[科普中国]-永磁真空断路器智能控制

背景

随着微处理器技术，电力电子技术和智能控制理论的迅速发展及其在电器领域的广泛应用，人们提出了电器智能化的概念。断路器是电力系统继电保护的终端设备，其智能化的水平对电力系统的稳定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有以下几个特点：断路器自身状态的监测和故障诊断，对电网的故障诊断和信息远传技术，自动重合闸的智能控制，同步关合技术等。

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。近年来，在国内外中压领域相继研制出了永磁操动机构。永磁机构采用一种独特的结构和工作原理，由永久磁铁实现机构终端位置的保持功能，取代了传统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。

作用首先，永磁机构可实现机械上的高可靠和免维护。IEC标准和国家标准对“设计成在其预期的使用期间，主回路中开断用的零件不许要维护，其它零件只需要很少维修”的一种断路气定义为“E2级少维护断路器”，国际上也统称为“免维护断路器”。尽管实现免维护功能需要从产品整体设计、制造入手，全方位综合考虑，但毫无疑问首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。由于永磁机构是通过将电磁机构与永久磁铁特殊结合，来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须脱、锁扣装置即可实现机构终端位置的保持功能，零部件数目大大减少，因此必将大大提高断路器的机械可靠性。

其次，永磁机构还可实现操作性能上的智能化。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式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。1

发展历史永磁体很早就在开关的脱扣器中得到了应用。

20世纪60年代中期国外就有人试图发展永磁机构，由于当时还没有合适的永磁材料，并没有制造出具有商业价值的永磁机构。

20世纪80年代出现了钕铁硼稀土永磁材料。钕铁硼永磁材料具有极高的磁能积、很高的矫顽力和剩磁。稀土永磁材料的出现为永磁机构的发展创造了必要的条件。

在中压断路器领域，国外永磁机构技术的研究开始于20世纪80年代末，欧洲以英国和德国为代表。

1989年英国曼彻斯特大学系统与能量组为GEC公司设计了一台永磁机构模型。

1992年前后，永磁机构技术开始在英国工业应用。

1995年英国的Whipp&Bourne公司进一步改进了结构。1997年ABB Calor Emag开关设备公司在德刊上介绍了他们最新研制的VM1型配永磁机构的真空断路器，接着于1998年在汉诺威博览会上展出了样品，引起了各制造公司的极大重视。ABB公司的VM1所配的永磁机构是一种双稳态线圈结构，采用电容其作为充放电组件，可以实现充合闸操作。采用微电子逻辑电子线路组成的控制单元及传感智能单元，微电子逻辑电子线路控制单元具有强的电磁干扰抑制能力，并具有自诊断及可通讯功能。

继ABB公司研制开发出永磁机构真空断路器以后，国内很快开发出了具有自主版权的VSm型永磁机构真空断路器。该断路器具有零部件少、结构简单、可靠性高、寿命长（机械寿命高达10万次）、免维护等特点。

目前，我国的钕铁硼永磁材料特性水平达到了世界先进水平，已有较先进的加工制造能力和成熟的应用经验。而永磁操动机构的优越性使得国内一些断路器生产厂家和科研院所越来越关注永磁机构的研制。2

设计原则永磁机构真空断路器智能控制系统作为供电设备的基本控制与保护单元，应能够保障在控制、保护对象的任何工作状态下可靠工作，并对开关设备自身工作状态进行监测与控制。为了提高断路器的分断能力与使用寿命，断路器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

在数据采集与处理系统设计时，要充分考虑数据采集和处理采用的方法，以保证数据采集与处理的实时性;同时在控制算法设计时，要考虑算法的快速性和收敛性原则，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，并且存在很强的干扰，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提出了严格的要求。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，以保证采样数据的准确性与设备工作状态判断的准确性。

3)安全性

作为一种实时针对高压设备的控制系统，必须保证生产安全、人员安全和设备安全，需要采取对应于控制失效情况下的应急控制策略。3

总体设计由于永磁机构独特的操动和保持原理，所以其控制系统与传统的弹簧操动机构有很大的区别。智能控制断路器与普通断路器的最大区别在于它能通过智能操作单元对电网参数进行采集和处理，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光电信号，并通过逻辑判断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永磁机构的优越性。国内目前已经发展了用来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。

