高壓真空斷路器智能控制器畢業(yè)設計

1、摘要當今世界，電力在人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中有著相當重要的作用。在完善的電力系統(tǒng)中，斷路器是必不可少的開關(guān)設備。斷路器不僅可以可以切斷系統(tǒng)運行時的空載電流和負荷電流，而且在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以與繼電保護裝置配合切斷過負荷電流 ，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著必不可少的作用。高壓領(lǐng)域常選用高壓真空斷路器，不同于其他滅弧介質(zhì)的斷路器。高壓真空斷路器質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、運行維護方便、不會對環(huán)境造成污染，所以一經(jīng)采用，迅速發(fā)展為高壓開關(guān)領(lǐng)域的主流。傳統(tǒng)的高壓真空斷路器按其操動機構(gòu)可分為電磁式和電動彈簧式，早期，電磁操動機構(gòu)的較好地迎合了真空滅弧室的需求，得到了廣大地發(fā)展和應用，但由于其機械結(jié)構(gòu)復雜故

2、障率高而被新興的永磁操動機構(gòu)替代。永磁機構(gòu)主要利用永磁體的磁力使得斷路器保持在開斷或者閉合位置 ，減少了機械部件的使用，既減輕了斷路器的體積，也使得故障發(fā)生的機濾大大減少。采用了永磁機構(gòu)的斷路器，可以與計算機技術(shù)相互結(jié)合，便于實現(xiàn)斷路器控制的智能化本論文以單片機為基礎(chǔ)，設計一套高壓真空斷路器雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)保護、控制、測量、開關(guān)量監(jiān)測等功能。實現(xiàn)對電壓、電流、有功功率、無功功率的實時監(jiān)測，并且具有過電流速斷保護、過電壓和欠電壓保護、閉鎖、自診斷以及報警等功能。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；斷路器；永磁操動機構(gòu)0 前言電能是現(xiàn)代社會中最重要、也是最方便的能源 。電力系統(tǒng)是由電能的生產(chǎn)、輸送

3、、分配和消費的各個環(huán)節(jié)組成的整體。根據(jù)電力在國民經(jīng)濟中的地位和作用，對電力系統(tǒng)運行有三點要求：（1）保證安全可靠供電；（2）保證良好的電能質(zhì)量；（3）保證電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。智能電網(wǎng)是當今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動向，并被認為是21世紀電力系統(tǒng)的重大科技創(chuàng)新和發(fā)展趨勢。2001年美國電力科學研究院創(chuàng)立了智能電網(wǎng)聯(lián)盟，推動“IntelliGrid”研究，2003年，美國能源部（DOE） 發(fā)布“Grid2030”，對美國未來電網(wǎng)遠景進行闡述。我國關(guān)于智能電網(wǎng)方面的研究進展緩慢，起步較晚。2007年10月，華東電網(wǎng)公司啟動了智能電網(wǎng)可行性研究項目，密切跟蹤國際先進電力企業(yè)和研究機構(gòu)對智能電網(wǎng)的研

4、究，并結(jié)合華東電網(wǎng)的現(xiàn)狀和今后發(fā)展的要求提出三個階段的發(fā)展思路和行動計劃2010年初步建成電網(wǎng)高級調(diào)度中心，2020年全面建成具有初步智能特性的數(shù)字化電網(wǎng)，2030年真正建成具有自愈能力的智能電網(wǎng)。2008年，國家電網(wǎng)公司開始推行電力用戶用電信息采集系統(tǒng)，規(guī)劃用3到5年時間實現(xiàn)全網(wǎng)的電能信息采集。國家電網(wǎng)公司將分三個階段推進堅強智能電網(wǎng)建設：2009-2010年是規(guī)劃試點階段，重點開展堅強智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，制定技術(shù)和管理標準，開展關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和設備研制，開展各環(huán)節(jié)的試點；2011-2015年是全面建設階段，將加快特高壓電網(wǎng)和城鄉(xiāng)配電網(wǎng)建設，初步形成智能電網(wǎng)運行控制和互動服務體系，關(guān)鍵技術(shù)和裝備

5、實現(xiàn)重大突破和廣泛應用；2016-2020年是引領(lǐng)提升階段，將全面建設成統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)，技術(shù)和裝備達到國際先進水平。 當前電力系統(tǒng)建設對作為開關(guān)設備的真空斷路器的智能控制功能提出了更高的要求，諸如要求分合實時、高可靠性和免維護等。傳統(tǒng)的中壓斷路器的操動機構(gòu)主要采用電磁機構(gòu)和彈簧機構(gòu)等結(jié)構(gòu)。近來，在國內(nèi)外中高壓領(lǐng)域相繼采用了永磁操動機構(gòu)來取代傳統(tǒng)的電磁式或電動彈簧式操動機構(gòu)。永磁操動機構(gòu)采用一種獨特的結(jié)構(gòu)和工作原理，依靠永久磁鐵實現(xiàn)機構(gòu)終端位置的保持功能，取代了傳統(tǒng)操動機構(gòu)中的機械脫扣和鎖扣功能。由電磁線圈提供操動能量，永磁機構(gòu)的合、分閘能量是由經(jīng)過充電和穩(wěn)壓的電解電容對合、分閘線圈放電提供

6、的。永磁機構(gòu)的出現(xiàn)為實現(xiàn)同步關(guān)合技術(shù)創(chuàng)造了很好的物質(zhì)條件。本文基于永磁機構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，提出了用單片機測控系統(tǒng)對永磁機構(gòu)的分、合閘進行控制，并對永磁機構(gòu)的同步關(guān)合技術(shù)進行了分析。同步關(guān)合技術(shù)，也成為選相分合閘，是為了抑制操作過電壓和提出的，早期因為技術(shù)水平原因只是長期停留在理論階段，隨著高壓電器制造水平的提高和微電子自動控制技術(shù)的進步，該技術(shù)已經(jīng)得到實現(xiàn)，產(chǎn)品正在不斷發(fā)展并投入運行本次設計針對傳統(tǒng)真空斷路器傳動機構(gòu)復雜、運動時間分散性大、運動可控性差、響應速度慢，難實現(xiàn)精確控制現(xiàn)狀，研究了配雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)高壓真空斷路驅(qū)動器的智能控制技術(shù)。本論文對高壓真空斷路器的永磁操動機構(gòu)及其國內(nèi)外發(fā)

7、展現(xiàn)狀進行詳細介紹，闡述永磁機構(gòu)的優(yōu)點及其工作原理，針對雙穩(wěn)態(tài)真空斷路器的工作原理與結(jié)構(gòu)特點提出了智能控制器的基本結(jié)構(gòu)框架。1 概述本章重點介紹了永磁操動機構(gòu)這一新型操動機構(gòu)的發(fā)展狀況與前景，以及對永磁機構(gòu)進行研究將重大意義，并對同步關(guān)合技術(shù)及其在現(xiàn)實中的重要意義做了簡要介紹1.1設計研究的內(nèi)容和意義隨著微控制器技術(shù)、電力電子技術(shù)與智能控制理論的迅速發(fā)展及其在電器領(lǐng)域的廣泛應用，結(jié)合當前智能電網(wǎng)建設與發(fā)展，對斷路器的控制智能化提出了新的要求。斷路器是電力系統(tǒng)繼電保護的重要終端設備之一，它的智能化的水平對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和自動化程度將產(chǎn)生深遠的影響。目前，人們提出的智能斷路器大致應有以下幾個特

