1、 摘要 当今世界，电力在人们的日常生活和工业生产中有着相当重要的作用。在完善的电力系统中，断路器是必不可少的开关设备。断路器不仅可以可以切断系统运行时的空载电流和负荷电流，而且在电力系统出现故障时，可以与继电保护装置配合切断过负荷电流 ，对电力系统的安全稳定运行起着必不可少的作用。高压领域常选用高压真空断路器，不同于其他灭弧介质的断路器。高压真空断路器质量轻、结构简单、运行维护方便、不会对环境造成污染，所以一经采用，迅速发展为高压开关领域的主流。传统的高压真空断路器按其操动机构可分为电磁式和电动弹簧式，早期，电磁操动机构的较好地迎合了真空灭弧室的需求，得到了广大地发展和应用，但由于其机械结构复
2、杂故障率高而被新兴的永磁操动机构替代。永磁机构主要利用永磁体的磁力使得断路器保持在开断或者闭合位置 ，减少了机械部件的使用，既减轻了断路器的体积，也 使得故障发生的机滤大大减少。采用了永磁机构的断路器，可以与计算机技术相互结合，便于实现断路器控制的智能化 本论文以单片机为基础，设计一套高压真空断路器双稳态永磁机构的智能控制系统，实现保护、控制、测量、开关量监测等功能。实现对电压、电流、有功功率、无功功率的实时监测，并且具有过电流速断保护、过电压和欠电压保护、闭锁、自诊断以及报警等功能。 关键词：电力系统；断路器；永磁操动机构 0 前言 电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源 。电力系统是由电
3、能的生产、输送、分配和消费的各个环节组成的整体。根据电力在国民经济中的地位和作用，对电力系统运行有三点要求：（ 1）保证安全可靠供电；（ 2）保证良好的电能质量；（ 3）保证电力系统运行的经济性。智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，并被认为是 21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。 2001 年美国电力科学研究院创立了智能电网联盟，推动“ IntelliGrid”研究， 2003 年，美国能源部（ DOE） 发布“ Grid2030”，对美国未来电网远景进行阐述。我国关于智能电网方面的研究进展缓慢 ，起步较晚。 2007 年 10月，华东电网公司启动了智能电网可行性研究项目，密切
4、跟踪国际先进电力企业和研究机构对智能电网的研究，并结合华东电网的现状和今后发展的要求提出三个阶段的发展思路和行动计划 2010 年初步建成电网高级调度中心，2020 年全面建成具有初步智能特性的数字化电网， 2030 年真正建成具有自愈能力的智能电网。 2008 年，国家电网公司开始推行电力用户用电信息采集系统，规划用 3到 5年时间实现全网的电能信息采集。国家电网公司将分三个阶段推进坚强智能电网建设： 2009-2010 年是规划试点阶段，重点开展 坚强智能电网发展规划，制定技术和管理标准，开展关键技术研发和设备研制，开展各环节的试点； 2011-2015 年是全面建设阶段，将加快特高压电网
5、和城乡配电网建设，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广泛应用； 2016-2020 年是引领提升阶段，将全面建设成统一的坚强智能电网，技术和装备达到国际先进水平。 当前电力系统建设对作为开关设备的真空断路器的智能控制功能提出了更高的要求，诸如要求分合实时、高可靠性和免维护等。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。近来 ，在国内外中高压领域相继采用了永磁操动机构来取代传统的电磁式或电动弹簧式操动机构。永磁操动机构采用一种独特的结构和工作原理，依靠永久磁铁实现机构终端位置的保持功能，取代了传统操动机构中的机械脱扣和锁扣功能。由电磁线圈提供操动
6、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。本文基于永磁机构的工作原理和结构特点，提3 出了用单片机测控系统对永磁机构的分、合闸进行控制，并对永磁机构的同步关合技术进行了分析。 同步关合技术，也成为选 相分合闸，是为了抑制操作过电压和提出的，早期因为技术水平原因只是长期停留在理论阶段，随着高压电器制造水平的提高和微电子自动控制技术的进步，该技术已经得到实现，产品正在不断发展并投入运行本次设计针对传统真空断路器传动机构复杂、运动时间分散性大、运动可控性差、响应速度慢，难实现精确控制现状，研究了配双稳态永磁
