸线圈施加正向电流，其产生强大磁场带动动芯及触头完成合闸工作并给分闸弹簧储能；当需要分闸时，对分合闸线圈施加反向电流，产生相反的磁场，当电磁力和分闸弹簧的合力大于保持力时，动芯就会向分闸方向运动带动触头完成分闸操作。

2 单稳态永磁机构断路器控制器设计

2.1 总体设计

控制器的核心功能是控制断路器的分合，使用时由蓄电池为整个系统提供电源，不需要外接电源。主要包括如下功能模块：蓄电池充放电管理模块、电容器充电管理模块、分合闸控制电路模块、主控模块。本文主要介绍分合闸控制电路及储能模块设计。

2.2 分合闸控制电路设计

电容器储存的电能通过分合闸控制电路给分合闸线圈供电来完成分合闸操作，分合闸电路充当着开关的角色，完成大电流的开通和切断。断路器的分合闸时间一般在50ms以内，普通的继电器已经很难精确地去控制，而且体积会比较大，综合各方面因素，选用了IGBT作为开关元件，而单稳态单线圈的永磁机构要完成分合闸操作，需要改变加在线圈上的电压的方向，即合闸时是正向加电压，分闸时反向加电压，所以使用4个IGBT组成全桥电路来实现功能，并实现简单的过流保护功能，驱动示意图如图2所示。

图2 IGBT驱动示意图

IGBT全桥驱动电路采用快速开断、大功率G160N60型IGBT，当需要进行分合闸操作时，MCU发出脉冲信号，通过线圈正、反方向电流，驱动对应IGBT导通或关断，控制永磁机构完成分合闸操作。合闸操作时电流通路为：VOP（电容器）→T1→线圈L→T2→GND。断电后通过与IGBT并联的二极管形成续流回路进行放电，续流回路为：线圈L→D3→VOP（电容器）→D4。分闸操作时电流通路和续流通路与合闸相对应。

2.3 储能模块设计

储能模块为分合闸操作提供直接的能源供给，其核心功能为电容器充电管理。因为电容器的特殊性，刚开始充电时阻抗很小，电流很大，如果用普通的电源充电，会导致电源瞬间进入短路保护状态，而当电容器电压达到规定时要停止充电，并能维持这个电压，因此采用恒流限压的方式对电容器充电，可以有效解决这个问题。电容充电电路是该部分的核心，其简化模型如图3所示。

图3 电容充电电路简化模型

考虑到充电时间及体积功率等因素，充电电流选择恒流500mA，可以在10s内充满该时间和弹操机构的储能时间相当，刚开始充电时，电容电压为0，电容的内阻非常小，此时采用恒流充电，直到电容电压达到设定值时停止充电（本装置设置停止电压为DC230V），此时因为漏电流的原因，电容电压会缓慢下降，当电容电压下降到设定值的95%时，充电模块重新开始新的充电循环。

3 单稳态永磁机构断路器控制器实验验证

本文搭建了实验平台并验证了该装置的基本功能，其分合闸时间实验中分/合闸电流波形及位置信号的波形图如图4（a）、（b）所示。其中合闸过程电流波形呈马鞍形，分闸过程电流以“V”形分布。

断路器动作的分/合闸时间是其机械特性的重要参数，若分/合闸时间过短，操作失败的可能性增大；若分/合闸时间过长，电源功耗增加，线圈发热严重，断路器寿命将有所减短。所以，断路器分/合闸时间的设置直接影响断路器分/合闸操作的可靠性及其机械寿命。本文经过大量的实验后，最终将分合闸时间分别定为25ms和45ms，既能保证可靠分合闸，又可以节约能源。

图4 分/合闸电流波形及位置信号波形

4 结语

本文设计了一种便携式永磁机构控制器，用在应急现场，处理突发情况。经过市场验证证明，其具有可靠性高、携带方便、操作方便等特点，很好地解决了现场的临时应急问题。