8、點：斷路器可以檢測自身的狀態(tài)并判斷是否故障，對電網(wǎng)的故障診斷和信息遙信技術(shù)，自動重合閘，同步關(guān)合技術(shù)等。 同步關(guān)合技術(shù)，就是指斷路器動、靜觸頭在控制系統(tǒng)的控制下，在電力系統(tǒng)是電壓波形的指定相角處關(guān)合，使得空載變壓器、電容器和空載線路等電力設備在對自身和系統(tǒng)沖擊最小的情況下投入電力系統(tǒng)的一種智能控制技術(shù)。同步關(guān)合技術(shù)可以降低合閘操作暫態(tài)過程中的過電流和過電壓，從而可以提高電力設備的壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。永磁操動機構(gòu)自一出現(xiàn)，因其自身的優(yōu)勢迅速取代了傳統(tǒng)的操動機構(gòu)而在斷路器中獲得廣泛應用。首先，永磁機構(gòu)可實現(xiàn)機械上的高可靠和少維護甚至免維護。IEC(國際電工委員會)標準和國家標準對“設計成在其預期的

9、使用期間，主回路中開斷用的零件不需要維護，其它零件只需要很少維修”的一種斷路器定義為“E2級少維護斷路器”，國際上也統(tǒng)稱為“免維護斷路器”。盡管免維護功能的實現(xiàn)需要從產(chǎn)品整體設計、制造入手，需要全方位綜合考慮，但首先要解決的問題是提高機械可靠性，或者說機械上的高可靠是免維護的基礎(chǔ)。由于永磁機構(gòu)通過將電磁操動機構(gòu)與永久磁鐵特殊結(jié)合，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)斷路器機構(gòu)的全部功能，其結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)機構(gòu)的最大區(qū)別在于無需脫扣閉鎖裝置即可實現(xiàn)機構(gòu)終端位置的保持功能，所用零部件數(shù)目大大減少，斷路器的機械可靠性必然大大上升。其次，永磁機構(gòu)還可實現(xiàn)斷路器控制技術(shù)的智能化。斷路器的智能化操作可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高斷路

10、器的開斷和關(guān)合性能，提高斷路器的可靠性。因此，斷路器實現(xiàn)智能化操作是智能開關(guān)電器追求的目標。永磁機構(gòu)由于部件少，中間轉(zhuǎn)換和連接機構(gòu)也少，大大減小了動作時間的分散性和不可控性，為斷路器實現(xiàn)智能化操作提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。通過采用電子或微機系統(tǒng)來對分合閘線圈進行控制，可以實現(xiàn)開關(guān)的智能操作和同步開斷與關(guān)合。僅從提高機械可靠性的目的出發(fā)，永磁機構(gòu)二次控制也可采用目前常規(guī)的電磁式繼電保護方式。但為適應電力系統(tǒng)自動化發(fā)展的要求，特別是永磁機構(gòu)簡單可電控的特點，加上應用各種傳感技術(shù)，采用電子式控制，開發(fā)具有自診斷功能的智能化開關(guān)最根本的發(fā)展方向。由于永磁機構(gòu)采用了全新的工作原理，因此也產(chǎn)生了一系列新的理論問題。

11、盡管國外已有產(chǎn)品問世，但由于永磁機構(gòu)技術(shù)試電工學、力學、計算方法、電力電子技術(shù)、微機技術(shù)、控制理論及新型材料科學在斷路器上的綜合應用，這一領(lǐng)域系統(tǒng)的理論還遠未成熟，實質(zhì)性的反映技術(shù)關(guān)鍵的理論研究成果還未見公開報道。因此應該結(jié)合永磁機構(gòu)的開發(fā)研究永磁機構(gòu)技術(shù)的電磁機理和控制理論，解決支撐這一技術(shù)的理論問題，并在理論與實驗研究相結(jié)合的基礎(chǔ)上，為這一領(lǐng)域形成較完善的理論奠定基礎(chǔ)。并為下一代實現(xiàn)同步關(guān)合、抑制操作過電壓和提高開斷能力奠定基礎(chǔ)。1.2永磁操動機構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景隨著高壓真空斷路器理論研究水平和制造技術(shù)的不斷提高，高壓真空斷路器成為高壓開關(guān)領(lǐng)域的一個重要的發(fā)展方向。真空斷路器的發(fā)展主要體現(xiàn)

12、在兩個方面：真空滅弧室研制水平和操動機構(gòu)技術(shù)水平。目前，發(fā)展“智能化開關(guān)設備”已成為智能電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢和要求，傳統(tǒng)斷路器只是被動執(zhí)行分合閘操作，其操作指令來源于人工命令或繼電保護單元的動作信號，斷路器自身無檢測、判斷電力系統(tǒng)故障和監(jiān)視自身運行狀態(tài)的功能。智能高壓真空斷路器包括對斷路器外圍控制電路和檢測智能化以及分合閘操作智能化，智能控制系統(tǒng)通過采集和分析斷路器的運行數(shù)據(jù)，提供動作信號或斷路器能夠根據(jù)檢測到的不同故障電流信號，自動選擇操動機構(gòu)及滅弧室預先設計的設定的工作條件獲得實際開斷時電氣和力學性能上的最佳效果。永磁操動機構(gòu)以數(shù)字信號處理器為核心，可以實時獲取斷路器的狀態(tài)信息，經(jīng)過一定的算

13、法，通過控制機構(gòu)的分合閘線圈電流，即可實現(xiàn)對斷路器的智能化控制。因為智能型斷路器具有許多傳統(tǒng)斷路器所無法比擬的優(yōu)點,其研制受到國內(nèi)外的普遍重視自1985年出現(xiàn)第一臺以微處理器為基礎(chǔ)的智能型斷路器以來,法國梅蘭日蘭(MG)公司、日本寺崎公司和美國西屋公司等相繼開發(fā)了帶微處理器的智能斷路器九十年代,國外許多公司又相繼開發(fā)出智能斷路器的集中控制和檢測系統(tǒng),包括有多種平臺和相應軟件支持的中央計算機控制系統(tǒng)!智能化斷路器的對話模塊、低壓配電裝置。世界上第一臺永磁操作機構(gòu)模型誕生于 1989 年,它是由英國曼徹斯特大學系統(tǒng)與能量組為 GEC 公司設計開發(fā),也因此掀起了世界各國開發(fā)永磁操作機構(gòu)的熱潮。ABB

14、 公司于 1997 年成功研制了 VM1型配永磁機構(gòu)的真空斷路器,從此永磁操作機構(gòu)開始逐步運用到生產(chǎn)實際工作之中。我國對永磁機構(gòu)的研究起步較晚,但發(fā)展迅猛，自從引進后，很快得到了國內(nèi)眾多科研院所和高等院校的重視,并做了大量深入的研究工作。1998 年,沈陽工業(yè)大學和西安森源電氣有限責任公司聯(lián)合著手研究開發(fā) 12kV VSm 永磁機構(gòu)真空斷路器,并取得階段性成果。2000 年 6 月,其聯(lián)合研制的首批樣機在西高所國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢測中心順利通過了 12kV,1250/3lkA 規(guī)格VSm 的試驗測試,整機也通過了 EMC 試驗,達到了國際領(lǐng)先先進水平。這在國內(nèi)掀起了永磁機構(gòu)研究熱潮,如錦州華