7、机构高压真空断路驱动器的智能控制技术。 本论文对高压真空断路器的永磁操动机构及其国内外发展现状进行详细介绍，阐述永磁机构的优点及其工作原理，针对双稳态真空断路器的工作原理与结构特点提出了智能控制器的基本结构 框架。 1 概述 本章重点介绍了永磁操动机构这一新型操动机构的发展状况与前景，以及对永磁机构进行研究将重大意义，并对同步关合技术及其在现实中的重要意义做了简要介绍 1.1 设计研究的内容和意义 随着微控制器技术、电力电子技术与智能控制理论的迅速发展及其在电器领域的广泛应用，结合当前智能电网建设与发展，对断路器的控制智能化提 出了新的要求。断路器是电力系统继电保护的重要终端设备之一，它的智能
8、化的水平对电力系统的稳定运行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应有以下几个特点：断路器可以检测自身的状态并判断是否故障，对电网的故障诊断和信息遥信技术，自动重合闸，同步关合技术等。 同步关合技术，就是指断路器动、静触头在控制系统的控制下，在电力系统是电压波形的指定相角处关合，使得空载变压器、电容器和空载线路等电力设备在对自身和系统冲击最小的情况下投入电力系统的一种智能控制技术。同步关合技术可以降低合闸操作暂态过程中 的过电流和过电压，从而可以提高电力设备的寿命和系统的稳定性。 永磁操动机构自一出现，因其自身的优势迅速取代了传统的操动机构而在断路器中获得广泛应用。 首先
9、，永磁机构可实现机械上的高可靠和少维护甚至免维护。 IEC(国际电工委员会 )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需要维护，其它零件只需要很少维修”的一种断路器定义为“ E2 级少维护断路器”，国际上也统称为“免维护断路器”。尽管免维护功能的实现需要从产品整体设计、制造入手，需要全方位综合考虑，但首先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。由于永磁机构通过将电磁操动机构与永久磁铁特殊结合，可以实现传统断路器机构的全部功能，其5 结构上与传统机构的最大区别在于无需脱扣闭锁装置即可实现机构终端位置的保持功能，所用零部件数目大大减少，断路器的
10、机械可靠性必然大大上升。 其次，永磁机构还可实现断路器控制技术的智能化。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是智能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
11、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。由于永磁机构采用了全新的工作原理，因此也产生了一系列新的理论问题。尽管国外已有产品问世，但由于永磁机构技术试电工学、力学、计算方法、电力电 子技术、微机技术、控制理论及新型材料科学在断路器上的综合应用，这一领域系统的理论还远未成熟，实质性的反映技术关键的理论研究成果还未见公开报道。因此应该结合永磁机构的开发研究永磁机构技术的电磁机理和控制理论，解决支撑这一技术的理论问题，并在理论与实验研究相结合的基础上，为这一领域形成较完善的理论奠定基础。并为下一代实现同步关合、抑制操作过电压和提高开断能力奠定基础。 1.2 永磁操动机构的发展现状与
12、前景 随着高压真空断路器理论研究水平和制造技术的不断提高，高压真空断路器成为高压开关领域的一个重要的发展方向。真空断路器的发展主要体现在两个方面：真空灭弧室研制水平和操动机构技术水平。 目前，发展“智能化开关设备”已成为智能电网发展的必然趋势和要求，传统断路器只是被动执行分合闸操作，其操作指令来源于人工命令或继电保护单元的动作信号，断路器自身无检测、判断电力系统故障和监视自身运行状态的功能。智能高压真空断路器包括对断路器外围控制电路和检测智能化以及分合闸操作智能化，智能控制系统通过采集和分析断路器的运行数据，提供 动作信号或断路器能够根据检测到的不同故障电流信号，自动选择操动机构及灭弧室预先设
