35kV真空开关永磁机构操作控制器的设计与实现

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的电磁机构动铁心的保持相对而言就比较繁琐，其一端是由弹簧产生的弹簧力进行保持，另一端则需要机械锁扣或者电磁能量来实现保持作用。从上面的介绍可以了解到，这种新型的永磁操动机构中永磁体的应用，让传统的动铁心保持过程被优化了。永磁机构不但能够实现传统操作机构的全部功能，而且整个操动机构所需要的零件数减少了很多，从而使永磁机构具有较高的可靠性和稳定性[3]。 2.2 永磁机构的基本工作原理

双稳态永磁操动机构的状态取决于动铁心在静铁心中的位置，从理论上说有三种平衡状态：第一种是动铁心在静铁心的最上端位置即为合闸。第二种是动铁心在静铁心的最下端位置即为分闸。第三种是动铁心在静铁心的中部即属于一种上下结构对称的状态。

当永磁机构处于合闸状态时，驱动杆跟随动铁心向上移动，永磁体通过上面部分的磁路的磁阻非常小，而下部分磁路因驱动杆的移动使得空气气隙增大，从而导致通过下面部分的磁阻也相继增大。此时，永磁体的大量磁通都集中在上部分磁路上，这样就可以将动铁心固定在静铁心的最上端。当永磁机构处于分闸状态时，驱动杆的向下移动导致上面部分空气气隙增大，此时，永磁体的大量磁通都集中在下部分磁路上，这样就可以将动铁心固定在静铁心的最下端。当永磁机构处于一种中间状态即上下两部分的磁路对称，空气气隙相等，通过两部分的磁通也相等。这时候的动铁心处于一种上下平衡状态，但这只是一种暂时的过程，只要上下两部分的空气气隙稍有变化，就会破坏这种平衡，变成前面两种状态的其中一种。所以，我们通常只研究永磁操动机构的两种状态，即分合闸状态，所以双线圈永磁机构的另一个名称为双稳态永磁机构。

双线圈的永磁操动机构处于合闸状态时，要想其过渡到分闸状态，只需要给分闸线圈通电流，新的磁场改变了动铁心所受的吸引力，随着分闸线圈电流的增加，动铁心所受的吸引力将会越来越小，直到此吸引力小于与它方向相反的其他作用力，此时动铁心将会朝下运动。只要动铁心朝下运动就会增大上部分空间的空气气隙，从而使得上端部分的磁阻值变大，下面部分的磁阻变小。此时，上端吸力变小，而下端吸力变大，便会导致向下的合力变大，动铁心的运动方向将会改变朝下运动，这个过程直到过渡成分闸状态才停止。只要没有下一个合闸指令，永磁机构将会一直处在分闸的稳定状态。从分闸过程过渡为合闸过程恰恰相反：需要在合闸线圈中通直流电流，让合闸线圈电流产生的新磁场将动铁心受到的吸力减小，促使动铁心向上运动，过渡到合闸状态，即使不再有电流通过合闸线圈，只要没有下一个分闸指令，永磁操动机构将会一直保持在合闸的状态。双稳态的永磁机构不会出现退磁的现象，因为不管是分闸线圈电流还是合闸线圈电流它们所产生的新磁场与永磁体本身的磁场方向是一致的，也因此永磁机构具有极好的可靠性[4]。

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2.3 永磁机构常用的控制方法

永磁机构正如前面所言，有多种优点，可以增加断路器的可靠性，很大程度的降低事故的发生概率，可以广泛的应用在当前的电力系统中。永磁机构需要控制系统，接受电信号，并将此电信号通过逻辑判断传给控制操动机构发生动作的装置，然后与断路器传动系统配合完成分合闸操作，可见其控制方案是非常重要的，它的好坏会是直接决定断路器性能优劣的一个重要因素。目前，永磁机构控制的方式根据实现逻辑部分的元件的不同分为三种：第一种是继电控制方式；第二种是电子控制方式；第三种是微机控制方式。

2.3.1继电器控制方式

这种在传统的断路器操动机构控制中应用颇为广泛，主要就是由继电器控制操作机构来实现一系列的逻辑功能，使其控制触点的开闭来达到断路器的分合闸状态。控制继电器大多数的作用是控制和保护，它一般用来控制开断交直流小容量电路。控制继电器的输入端一般是电流、电压等量，也能输入一些非电量，比如温度、速度等。控制继电器发生动作需要输入量达到一个界定值，然后引起输出量发生相应的变化从而去控制电路。控制继电器有很多种类，应用范围广泛，可以组合不同种类的继电器来实现断开断路器故障，切断线路，实现自动重合闸等功能。

继电器控制虽然操作比较简单，但它反而隐藏了永磁机构的优点，使其优点得不到体现。继电器的电气寿命不高，当控制永磁机构的继电器频繁替换时势必会影响到断路器的使用时间。继电器还有别的不足，比如，精确度不高，触点闭合时间长和灵活性不高。所以，这种方式现在都基本被淘汰了。 2.3.2电子控制方式