15、光電器有限責任公司、北京華東開關(guān)廠、常州森源開關(guān)有限公司等國內(nèi)著名的斷路器生產(chǎn)企業(yè)相繼投入大量人力物力財力成立企業(yè)研發(fā)小組研制開發(fā)類似的永磁機構(gòu)真空斷路器,使高性能的釹鐵硼稀土永磁材料在永磁機構(gòu)中得到更加廣泛應用。但是如何使永磁機構(gòu)更加智能化、小型化就成為目前研究的熱點問題。目前,我國12KV的真空斷路器廣泛采用了永磁操動機構(gòu)，在將永磁機構(gòu)技術(shù)成功應用于中壓斷路器的基礎(chǔ)上可考慮進一步擴展永磁機構(gòu)應用范圍的可能性，中低壓斷路器開關(guān)操作頻繁，機械壽命是較嚴格的考核指標，鑒于永磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單可靠、耐磨損的特點，永磁機構(gòu)在低壓開關(guān)領(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢。配用永磁操動機構(gòu)的VSm型戶內(nèi)高壓真空斷路器是國內(nèi)第

16、一個實現(xiàn)免維護概念的斷路器。其高壽命的真空滅弧室以及環(huán)氧澆注固封極柱的免維護，配用的高可靠性永磁操動機構(gòu)的免維護，電子控制部分摒棄傳統(tǒng)的輔助開關(guān)而代之以光電接近開關(guān)，并采用全電子化電源和智能控制單元保證了電子控制部分的免維護。VSm真空斷路器采用MS1型永磁操動機構(gòu)。該機構(gòu)利用一種雙穩(wěn)態(tài)的磁路系統(tǒng)，使用兩個激磁線圈驅(qū)動動鐵芯運動到相應的極限位置，并利用高性能永磁體所提供的磁場能量，使之保持在極限位置。激發(fā)其中一個激磁線圈使之產(chǎn)生大于剩余保持力的驅(qū)動力，即可使永磁機構(gòu)的動鐵芯動作。當控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可用手動分閘操作裝置緊急分斷斷路器。MS1型永磁操動機構(gòu)省去了傳統(tǒng)機構(gòu)復雜易損的儲能、鎖扣等機

17、械裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，其零件數(shù)量較傳統(tǒng)機構(gòu)減少了70%以上，從而大大提高了機構(gòu)的可靠性和壽命。同時由于采用了電容作為操作電源，也避免了傳統(tǒng)機構(gòu)對大容量專用電源的依賴以及輔助電源波動對機動作的影響。性能卓越的MS1型永磁操動機構(gòu)可長期頻繁操作，并真正做到永久性免維護。在40.5KV級和72.5Kv級真空斷路器上配用永磁機構(gòu)已經(jīng)開始了研制，由于斷路器觸頭開距較大，可考慮采用單相直動式操作，并可考慮將同步技術(shù)應用于較高電壓等級，因此，將永磁機構(gòu)應用于高電壓等級的斷路器也具有很大的發(fā)展前景。2 永磁操的機構(gòu)永磁操動機構(gòu)作為一種新型的操動機構(gòu)，自已產(chǎn)生就因為其無可比擬的優(yōu)點得到了廣泛應用。而它之所以具有比

18、傳統(tǒng)高壓真空斷路器更優(yōu)越的性能，與其結(jié)構(gòu)與獨特的工作原理是密不可分的。2.1永磁操動機構(gòu)的優(yōu)點永磁機構(gòu)是一種用于中高壓真空斷路器的永磁保持、電子控制的電磁操動機構(gòu)，它在工作時主要運動部件只有一個，無需傳統(tǒng)電動彈簧式機構(gòu)的機械脫扣、鎖扣裝置，其故障源少，具有較高的可靠性.采用永磁操動機構(gòu)的高壓真空斷路器在開關(guān)機械性能上具有較高可靠性，可實現(xiàn)少維護甚至免維護并可實現(xiàn)操作性能上的智能化。與傳統(tǒng)高壓真空斷路器采用的的電磁機構(gòu)或電動彈簧式操動機構(gòu)相比，永磁操動機構(gòu)具有如下優(yōu)點：（1）永磁操動機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)簡單，運動部件少，機械可靠性較以往有很大的提高。（2）永磁操動機構(gòu)的保持力為永磁體的磁力，不會產(chǎn)生傳

19、統(tǒng)操動機構(gòu)那樣的操作失誤，便于實現(xiàn)免維護運行。（3）永磁操動機構(gòu)的輸出特性能夠與高壓真空斷路器的開關(guān)機械特性很好地匹配，這就使得斷路器的分、合閘操作能夠達到良好的速度特性。（4）永磁操動機構(gòu)的機械傳動機構(gòu)非常簡單，通過勵磁電流的分、合閘線圈的產(chǎn)生的磁場直接驅(qū)動動鐵芯，動鐵芯直接連著主軸。采用這樣的結(jié)構(gòu)，動作部件少，使得操動機構(gòu)具有更好的可控性，為高壓真空斷路器實現(xiàn)智能化控制打下了基礎(chǔ)。2.2 永磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)永磁機構(gòu)分為單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)。圖2-1為雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2-1雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)剖面圖在上面的剖面圖中，1是靜鐵心,是操動機構(gòu)的磁路通道;2為動鐵心,是整個機構(gòu)中最主

20、要的動部件;3、4是永久磁體,為機構(gòu)提供永磁保持時所需要的吸力;5、6為合閘線圈和分閘線圈;7是驅(qū)動桿,是操動機構(gòu)與斷路器傳動機構(gòu)之間的連接紐帶。當斷路器處于合閘或分閘位置時，分、合閘線圈中沒有電流通過，永久磁鐵利用動、靜鐵心提供的低磁阻抗通道通過永磁體的吸引力將動鐵心固定在上、下極限位置，而不需要復雜機械聯(lián)鎖裝置。當有動作信號時，分閘或合閘線圈中通過勵磁電流，產(chǎn)生磁動勢，動、靜鐵心中的磁場由分閘或合閘線圈產(chǎn)生的磁場與永久磁體產(chǎn)生的磁場疊加合成，動鐵心在合成磁場的作用力的作用下可上下運動，并通過傳動桿及傳動機構(gòu)推動斷路器的動觸頭運動，完成分閘或合閘任務。動鐵心在行程終止的兩個極限位置時，不需要