13、计的设定的工作条件获得实际开断时电气和力学性能上的最佳效果。永磁操动机构以数字信号处理器为核心，可以实时获取断路器的状态信息，经过一定的算法，通过控制机构的分合闸线圈电流，即可实现对断路器的智能化控制。 因为智能型断路器具有许多传统断路器所无法比拟的优点 ,其研制受到国内外的普遍重视 “自 1985 年出现第一台以微处理器为基础的智能型断路器以来 ,法国梅兰日兰 (MG)公司、日本寺崎公司和美国西屋公司等相继开发了带微处理器的智能断路器 “九 十年代 ,国外许多公司又相继开发出智能断路器的集中控制和检测系统 ,包括有多种平台和相应软件支持的中央计算机控制系统 !智能化断路器的对话模块、低压配电
14、装置。世界上第一台永磁操作机构模型诞生于 1989 年 ,它是由英国曼彻斯特大学系统与能量组为 GEC 公司设计开发 ,也因此掀起了世界各国开发永磁操作机构的热潮。 ABB 公司于 1997 年成功研制了 VM1 型配永磁机构的真空断路器 ,从此永磁操作机构开始逐步运用到生产实际工作之中。 我国对永磁机构的研究起步较晚 ,但发展迅猛，自从引进后，很快得到了国内众多科研院所和高 等院校的重视 ,并做了大量深入的研究工作。 1998 年 ,沈阳工业大学和西安森源电气有限责任公司联合着手研究开发 12kV VSm 永磁机构真空断路器 ,并取得阶段性成果。 2000 年 6 月 ,其联合研制的首批样机
15、在西高所国家高压电器质量监督检测中心顺利通过了 12kV,1250/3lkA 规格 VSm 的试验测试 ,整机也通过了 EMC 试验 ,达到了国际领先先进水平。这在国内掀起了永磁机构研究热潮 ,如锦州华光电器有限责任公司、北京华东开关厂、常州森源开关有限公司等国内著名的断路器生产企业相继投入大量人力物力财力成立 企业研发小组研制开发类似的永磁机构真空断路器 ,使高性能的钕铁硼稀土永磁材料在永磁机构中得到更加广泛应用。但是如何使永磁机构更加智能化、小型化就成为目前研究的热点问题。目前 ,我国 12KV 的真空断路器广泛采用了永磁操动机构，在将永磁机构技术成功应用于中压断路器的基础上可考虑进一步扩
16、展永磁机构应用范围的可能性，中低压断路器开关操作频繁，机械寿命是较严格的考核指标，鉴于永磁机构结构简单可靠、耐磨损的特点，永磁机构在低压开关领域具有较大的优势。配用永磁操动机构的 VSm 型户内高压真空断路器是国内7 第一个实现免维护概念的断 路器。其高寿命的真空灭弧室以及环氧浇注固封极柱的免维护，配用的高可靠性永磁操动机构的免维护，电子控制部分摒弃传统的辅助开关而代之以光电接近开关，并采用全电子化电源和智能控制单元保证了电子控制部分的免维护。 VSm 真空断路器采用 MS1 型永磁操动机构。该机构利用一种双稳态的磁路系统，使用两个激磁线圈驱动动铁芯运动到相应的极限位置，并利用高性能永磁体所提
17、供的磁场能量，使之保持在极限位置。激发其中一个激磁线圈使之产生大于剩余保持力的驱动力，即可使永磁机构的动铁芯动作。当控制系统出现故障时，可用手动分闸操作装置紧急分断 断路器。 MS1型永磁操动机构省去了传统机构复杂易损的储能、锁扣等机械装置，简化了结构，其零件数量较传统机构减少了 70%以上，从而大大提高了机构的可靠性和寿命。同时由于采用了电容作为操作电源，也避免了传统机构对大容量专用电源的依赖以及辅助电源波动对机动作的影响。性能卓越的 MS1 型永磁操动机构可长期频繁操作，并真正做到永久性免维护。在 40.5KV 级和 72.5Kv 级真空断路器上配用永磁机构已经开始了研制，由于断路器触头开
18、距较大，可考虑采用单相直动式操作，并可考虑将同步技术应用于较高电压等级，因此，将永磁机构应用于 高电压等级的断路器也具有很大的发展前景。 2 永磁操的机构 永磁操动机构作为一种新型的操动机构，自已产生就因为其无可比拟的优点得到了广泛应用。而它之所以具有比传统高压真空断路器更优越的性能，与其结构与独特的工作原理是密不可分的。 2.1 永磁操动机构的优点 永磁机构是一种用于中高压真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构，它在工作时主要运动部件只有一个，无需传统电动弹簧式机构的机械脱扣、锁扣装置，其故障源少，具有较高的可靠性 .采用永磁操动机构的高压真空断路器在开关机械性能上具有较高可靠性，可实