结构组成右图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。4

1)智能识别控制模块:它是智能控制单元的核心，由微控制器构成微机控制系统，能根据操作前所采集到的电网信息和主控制室发出的操作信号，自动识别当次操作时断路器所处的电网工作状态。显示断路器是否具备可以操动的条件、断路器的合分闸状态、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,供运行人员了解断路器的工作状态。并根据事先程序，决定对执行机构发出调节信息，从而使断路器发出相应的动作。

2)数据采集模块:它由小型电压、电流转换装置和高速多通道模/数转换器组成，随时接收断路器的合闸命令、分闸命令、失压跳闸信号、过流跳闸信号,接收传感器提供的断路器合分状态信号、断路器位置信号,接收系统电压、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形、处理,把数据由模拟量转换为数字量，供智能识别模块进行处理分析，使之满足智能控制模块的要求。

3)执行机构(调节装置):它由能接收定量控制信息的部件和驱动执行器组成，作用是用来控制合闸与分闸线圈的励磁。

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所示。

永磁机构中的分、合闸线圈必须受电励磁，从而产生电磁吸力方可驱动动铁心运动。永磁机构中的电容器上充以恒定的DC10V0操作电压，可为操动机构的分、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，如果不及时切断分闸或合闸线圈中的脉动电流，电容器模块分或合闸一次功耗就会很大，电容器模块上的电压就会下降到不能再为下一次合闸或分闸提供所需的脉冲电能，亦即不能完成一次CO(合分)操作，更谈不上完成一次O－0.3S－CO(分－0.3秒－合分)操作。因此必须及时切断分闸或合闸线圈中的脉动电流，这就要靠分合闸位置采样模块及CPU模块、驱动模块等共同完成。另外，要使智能断路器在各种环境下可靠工作，首先要解决的问题是电容器的使用寿命问题。电容器的使用寿命与环境温度有关，一般在105℃时，寿命为2000h，但工作温度低于50℃时，其寿命可达10年以上。所以设计控制单元时，应通过有效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输入到智能控制器。当检测到真空断路器的合闸或分闸位置时即刻发出高电平，将高、低电平送至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。

真空断路器的手动、自动控制电路结构原理示意图如图所示。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，则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，以决定是否执行分闸或合闸命令。3

工作过程智能断路器的工作过程如下:由微控制器为核心的智能控制单元时刻采集电网的状态数据，智能识别模块根据所采集的数据对电网的状态进行快速识别，判断电网和断路器所处的状态，并随时根据识别结果控制调节装置动作。若采用同步操作技术，则要通过调节装置来改变操动机构参数，使断路器获得与当前系统工作状态相适应的运动特性。

另外，故障开断时要求断路器分合闸的时间尽可能短，不能因智能操作所增加的控制和调节装置而人为使断路器的分合闸时间延长。这可以从硬件结构和软件编程上着手，使因增加控制和调节装置而延长的时间限制在可接受的和可忽略的程度。

控制系统的硬件结构随着计算机技术的迅猛发展，微机控制技术得到了广泛的应用。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。永磁机构的控制系统硬件结构框图如图所示，系统的主控单元结合外围电路实现机构的控制。

充电单元：当电容器组的电压小于规定值时，对电容进行整流稳压限流充电。由于进行分、合闸操作时激励电流能达到几十安培，所以必须选用大容量电容，从而实现瞬间放电。电容储存的能量必须能够完成一次分－合分－合分操作。电容电压的检测可采用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。5

硬件模块设计永磁机构智能控制系统在电力行业的应用其可靠性应摆在首位，否则因产品的质量问题反而提高了配电网的故障率，这是与配电自动化应用的初衷相背离的。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使用，当硬件处理不当，如发生柜体漏电，高压从低压侧导线祸合或强电磁场干扰等情况时，都可能导致测控设备的误动作或永久性损坏。因此在硬件的设计上，应在充分考虑系统的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。硬件上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。

1、电源设计

给永磁机构中的分闸或合闸线圈通电，从而产生电磁吸力即可驱动动铁心运动，而且必须达到一定的励磁安匝数，才能满足真空断路器的分闸或合闸速度要求。要想在较短的时间内获得较大的脉动电流，目前有两种方案可供选择。其一是采用电容器;其二是采用蓄电池。这两种方案均可获得较为满意的结果。然而蓄电池作为电源需要考虑诸如过充电、过放电等问题，充电线路及保护电路较为复杂。