21、消耗任何能量即可保持，即能實現(xiàn)所謂的永磁保持。而在傳統(tǒng)的電磁機構(gòu)中，動鐵心是通過彈簧的作用被保持在行程的一端，而在行程的另一端，需要靠機械鎖扣或電磁能進行保持。由上述可知，永磁機構(gòu)是通過將電磁鐵與永久磁體特殊結(jié)合，來實現(xiàn)傳統(tǒng)斷路器操動機構(gòu)的全部功能:由永久磁鐵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脫扣和鎖扣機構(gòu)來實現(xiàn)動鐵心在行程極限位置的保持功能，由通電的合、合閘線圈來提供操作時需要的能量。雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)具有如下優(yōu)點（1)機械壽命長，可靠性高。由于永磁機構(gòu)采用的機械零部件數(shù)量較少，機械結(jié)構(gòu)簡單，運動部件只有一個動鐵心，所以永磁機構(gòu)的機械壽命特別長，操作次數(shù)可以達到10萬次甚至更高。由于沒有容易出現(xiàn)機械故障的機械鎖扣裝置和

22、其它高速運動部件，永磁機構(gòu)幾乎不會發(fā)生機械故障的概率。（2)分、合閘操作時間短，時間分散性小。永磁操動機構(gòu)的機械傳動部分結(jié)構(gòu)非常簡單，由分、合閘線圈勵磁電流產(chǎn)生的磁場與永磁體的磁場共同作用下的合成磁場驅(qū)動動鐵心，動鐵心直接推動高壓真空斷路器的主軸作分合、閘運動，這種傳動方式簡單而且直接，使得永磁機構(gòu)的分、合閘時間比較短而且分散性小，非常穩(wěn)定，可將分合閘時間的分散性可以控制在1ms之內(nèi)。（3)永磁機構(gòu)可以用儲能電容器或蓄電池做操作電源，也可采用小功率交流電源。這樣永磁機構(gòu)就保持了電動彈簧操動機構(gòu)用小功率交流電源操作的優(yōu)點，而不具有它結(jié)構(gòu)復雜的缺點。儲能電容可以用一個經(jīng)過整流的小功率的交流電源進行

23、充電儲能，用門極關(guān)斷(GTO)晶閘管控制其對分合閘線圈的放電，結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省電能。（4)永磁操動機構(gòu)可以配用現(xiàn)代化的電子控制裝置，適應配電自動化的要求并進一步實現(xiàn)對高壓真空斷路器的智能控制?，F(xiàn)代化的電子控制系統(tǒng)不僅可以完成分、合閘控制，還可以完成某些繼電保護、通信、遙控、在線檢測等功能。電子控制裝置還可以精確發(fā)出分合閘信號，為同步開關(guān)創(chuàng)造條件。結(jié)合上述優(yōu)點，在中高壓領(lǐng)域較常采用的是雙穩(wěn)態(tài)的永磁機構(gòu)。2.3 雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的工作原理圖2-3 雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)工作原理雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的工作原理如圖2-3所示。其靜鐵心1的中部鑲有永久磁體4和5，兩個永磁體的同名磁極向著中心線。永磁體的下方和上方分別安裝

24、著合閘線圈6和分閘線圈3。動鐵心2位于永久磁體和靜鐵心上下磁極之間。動鐵心上的驅(qū)動桿9穿過靜鐵心。此驅(qū)動桿可直接用來驅(qū)動斷路器作合閘或分閘運動。動鐵心理論上有三個平衡狀態(tài):其一為動鐵心位于靜鐵心的最上方，動鐵心的上端與靜鐵心的上磁極8接觸，見圖2-2中左上角分閘狀態(tài)圖。其二為動鐵心位于靜鐵心的最下方，動鐵心的下端與靜鐵心的下磁極7接觸，見圖2-3左下方合閘狀態(tài)圖。在分閘狀態(tài)，永磁體通過上部磁路的磁阻很小而通過下部磁路的磁阻因存在空氣間隙很大而很大。永磁體的磁通絕大部分會通過上部磁路，將動鐵心牢固地吸引在靜鐵心的上磁極8上。在合閘狀態(tài)時，與分閘情況相反，永磁體通過下部磁路的磁阻很小，磁通集中在下

25、部磁路，動鐵心被吸在下磁極7上。第三個平衡狀態(tài)是對于上下結(jié)構(gòu)對稱的機構(gòu)而言的，動鐵心位于靜鐵心的正中間，永磁體通過上部和下部空氣隙的磁阻相等，此時靜鐵心的上端和下端受靜鐵心的吸力完全相等，動鐵心處于一種不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。但此時只要上下氣隙有微小變化，這種平衡就被打破，過渡到上述第一種或第二種平衡。所以動鐵心實際工作時只存在兩種平衡狀態(tài)，即分閘狀態(tài)和合閘狀態(tài)。正因為如此，圖2-2所示的這種雙線圈永磁機構(gòu)稱作雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)。當雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)處于合閘狀態(tài)時，永磁體產(chǎn)生的磁力線的分布如圖2-2合閘狀態(tài)圖中I所示.此時要使其進行分閘操作，只要在分閘線圈中通以直流電流為勵磁電流，該勵磁電流產(chǎn)生的磁力線方向

26、和永磁體在靜鐵心下端的磁力線方向相反，見圖2-3分閘過程圖中的回線m。分閘線圈中的勵磁電流所產(chǎn)生的磁場使動鐵心受到的下方的吸引力減小，當此電流增大到一定程度時，動鐵心所受的吸力之和小于動鐵心上的機械負載(如作用在動鐵心上的觸頭壓力，其方向與永磁體的吸力相反)，這時動鐵心就開始向上運動。一旦動鐵心向上運動，動鐵心的下端與靜鐵心的下磁極之間就會出現(xiàn)空氣間隙，導致下端的磁阻增大，上端的磁阻減小。靜鐵心下磁極對動鐵心的吸引力減小，上磁極對動鐵心的吸引力增大。動鐵心受到的由下向上的合力增大，使動鐵心加速向上運動。這個過程一直持續(xù)到動鐵心上端與靜鐵心的上磁極接觸，直到分閘動作完成。這時，動鐵心和永磁體重新

27、吸合，處于新的穩(wěn)定狀態(tài)，此時即使切斷分閘線圈中的電流，動鐵心也不能恢復到原來的狀態(tài)。合閘的過程與分閘過程正好相反：給合閘線圈中通電(見圖2-2合閘過程圖)，線圈中的勵磁電流在上部間隙產(chǎn)生反向磁場，動鐵心上受到的總吸引力減小，當吸引力小于動鐵心的機械負荷時動鐵心開始向下運動，最終達到極限位置即合閘位置，動鐵心重新與永磁體吸合.切斷合閘線圈電流后，動鐵心保持在合閘位置不變，合閘過程結(jié)束。永磁體在受到強烈的反向磁場作用時，其磁性能會降低，這就是永磁體的退磁。對于雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)，無論是在合閘還是在分閘過程中，線圈電流產(chǎn)生的外磁場在永磁體上總是與永磁體自身磁場的方向相同。2.4 雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的磁路雙穩(wěn)

28、態(tài)永磁機構(gòu)的磁路圖如圖2-3所示圖2-3雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的磁路圖在這種典型磁路中，磁動勢INm及磁阻Rm組成永久磁體的等效磁路,由于釹鐵硼材料的去磁曲線基本上是一直線,因此INm與Rm取常數(shù),其中I為勵磁線圈電流,Nm為線圈匝數(shù)。磁路中兩個控制線圈的安匝數(shù)設為和,兩個工作氣隙的磁阻, 均可表示為： （2-1）式中, 為空氣的磁導率；S為磁極的面積,為空氣間隙長度,當動鐵心處于兩個極端位置時,空氣隙的磁阻為及 （ 2-2） （2-3）式中, 為最小氣隙長度, 為最大氣隙長度, 。為了便于對磁路的分析和求解,若磁路為線性磁路,可采用疊加定理可將圖3-1的磁路分解為圖2-4三個磁路的疊加。圖2-34雙