19、现少维护甚至 免维护并可实现操作性能上的智能化。 与传统高压真空断路器采用的的电磁机构或电动弹簧式操动机构相比，永磁操动机构具有如下优点： （ 1）永磁操动机构的机械结构简单，运动部件少，机械可靠性较以往有很大的提高。 （ 2）永磁操动机构的保持力为永磁体的磁力，不会产生传统操动机构那样的操作失误，便于实现免维护运行。 （ 3）永磁操动机构的输出特性能够与高压真空断路器的开关机械特性很好地匹配，这就使得断路器的分、合闸操作能够达到良好的速度特性。 （ 4）永磁操动机构的机械传动机构非常简单，通过励磁电流的分、合闸线圈的产生的磁场 直接驱动动铁芯，动铁芯直接连着主轴。采用这样的结构，动作部件少，
20、使得操动机构具有更好的可控性，为高压真空断路器实现智能化控制打下了基础。 2.2 永磁机构的结构 永磁机构分为单稳态永磁机构和双稳态永磁机构。图 2-1为双稳态永磁机构的结构原理图。 图 2-1双稳态永磁机构剖面图 9 在上面的剖面图中， 1 是静铁心 ,是操动机构的磁路通道 ;2为动铁心 ,是整个机构中最主要的动部件 ;3、 4是永久磁体 ,为机构提供永磁保持时所需要的吸力 ;5、 6 为合闸线圈和分闸线圈 ;7 是驱动杆 ,是操动机构与断路器传动机构之间的连接纽带。 当断路器处于合闸或分闸位置时，分、合闸线圈中没有电流通过，永久磁铁利用动、静铁心提供的低磁阻抗通道通过永磁体的吸引力将动铁心
21、固定在上、下极限位置，而不需要复杂机械联锁装置。当有动作信号时，分闸或合闸线圈中通过励磁电流，产生磁动势，动、静铁心中的磁场由分闸或合闸线圈产生的磁场与永久磁体产生的磁场叠加合成，动铁心在合成磁场的作用力的作用下可上下运动，并通过传动杆及传动机构推动断路器的动触头运动，完成分闸或合闸任务。动铁心在行程终止的两个极限位置时，不需要消耗任何能量即可保持，即能实现所谓的永磁保持。而在传统的电 磁机构中，动铁心是通过弹簧的作用被保持在行程的一端，而在行程的另一端，需要靠机械锁扣或电磁能进行保持。由上述可知，永磁机构是通过将电磁铁与永久磁体特殊结合，来实现传统断路器操动机构的全部功能 :由永久磁铁代替传
22、统的脱扣和锁扣机构来实现动铁心在行程极限位置的保持功能，由通电的合、合闸线圈来提供操作时需要的能量。 双稳态永磁机构具有如下优点 （ 1)机械寿命长，可靠性高。由于永磁机构采用的机械零部件数量较少，机械结构简单，运动部件只有一个动铁心，所以永磁机构的机械寿命特别长，操作次数可以达到 10 万次甚至更高。由于没 有容易出现机械故障的机械锁扣装置和其它高速运动部件，永磁机构几乎不会发生机械故障的概率。 （ 2)分、合闸操作时间短，时间分散性小。永磁操动机构的机械传动部分结构非常简单，由分、合闸线圈励磁电流产生的磁场与永磁体的磁场共同作用下的合成磁场驱动动铁心，动铁心直接推动高压真空断路器的主轴作分
23、合、闸运动，这种传动方式简单而且直接，使得永磁机构的分、合闸时间比较短而且分散性小，非常稳定，可将分合闸时间的分散性可以控制在 1ms 之内。 （ 3)永磁机构可以用储能电容器或蓄电池做操作电源，也可采用小功率交流电源。这样永磁机构就保持了电动弹簧操动机构用小功率交流电源操作的优点，而不具有它结构复杂的缺点。储能电容可以用一个经过整流的小功率的交流电源进行充电储能，用门极关断 (GTO)晶闸管控制其对分合闸线圈的放电，结构简单、节省电能。 （ 4)永磁操动机构可以配用现代化的电子控制装置，适应配电自动化的要求并进一步实现对高压真空断路器的智能控制。现代化的电子控制系统不仅可以完成分、合闸控制，
24、还可以完成某些继电保护、通信、遥控、在线检测等功能。电子控制装置还可 以精确发出分合闸信号，为同步开关创造条件。 结合上述优点，在中高压领域较常采用的是双稳态的永磁机构。 2.3 双稳态永磁机构的工作原理 图 2-3 双稳态永磁机构工作原理 双稳态永磁机构的工作原理如图 2-3 所示。其静铁心 1 的中部镶有永久磁体 4 和 5，两个永磁体的同名磁极向着中心线。永磁体的下方和上方分别安装着合闸线圈 6和分闸线圈 3。动铁心 2 位于永久磁体和静铁心上下磁极之间。动铁心上的驱动杆 9穿过静铁心。此驱动杆可直接用来驱动断路器作合闸或分闸运动。动铁心理论上有三个平衡状态 :其一为动铁心位于静铁心的最上方， 动铁心的上端与静铁心的上磁极 8接触，见图 2-2中左上角分闸状态图。其二为动铁心位于静铁心的最下方，动铁心的下端与静铁心的下磁极 7 接触，见图 2-