用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充电。因不必考虑充电过量的危险，所以不要求对精确的充电电流和充电时间进行监视。不存在化学污染或电极氧化问题，可以经受无数次短路，并可放电至任意电平都不会受损坏。除此之外，电容器还可以很容易地并联使用，而不会产生并联电池之间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的方法是采用电容器放电的方式。对于户外柱上真空断路器，由于现场电源不易解决，一般采用蓄电池等其它方式。作为给电容器充电的电源，必须考虑电容器的耐压，考虑实际分闸或合闸操作时控制器所需的电源电压。户内永磁机构中的电源实际使用的电压大多为DC100V左右，因而必须保证为电容器充电的电源输出电压为DC100V。开关电源在设计电源方案时均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，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O－CO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A2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O—CO操作循环。

2、断路器分、合闸状态的检测

永磁机构断路器必须保证可靠地处于分、合闸位置，决不允许出现中间状态等故障位置，一旦出现故障位置，应及时报警。同时，永磁机构在铁心运动到分、合闸位置后，为避免热损耗及电源损耗，应及时断电。这就需要对断路器的分、合闸状态进行检测。

如果用传统的有触点辅助开关，则由于污染、触头氧化，经常会使触头接触不良，甚至失效。因此，应使用电子开关和非接触式传感器来取代传统的辅助开关。当接受到来自手动、自动控制模块的分、合闸命令时，送至CPU，则逻辑控制器会根据分、合闸位置采样模块发出的高、地电平，自动检测断路器所处位置，以决定是否执行分、合闸指令。若分、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、CPU模块

Microchip公司推出的PIC 16F87X系列8位单片机是采用精简指令集(RISC)结构和FLASH存储技术的高性能的嵌入式单片机，相比于其它类型的单片机，有以下特点：

1) 运行速度快。PIC 16F87X 系列单片机在架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，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 16F87X系列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。PIC 16F87X系列单片机采用了精简指令集(RISC)技术，其指令系统只有35条指令，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，就可以方便灵活地控制各功能模块，易于编制程序。

另外，PIC 16F87X 系列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。该系列单片机的功能基本相近，只是在存储器大小、引脚数目、A/D转换器个数等有所区别，用户可方便地选择最适用的型号。

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CT与PT的模拟量信号、拨码开关的设置参数等。前者通过光电耦合器可以很方便地实现隔离与变换，送入MCU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元件和输出端的受光元件组成，输入与输出在电气上是完全隔离的。其体积小、使用简便，可以根据现场干扰情况的不同，组成各种不同的线路对共模和差模干扰进行抑制。光电耦合器用在输入、输出间隔离情况下，线路是很简单的。

这种隔离的作用不仅可以用在数字电路中，也可以用在线性(模拟)电路中。光电祸合器用于消除噪声是从两个方面体现的:一方面是使输入端的噪声不传递给输出端，只是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利用光来实现的，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，应注意这种光电耦合器本身有10~30pF的分布电容，所以频率不能太高;另外在接点输入时，应加RC滤波环节，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、传输速率在10Kbps以下为宜。

5、信号输出单元

信号输出单元用于指示断路器的运行状态。输出的信号有断路器的合分闸状态、断路器动作执行情况(正常合闸或分闸、过流速断分闸、失压分闸、过压欠压分闸)、操作电压是否满足合闸或分闸的要求、开关电源的输入电压是否正常以及断路器操动机构故障报警信号等。

当开关在合闸位置时，表示合闸位置的灯亮;当开关在分闸位置时，表示分闸位置的灯亮;当分闸电容的电压大于定值时，代表分闸电容电压的灯亮;当合闸电容的电压大于定值时，代表合闸电容的灯亮;当开关在合闸位置，测量电压大于设定的过流定值，过流时间大于设定的延时定值，且分闸电容灯亮时，开关跳开，过流速断灯亮。当开关在合闸位置，测量电压大于设定的过压定值，且分闸电容灯亮时，开关跳开，此灯闪烁;当失压保护投入，且线路二次电压低于某值时，失压灯亮;当重合保护投入，且微机判断此时满足重合闸条件，正在进行重合闸，或者已经重合闸完成，但没有对其进行复归操作时，重合灯亮。当机构进行合闸操作，但由于某些原因引起合闸不到位时，微机立即发出分闸命令，将开关分开，此时故障报警灯亮。控制器输出单元示意图如图所示。