29、穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)磁路的疊加在圖3-2的三個磁路中,每個磁路的總電阻分別為 （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) 當動鐵心處于上部極限位置即斷路器合閘時,動鐵心的上端與靜鐵心的上磁極接觸.此時要使斷路器實現(xiàn)分閘，即使動鐵心向下運動，就要使分閘線圈中通過勵磁電流。在通電的瞬間，=0, =IN.相應的由圖3-2可得出上下氣隙的磁通為； （2-13）將式(2-7)、式(2-8)、式(2-11)、式(2-12)代入得 （2-14） （2-15）(2)當動鐵心處于下部極限此時位置即斷路器處于分閘狀態(tài)時

30、,即動鐵心得下端與靜鐵心下磁極接觸,要完成合閘操作,即使動鐵心向上運動,就要在合閘線圈中通以電流.在通電得瞬間, =IN, =0.相應的由圖3-2可得出上下氣隙的磁通為； （3-16）將式(3-7)式(3-10)代入上式得 (3-17) (3-18)(3)當動鐵心處于靜鐵心的中間位置,永磁體通過上部和下部氣隙的磁阻R1、R2完全相等,此時動鐵心的上端和下端受靜鐵心的吸引力大小相等,動鐵心處于一種不穩(wěn)定的平衡狀態(tài),但動鐵心在合閘和分閘過程中都要經(jīng)過這種不平衡狀態(tài),而且只要上下氣隙稍有變化,就會破壞這種平衡狀態(tài),過渡到上述兩種狀態(tài)。另外電流的微小變化也可以很輕易地破壞這種不穩(wěn)定的平衡,因此，對此狀

31、態(tài)下的磁路進行分析并無太大的現(xiàn)實意義。 2.5 永磁機構(gòu)的始動安匝當永磁機構(gòu)的動鐵心與靜鐵心上部吸合時,斷路器處于合閘狀態(tài),要進行分閘操作,只要給分閘線圈種通過直流勵磁電流,使上部氣隙磁阻增大磁通降低,動鐵心受到的向上的吸引力F1隨之減?。慌c此同時,下部氣隙磁阻減小磁通增加,動鐵心受到的向下的吸引力F2增大。當勵磁電流增大到一定值時,動鐵心所受的吸引力之和等于動鐵心上的機械負載Fr,動鐵心將向下運動。若設Fr=0,則F1=F2。因為吸引力F正比于,所以有： （3-19）求解得IN值,此IN值即為動鐵心在上端和下端兩個極限位置下的始動安匝。動鐵心位于上端極限位置時,給分閘線圈通以直流勵磁電流,由

32、此可知,并得出： （3-20） 當動鐵心位于下端極限位置時,給合閘線圈通以直流勵磁電流,由此可知,得出： （3-21）2.5雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)動態(tài)特性 永磁操動機構(gòu)動態(tài)特性是由電磁機構(gòu)和機械部分的綜合過渡過程決定的，即由電磁吸力和負載反力的配合過程決定的。分析永磁機構(gòu)的動態(tài)過程的目的在于:一是可以較精確地計算出機構(gòu)的動作時間,進而計算斷路器觸頭的動作時間及觸頭的運動速度；二是可以確保觸頭動作過程中吸力與反力的合理配合,使之既可以保證動作的可靠性,又能改善機械碰撞,進而提高斷路器的電氣和機械壽命。對于高壓真空斷路器而言,為了保證有效熄弧而不會重燃,觸頭的動作速度應該盡量快些,這要求在規(guī)定的行程下機構(gòu)

33、的動鐵心要有較高的運動速度，但速度過快會引起碰撞能量的增加,對電氣和機械壽命的提高均不利。由此可見,加快動作速度與減輕碰撞這兩個技術(shù)要求是互相矛盾的,必須在研究動態(tài)過程中統(tǒng)籌兼顧。同時由于永磁機構(gòu)觸頭行程較大,動靜鐵心之間的氣隙較大,在線圈通電時漏磁在總磁通中占有很大比例,忽略漏磁的影響會引起很大的計算誤差。所以進一步精確計算與分析永磁機構(gòu)動態(tài)特性對合理設計機構(gòu)并進行機構(gòu)與開關(guān)本體間特性配合具有重要理論和現(xiàn)實意義。3 永磁機構(gòu)的控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的高壓真空斷路器只是一個被動的執(zhí)行單元，只可以人為地或在繼電保護裝置作用下完成相應的分合指令。永磁操動機構(gòu)的智能控制，是將微機技術(shù)和斷路器的控制結(jié)合在一起，

34、使斷路器具有更強更靈活的邏輯判斷分析能力。由于配有永磁機構(gòu)的斷路器分閘或合閘特性只跟線圈參數(shù)有關(guān)，同時控制電參數(shù)也是可能的并容易實現(xiàn)的，因此永磁機構(gòu)的分合閘特性可以通過微機系統(tǒng)來控制，從而實現(xiàn)真空斷路器的智能控制，可以檢測動鐵心的運動位置和線圈電流、瞬時通電時間等參數(shù)，并可以實現(xiàn)自檢測功能。同時，可以通過撥碼開關(guān)輸入進行功能的設置和參數(shù)的整定。3.1 永磁機構(gòu)控制系統(tǒng)設計原則永磁機構(gòu)真空斷路器智能控制器是供電設備的基本控制與保護單元，它的作用是保障控制、保護對象不僅在電力正常狀態(tài)下能可靠工作，而且在不正常和故障狀態(tài)下也能及時作出相應，保證供電的可靠性。同時還要對高壓真空斷路器自身工作狀態(tài)進行監(jiān)

35、測與控制。為提高斷路器的分斷能力與使用壽命，斷路器也應該實現(xiàn)同步操作技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境、設備條件和工作的要求，配永磁機構(gòu)真空斷路驅(qū)動控制器設計必須遵循以下的原則:1）實時性。在設計數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)時，要充分注意數(shù)據(jù)采集和處理的方法，以保證數(shù)據(jù)采集與處理的實時性;同理在控制算法設計時，要考慮算法的快速性和收斂性，以保證控制的實時性、開合動作的實時性。2)準確性。高壓真空斷路器工作環(huán)境特殊而復雜，并且存在很強電磁干擾，對數(shù)據(jù)采集的精確性和傳輸?shù)臏蚀_性以及開合控制的準確性帶來了更嚴格的要求。為保證采樣數(shù)據(jù)的準確性與設備工作狀態(tài)判斷的準確性，要在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計時考慮采用合適的硬件元件與軟件處理方法