在后期电子控制方式便出现了，传统的控制方式被电子方式所替代。国内已经广泛应用这用控制方式，用晶闸管取代了传统的触点开关方式。晶闸管相对于继电器来说有很多优点：一是晶闸管的关断时间比继电器的反应所需时间要少很多，二是晶闸管不存在触点问题，因此它的电气寿命长、动作迅速。三是晶闸管本身是一种电力电子开关，其体积很小，使用起来简单轻巧。这用控制方式不仅可以实现传统的继电器控制的功能，而且还可以实现一些其功能，如声光报警等。

这种方式是通过脉冲触发晶闸管导通给分合闸线圈放电，从而达到相应的分合闸状态。这用控制方式简单，但也存在和继电器一样的缺点，也会因为其整定值不好调整而使灵活性降低。还有一个缺点就是因为采用了微电子技术会导致电子电路受到更多的外界干扰，尤其是当有比较大的电流通过永磁机构分合闸线圈时，产生的电磁干扰比较大，从而会使控制电路的正常工作受到影响。因此，必须要考虑抗干扰技术，增加电子电路

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的可靠性，不然会导致断路器控制电路发生异常状况，比如延时动作或者误动作等情况。抗干扰电路的设计比较方便而且效果明显，所以电子控制方式在控制永磁机构中仍有着广泛的应用。 2.3.3微机控制方式

在这个科技日益发达的时代，智能电器在我们生活中随处可见，微机亦如此，在各个领域都能看到CPU的影子。微机控制方式是从国外引进的，我国是从20世纪90年代才兴起的。它是由单片机程序指令控制，进行需要的逻辑判断，然后发出相应指令并执行来完成各项目的，是一种智能化系统。使用微机控制方式控制永磁机构，可以提高断路器的灵活性。永磁机构的分合闸只需要通过线圈电流来控制，控制电参数又是一种比较容易的方式，所以可以使用微机系统去控制永磁操动机构的分合闸状态，还可以实现很多智能化功能，比如，检测充电电容电压是否达到我们所需要的电压值和检测动铁心的运动位置等功能。微机控制方式包含多个模块，但其中重要的是单片机模块，它是必不可少的一部分，可以分为软件部分和硬件部分。它的特点明显，使得人们喜欢，应用也很广泛。

比较分析上述的三种控制方式，同时考虑到当前真空断路器永磁机构的发展情况，对现有设备和条件的考虑，本次的设计方案主要应用的是第二种电子控制方式，通过脉冲触发晶闸管导通给分合闸线圈放电，完成永磁机构的分合闸操作。 2.4 本章小结

本章主要介绍了真空断路器永磁机构的结构分类，主要由哪些部件组成。着重介绍了双稳态永磁机构的工作原理，分合闸状态转换过程。描述了永磁机构常用的三种控制方式，继电器控制方式，电子控制方式和微机控制方式，确定了本课题所采用的控制方式即电子控制方式。

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3 永磁操动机构分合闸控制器硬件设计

3.1 永磁机构分合闸硬件设计总体概述

由永磁机构的工作原理可知，要使永磁机构达到分合闸状态，则需要给永磁机构的分合闸线圈通过电流，然后产生电磁吸力来驱动动铁心运动，从而使永磁机构实现分合闸。供电的电源可以通过变压器经过二极管半波整流来提供，给相应储能电容器充电来实现，此电路的电力电子开关选择晶闸管，通过开断晶闸管即可流过电流实现分合闸控制[5]。

本课题分模块设计，控制器主要由单片机控制模块，电源模块，电容充电回路模块，电容器组模块，电容器电压检测模块，分合闸线圈模块，显示模块，手动模块，远动控制信息模块，线圈驱动模块组成。强弱电模块间要进行光电隔离。通过单片机逻辑模块输出正确的操作指令，去控制分合闸操作。本次设计的控制器是通过控制晶闸管控制电容对永磁机构的分合闸线圈放电，以完成永磁机构的分合闸操作。系统结构框图如图3-1所示[6]。

图3-1 系统结构框图

3.2 电容充电设计模块

目前，经常用来作为永磁机构的操作电源的方法主要有三种：第一种就是目前被人们广泛采用电容器组即容量比较大的储能电解电容；第二种就是采用变电站的直流屏，这种方式有一个限定条件即它的工作范围必须在真空断路器站内；第三种就是比较少用的高能量锂电池，因其成本高，未能被广泛应用。

此次设计采用的是上述的第一种方法。影响大容量的电解电容的电气寿命的一个重要因素就是温度，当温度到达105时，它的电气寿命会由于温度的增加而大大减少，但我们现在工作环境的以及电路都做好了散热等措施，避免温度升高的情况发生，所以大多数的电解电容的电气寿命还是很长的，大多数都可以使用10多年。但电容器除了使用时间长以外还有很多优点，如下：一是给电容器充电时间不长，应用常规的电源装置即可实现对电容的充电，所以不必担心充电过量，也不用监测充电电流和其时间的精准性，大量的减少了人工的工作量；二是对电容器充电储能大大减少了对环境的污染；三