6、硬件监控电路电源监控电路即带电压监控的复位电路。监控电路必须具备如下功能：

1)上电复位：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分一合过程中引起的抖动而影响复位。

2)掉电复位：当电源失效或电压降到某一电压值以下时，复位系统。在软件的设计当中，会设有软件看门狗的功能。但软件如果出现了问题，如死循环，硬件的监控保护显得更可靠，更放心。因为在实际的情况中，光靠软件看门狗防止程序“跑飞”是不安全的。需要有硬件的看门狗电路来防止系统出现的问题，保证系统的正常运行。硬件监控电路如图所示。它在电源开、关和电压不足时(小于门槛电压)给微处理器发出一个复位信号，门槛电压可选。图中R2和S1构成的电路可实现手动复位。1

电磁兼容抗干扰技术电磁兼容性是考验智能控制器对阻尼震荡波、电快速瞬变脉冲群、浪涌(冲击)三类干扰信号时的抗干扰性现象，在线路中注入冲击电压时是否发生永久性损坏，在电快速瞬态或短脉冲或振荡波抗扰实验中，仅允许规定的暂时功能性失效。

电磁干扰产生于干扰源，它是一种来自外部的并有损于有用信号的电磁现象。过去，机电设备和系统通常对电磁干扰(即:静电、传导的电气干扰和辐射电磁场的干扰)不敏感，这些敏感问题的起因大多数是“低频”现象，如谐波和电压中断。

目前，电子元器件和设备的使用，使其对这些干扰更加敏感，尤其是“高频”和“瞬态”现象。电子元器件和设备的推广使用，大大增加了因电气和电磁的干扰而引起的误动作、损坏等危险性，使得电磁兼容的研究变得越来越重要。因此，电磁兼容性的考核对作为永磁机构中的重要组成部分的电源控制器是必不可少的。

对于电子装置的抗干扰，一般应注意以下几方面设计技术的应用：

1)频率设计技术。频率设计技术要解决的是频率兼容的问题，也是微控制器系统设计中的比较复杂的技术之一。微控制器系统要能使用同一频率源，保证频率特性要求。频率设计包括电平核实、最高工作频率设计以及降频和谐波分离(低频信号的频率不与高频信号成正倍数，特别是A/D转换速率)技术。

2)接地技术。接地技术包括两个方面，一方面是电源内阻分析技术，另一方面是接地点和地线设计技术。电源内阻的分析实际就是对电源最大瞬时功率的分析。接地点和地线分布设计的原则是做到频率隔离、功率隔离。频率隔离是指高低频系统分开，功率隔离是指弱功率和大功率分开。

3)电源技术。电源技术一方面包括了电源特性的设计，例如电源要保证有适当的容性电流吸收能力和功率裕度，另一方面还包括系统电源性质的选择，如使用电池还是使用整流，所需电源的种类，电源之间是否需要交换，集中供电还是分布式供电等。

4)布线技术。要降低各管脚和连线之间的相互影响，必须对分布参数加以限制。分布参数主要由系统的布线所决定。所以，布线是微控制器系统电磁兼容技术的关键，也是微控制器系统电磁兼容性设计的基本体现。

5)降频控制技术。对输出的高频信号，在保证系统正常工作的前提下尽量降低频率，对某些输出信号采取平滑措施。

与传统断路器控制系统区别相对于传统的断路器控制系统，永磁机构的智能控制有很大不同。

首先，永磁机构控制装置的电源一般由电容器组成，其控制部分多了一个电容器充电控制环节，用来稳定电容器的电压值，保证整个系统性能的稳定性。

其次，永磁机构没有脱扣装置，断路器的分、合闸动作完全靠给分、合闸线圈通电来完成，电容器作为分、合闸线圈动作的电源，其充、放电过程由逻辑部分来控制。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断路器控制的关键，它通过对断路器智能化测控单元输入的电压、电流的分析判断来识别线路过电流、短路、欠电压等故障，并发出指令由执行机构来完成动作。控制系统的另外一个特点是，采用新型电源系统解决操动电源问题，并可设计光纤接口，通过传递光纤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部分。3