36、， 3)安全性。作為一種實時應用于高壓設備的控制系統(tǒng)，必須保證生產(chǎn)安全、人員安全和設備運行安全，需要采取對應對控制失效情況下的緊急控制策略。3.2 控制器總體設計由于永磁機構(gòu)獨特的操動和保持原理，其控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的彈簧操動機構(gòu)的控制系統(tǒng)有著很大的區(qū)別。智能控制斷路器與普通斷路器的最大區(qū)別之處是它能通過智能操作單元對電網(wǎng)參數(shù)實時進行采集和處理，還可以對自身狀態(tài)進行監(jiān)測和判斷，然后根據(jù)預先確定的程序動作。并可根據(jù)需要調(diào)整斷路器的操動機構(gòu)的運動參數(shù)，從而獲得最合適的分合閘速度和最佳分合閘時間。永磁機構(gòu)的控制系統(tǒng)接受到光電信號，并通過邏輯判斷后最終給出指令控制操動機構(gòu)動作，其性能的好壞直接關(guān)系到整個斷

37、路器的性能。它可采用電子控制，以實現(xiàn)真空斷路器的所有功能，同時還可具有智能化功能，可融合在線檢測技術(shù)來最大限度地體現(xiàn)出永磁機構(gòu)的優(yōu)越性。國內(nèi)目前已經(jīng)發(fā)展了用于控制永磁操動機構(gòu)的電子技術(shù)，原先的觸點開關(guān)被電子開關(guān)所代替。圖3-1斷路器智能控制器工作原理圖3-1為斷路器智能控制的工作原理圖。圖中智能控制單元由數(shù)據(jù)采集、智能識別和執(zhí)行機構(gòu)(調(diào)節(jié)裝置)三個基本模塊構(gòu)成。1)智能識別控制模塊:它是高壓真空斷路器智能控制器的核心，由微控制器構(gòu)成的微機控制系統(tǒng)，可以根據(jù)分合閘操作前所采集到的電網(wǎng)狀態(tài)信息和由主控制室發(fā)出的操作信號，自動識別進行當次操作時真空斷路器所處的電網(wǎng)工作狀態(tài)。顯示斷路器是否滿足可操動的

38、條件、斷路器的分合閘狀態(tài)、斷路器動作執(zhí)行情況,給出系統(tǒng)電壓、操作電壓的信息,以及斷路器操動機構(gòu)故障報警信號,以便運行人員了解斷路器的工作狀態(tài)。并根據(jù)給定程序，對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出調(diào)控信息，從而使斷路器根據(jù)指令發(fā)出相應的動作。2)數(shù)據(jù)采集模塊:它主要由小型電壓、電流轉(zhuǎn)換裝置和高速多通道A/D轉(zhuǎn)換器組成，可隨時接收斷路器智能控制器的分閘命令、合閘命令、失壓跳閘信號、過流跳閘信號,接收傳感器提供斷路器的分合閘狀態(tài)信號、斷路器位置信號,接收當前系統(tǒng)電壓、斷路器的操動電源信號以及復位信號等。并對這些信號進行整理分析,把模擬量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可進行邏輯操作的數(shù)字量，以便智能識別模塊進行處理分析，使這些數(shù)據(jù)滿足智能控

39、制模塊的要求。3)執(zhí)行機構(gòu)(調(diào)節(jié)裝置):由能接收定量控制信息的部件和驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)組成，用來控制合閘與分閘線圈的勵磁電流。永磁機構(gòu)智能控制操作單元由電源模塊、CPU模塊、分合閘位置采樣模塊、分合閘信號采樣模塊、驅(qū)動模塊、電容器模塊等組成，結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖4-2所示。圖3-2智能化操作單元結(jié)構(gòu)原理示意圖永磁操動機構(gòu)中的分、合閘線圈必須通以電流勵磁產(chǎn)生磁場，從而產(chǎn)生電磁吸引力才能驅(qū)動動鐵心運動。作為永磁機構(gòu)操作電源的充電電容器上充以恒定的DC100V操作電壓，為操動機構(gòu)的分、合閘線圈勵磁提供所需的脈沖電能。但它每提供一次分閘或合閘線圈勵磁所需的脈沖電能，但是如果不及時切斷分閘或合閘線圈中的脈動電流

40、，電容器模塊完成一次分閘或者合閘操作的功耗就會變得很大，電容器模塊上的電壓就會下降，操作電壓的降低，將導致電源不能再為下一次合閘或分閘提供足夠的脈沖電能，會導致不能完成下一次CO(合分)操作，更談不上完成一次完整的O0.3SCO(分0.3秒合分)操作。因此一次放電后，必須及時切斷分閘或合閘線圈中的脈動電流，實現(xiàn)這一操作，需要靠分合閘位置采樣模塊及CPU模塊、驅(qū)動模塊等協(xié)同完成。另外，要使智能斷路器能夠在各種環(huán)境下都可靠工作，首先應該解決的問題是電容器的使用壽命問題。實驗和長期運行經(jīng)驗表明，充電電容的使用壽命與環(huán)境溫度有關(guān)，一般在105時，使用壽命為2000h，但當工作環(huán)境溫度低于50時，其壽命

41、大大延長，可達10年以上。所以在設計控制單元時，應通過切實而有效的措施降低電容器的工作溫度，延長其使用壽命。采樣模塊是將電子接近開關(guān)檢測到的分合閘位置信息傳輸?shù)街悄芸刂破鞯闹匾獑卧．敊z測到真空斷路器的合閘或分閘位置時立即發(fā)出高、低電平，并將高、低電平傳送至CPU模塊，通過邏輯計算后分別送至分合閘邏輯驅(qū)動電路，及時切斷分合閘線圈中的脈動電流。圖3-3斷路器控制電路原理示意圖高壓真空斷路器的手動、自動控制電路結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖3-3所示。當真空斷路器的手動、自動控制電路接收到分閘或合閘命令時，邏輯驅(qū)動控制器會根據(jù)RS鎖存器發(fā)出的高、低電平自動檢測此時真空斷路器所處的位置是分閘位置還是合閘位置，以

42、決定是否執(zhí)行分閘或合閘命令。綜上所述，智能高壓真空斷路器的工作過程如下:以微控制器為核心的智能控制單元實時采集電網(wǎng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，智能識別模塊根據(jù)采集到的這些數(shù)據(jù)對電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行快速識別，并判斷電網(wǎng)和斷路器當前所處的狀態(tài)，并隨時根據(jù)判別得到的結(jié)果控制調(diào)節(jié)裝置動作。若采用同步關(guān)合技術(shù)，還需要通過調(diào)節(jié)裝置來改變操動機構(gòu)參數(shù)，使斷路器的運動特性與當前系統(tǒng)工作狀態(tài)相適應。另外，在電力系統(tǒng)處于故障狀態(tài)時，要求高壓真空斷路器分合閘的時間盡可能的短，不能因為引入實現(xiàn)智能操作的控制和調(diào)節(jié)裝置而使斷路器的分合閘時間有所延長。要滿足這一要求，可以從硬件結(jié)構(gòu)和軟件編程兩方面著手，把因增加控制和調(diào)節(jié)裝置而延長的時間限

43、制在可接受的或可忽略的程度。相對于傳統(tǒng)操動機構(gòu)的斷路器控制系統(tǒng)，永磁機構(gòu)斷路器的智能控制器有著很大不同。首先，永磁機構(gòu)控制裝置的電源一般選擇電容器，其控制部分因此比傳統(tǒng)操動機構(gòu)控制回路多了一個電容器的充電控制環(huán)節(jié)，穩(wěn)定電容器充電的電壓值，以保證整個控制系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。其次，永磁機構(gòu)沒有傳統(tǒng)操動機構(gòu)的脫扣裝置，斷路器的分、合閘動作完全靠給分、合閘線圈通電產(chǎn)生的磁場來完成，電容器作為分、合閘線圈動作的電源，其充、放電過程由邏輯電路控制?；ジ衅髦饕须娏骰ジ衅骱碗妷夯ジ衅鳌＿壿嫹治雠袛嗖糠质菍崿F(xiàn)高壓真空斷路器的智能化控制的關(guān)鍵，它可以通過對斷路器智能化測控單元輸入的電壓、電流的分析判斷來判定電網(wǎng)是

44、否存在線路過電流、短路、欠電壓等故障，并發(fā)出指令由執(zhí)行機構(gòu)來完成相應操作。高壓真空斷路器智能控制器的另外一個特點是，采用新型電源系統(tǒng)解決操動電源問題，并可設計光纖接口，通過光纖傳遞信號來發(fā)出分合閘命令，同時，內(nèi)部的各種參數(shù)也可通過光纖傳輸?shù)蕉慰刂苹芈贰?.3 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)隨著當今科技尤其是計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，微機控制技術(shù)也得到了廣泛的應用。微機控制技術(shù)基于模擬和數(shù)字技術(shù)通過編程利用CPU來采集、處理外界信號。永磁機構(gòu)的智能控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3-4所示，系統(tǒng)的主控單元并配合相應外圍電路實現(xiàn)機構(gòu)的控制。充電單元：當電容器組的工作電壓小于規(guī)定值時，對電容器組進行整流穩(wěn)壓限流充電。由于進

45、行分、合閘操作時通過相應線圈的勵磁電流能達到幾十安，所以必須選用大容量的電容器，從而實現(xiàn)瞬間放電。電容器儲存的能量必須足夠大，能夠完成一次完整的分合分合分操作。對電容工作電壓的檢測可采用A/D轉(zhuǎn)換或采用V/F變換等方法進行數(shù)據(jù)采集。執(zhí)行單元：實現(xiàn)對分、合閘線圈的放電，以產(chǎn)生激勵電流和磁場使操動機構(gòu)動作，從而完成斷路器的分、合閘操作。單片機處理器主控單元、檢測單元、鍵盤、顯示、人機接口單元與通信單元等共同組成控制器的測控系統(tǒng)。圖3-4控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖3.4 硬件模塊設計高壓真空斷路器永磁機構(gòu)智能控制器在電力行業(yè)的應用范圍非常廣泛，其可靠性應該引起足夠重視，否則因產(chǎn)品的質(zhì)量問題引起配電網(wǎng)的故

46、障，這與配電自動化應用的初衷南轅北轍。硬件方面，配電自動化產(chǎn)品通常與高電壓等級的設備在同一環(huán)境中工作，當硬件工作異常，如發(fā)生柜體漏電，高壓從低壓側(cè)導線耦合或強電磁場干擾時，都可能導致測控設備不能正常運行，如誤動作或拒動作或發(fā)生永久性損壞。因此在硬件的設計上，應充分考慮使智能控制器在惡劣而復雜的工作條件下不失其可靠性的基礎(chǔ)上提高測量的精度和系統(tǒng)的響應速度等性能指標。硬件設計時為提高產(chǎn)品在設計上的通用性和降低開發(fā)的風險，采取了模塊化的設計思想。3.4.1 電源設計給永磁機構(gòu)中的分閘線圈或合閘線圈通電，從而產(chǎn)生電磁吸引力驅(qū)動動鐵心運動，而且必須達到一定的勵磁磁動勢，才能滿足真空斷路器執(zhí)行機構(gòu)的分閘或

47、合閘速度要求。若要在較短的時間內(nèi)獲得很大的脈動電流，目前有兩種方案比較常用：一種方案是采用電容器;另一種方案是采用蓄電池。這兩種方案均在實踐中被應用過而且結(jié)果較為令人滿意。然而如果采用蓄電池作為電源，需要考慮諸如過充電、過放電等一系列復雜問題，充電電路及配套的保護電路較為復雜。以電容器作為電源與可充電蓄電池電源相比，具有許多優(yōu)點，例如電容器的充放電時間較短，可采用具有濾波或非濾波、穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓的直流輸出的任何一種常規(guī)電源裝置對其進行充電，也不必考慮過充的危險，所以不需要對精確的充電電流和充電時間進行監(jiān)視，無需蓄電池充電放電及其配套的保護電路那一系列復雜設計，而且不存在伴隨蓄電池的化學污染或電極

48、氧化問題，可以承受無數(shù)次短路，并可放電至任意電壓都不會被損壞。除此之外，電容器還可以直接地被并聯(lián)使用，而不會產(chǎn)生電池并聯(lián)時所具有的偏置電流那樣的側(cè)流效應問題。因此，戶內(nèi)永磁機構(gòu)中的電源設計最經(jīng)濟最常用的方法是采用電容。對于戶外工作的高壓真空斷路器，由于現(xiàn)場電源不易解決，一般采用蓄電池。選擇給電容器充電的電源時，必須考慮電容器的耐壓值，考慮實際分閘或合閘操作時控制器所需的電源電壓。戶內(nèi)高壓真空斷路器永磁機構(gòu)中的電源實際使用的電壓大約為DC100V，因此必須保證為電容器充電的電源輸出電壓為DC100V。開關(guān)電源在設計時均衡考慮了電源行業(yè)標準，除體積小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓精度高、紋波小等優(yōu)點以

49、外，在動態(tài)負載特性和電磁兼容性兩方面更具特色和優(yōu)勢。因此，戶內(nèi)永磁機構(gòu)中的電源最經(jīng)濟、最安全、最可靠的方法是采用開關(guān)電源為電容器充電，而后采用電容器放電的方式。電容器上充以恒定的DC100V操作電壓，即可為操動機構(gòu)的分閘或合閘線圈勵磁提供所需的脈沖電能。它能儲存完成一個完整OCO操作循環(huán)的低于250J電能。當這樣的一個操作循環(huán)結(jié)束后，電容器組在不足20S內(nèi)以2A的峰值電流重新充電。因此，若輔助電源發(fā)生故障，儲能鋁電解質(zhì)電容器事先儲好的電能可確保開斷操作能進行一個完整的OCO操作循環(huán)。3.4.2 高壓真空斷路器分、合閘狀態(tài)的檢測永磁機構(gòu)高壓真空斷路器必須保證可靠地處于分、合閘位置，決不允許出現(xiàn)中

50、間狀態(tài)的故障位置，一旦出現(xiàn)故障位置，應能及時給出警報。同時，永磁機構(gòu)在動鐵心運動到分、合閘位置后，為避免熱損耗和電源損耗，應及時進行斷電。這也要求必須對斷路器的分、合閘狀態(tài)進行精確檢測。如果采用傳統(tǒng)的有觸點輔助開關(guān)，由于運行環(huán)境復雜容易產(chǎn)生污染、觸頭氧化等現(xiàn)象，經(jīng)常會使觸頭接觸不良，甚至失效，從而導致觸點開關(guān)不能準確判定觸頭的位置。因此，現(xiàn)在常使用電子開關(guān)和非接觸式傳感器來取代傳統(tǒng)的觸點輔助開關(guān)。當接收到來自手動、自動控制模塊的分、合閘指令時，送至CPU，邏輯控制回路會根據(jù)分、合閘位置采樣模塊發(fā)出的高、低電平（代表相應的分合閘位置信息），自動檢測當前斷路器狀態(tài)，以決定是否執(zhí)行分、合閘指令。若分

51、、合閘指令同時收到，則CPU會通過邏輯控制器及時閉鎖合閘命令而響應分閘指令；若電網(wǎng)一次側(cè)電源監(jiān)測回路監(jiān)測到過電流或過電壓、欠電壓信號，CPU模塊也會通過邏輯控制器及時閉鎖合閘命令而發(fā)出分閘指令。3.4.3 CPU模塊Microchip公司推出的PIC 16F877是一款8位單片機，它采用精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)和FLASH存儲技術(shù)，相比于其它類型的單片機，具有以下特點：1) 運行速度快。該單片機在結(jié)構(gòu)上采用了兩級流水線的哈佛總線結(jié)構(gòu)，指令的讀取和執(zhí)行采用流水線方式，使得單條指令(GOTO、CALL指令除外)的執(zhí)行基本上可在一個周期內(nèi)完成。另一方面，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度，

52、便于實現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化，有利于提高CPU的處理速度。該系列單片機是目前世界上速度最快的品種之一。2) 擴展功能豐富，功能強大。PIC 16F877單片機不同程度地將各種外圍功能模塊集成于內(nèi)部，如A/D模塊、EEPROM、捕捉比較 脈寬調(diào)制器、I2C 和SPI串行總線端口等，減少了外圍器件的使用，簡化了電路板的設計，提高了系統(tǒng)可靠性。3) 邏輯結(jié)構(gòu)清晰。該單片機采用了精簡指令集(RISC)技術(shù)，其指令系統(tǒng)只有131條指令，大多指令為單時鐘周期指令，其尋址方式也得到了簡化，簡單易學。該系列單片機的一個很大的特色是廣泛使用了可位尋址的特殊功能寄存器，只要將命令寫入這些特殊功能寄存器，就可以方便靈

53、活地控制各功能模塊，易于編制程序。另外，PIC 16F877單片機還有可在線編程，上電、掉電延時復位保護和看門狗功能， I/O管腳驅(qū)動能力和抗干擾能力強。 本設計中的微處理器采用高性能的PIC 16F877，它具有8kB4個片內(nèi)Flash程序存儲器，368kB8個片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，256kB8個EEPROM數(shù)據(jù)存儲器及10位多通道A/D轉(zhuǎn)換器。由于采用PIC16F877可以無需其它許多外圍元器件，所以控制器的硬件線路簡單，降低了成本，而且大大提高了可靠性。3.4.4 信號輸入單元控制器的輸入信號有反映開關(guān)狀態(tài)與手動操作的開關(guān)量信號、來自電壓互感器與電流互感器的模擬量信號、撥碼開關(guān)的設置

54、參數(shù)等。數(shù)字量通過光電耦合器可以很方便地實現(xiàn)隔離與變換，送入微控制器進行處理;模擬量要通過A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量來分析。交流電量信號輸入回路通常包括隔離變換器、濾波、超值保護與量化處理等部分。在電力系統(tǒng)中，電壓電流信號取自電壓互感器與電流互感器二次側(cè)，其額定值分別為100V/5A。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，這些電氣量會發(fā)生很大的變化(幾十倍)，因此必須將其轉(zhuǎn)換成微機系統(tǒng)可以接收的信號類型與范圍，并且須保證故障情況下也不會超過此范圍。光電耦合器件是利用光傳遞信息的，它是由輸入端的發(fā)光二極管和輸出端的光敏元件組成，輸入與輸出在電氣上是完全隔離的。其體積小、結(jié)構(gòu)簡單且使用簡便，可以根據(jù)現(xiàn)場實際干擾情況的

55、不同，組成各種不同的抗干擾電路對共模和差模干擾進行抑制。光電耦合器用在輸入、輸出間隔離的情況下，線路是很簡單的。這種隔離的作用不僅可應用于數(shù)字電路，也可以用在線性電路中。光電耦合器用于消除噪聲主要體現(xiàn)在兩個方面:一方面是防止輸入端的噪聲傳遞到輸出端，而只把有用信號傳送到輸出端。另一方面，由于輸入端到輸出端的信號傳遞是通過光來實現(xiàn)的，極間電容很小，絕緣電阻很大，因而輸出端的信號與噪聲也不會反饋到輸入端。使用光電耦合器時，應注意的是這種光電耦合器本身有1030pF的分布電容，所以工作頻率不能太高;另外在接點輸入時，應加RC濾波器，抑制接點的抖動。另外，用于低電壓時，其傳輸距離以100米以內(nèi)為限、傳

56、輸速率在10Kbps以下為宜。圖3-5 電壓模擬量輸入示意圖本系統(tǒng)需要采集的模擬信號共有8路，有三相電壓信號、三相電流信號、零序電壓和零序電流信號。從電壓互感器和電流互感器得到的電壓信號(100V)和電流信號(5A)進入控制器后還需要經(jīng)過進一步的調(diào)整轉(zhuǎn)換成CPU需要的02.5V電壓信號。然后信號再送到CPU進行處理。其中電壓模擬量輸入電路示意圖如圖4-5所示，電流模擬量輸入與之類似。由于本系統(tǒng)使用的PIC 16F877自帶10位A/D轉(zhuǎn)換器模塊，所以不用另外設計采樣電路。內(nèi)核用到兩個參考電平，即和，作為轉(zhuǎn)換范圍的上下限和讀數(shù)的滿量程值和“0”值。轉(zhuǎn)換數(shù)值在輸入信號大于時為滿量程值，小于等于時為

57、“0”。3.4.5 信號輸出單元信號輸出單元用于指示高壓真空斷路器的運行狀態(tài)。輸出信號有斷路器的分合閘狀態(tài)、斷路器執(zhí)行機構(gòu)的動作執(zhí)行情況(正常分閘或合閘、過流速斷分閘、失壓分閘、過壓欠壓分閘)、當前操作電壓是否可進行合閘或分閘、給電容器充電的開關(guān)電源的輸入電壓正常與否以及高壓真空斷路器操動機構(gòu)故障報警信號等。當斷路器處于合閘狀態(tài)時，標志斷路器合閘的指示燈亮;當斷路器處于分閘狀態(tài)時，標志斷路器分閘的指示燈亮;當分閘時電容器兩端的電壓大于規(guī)定值時，標志分閘電容電壓過量的指示燈亮;當合閘時電容器兩端的電壓大于規(guī)定值時，標志合閘電容電壓過量的指示燈亮;當斷路器處于合閘狀態(tài)，測量得到的電流互感器的二次電流值大于設定的過流定值，過流時間大于設定的延時定值，且此時分閘電容指示燈亮，斷路器就會跳開，過流