摘要:由于采用電子邏輯模塊和電力電子元件控制的永磁機(jī)構(gòu),提供了一個(gè)高度靈活的操動機(jī)構(gòu)平臺。基于這個(gè)平臺,通過不同的控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)同步、快速開合操作,實(shí)現(xiàn)高度的集成化和智能化。并且永磁機(jī)構(gòu)還被成功應(yīng)用于ABB新一代的真空接觸器,提高了接觸器的可靠性,降低了能耗。
關(guān)鍵詞:永磁操動機(jī)構(gòu)、同步開合、快速真空斷路器、真空接觸器
1引言
近二三十年來,真空斷路器在中壓配電領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展并逐漸取得支配地位。早期的真空斷路器嘗試過多種操動機(jī)構(gòu),其中也包括電磁操動機(jī)構(gòu)的型式:一個(gè)電磁線圈驅(qū)動器,加上分閘彈簧和必要的機(jī)械鎖扣系統(tǒng)。但是電磁線圈起動所需求的脈沖電流十分巨大,這對用戶的直流電源是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn),并且機(jī)械鎖扣系統(tǒng)增加了整體的復(fù)雜度,這些缺點(diǎn)限制了電磁操動機(jī)構(gòu)在斷路器上的發(fā)展。但是在操作功需求較小的真空接觸器上,電磁操動機(jī)構(gòu)得到了最廣泛的應(yīng)用。
目前主流的真空斷路器基本上都采用彈簧儲能操動機(jī)構(gòu)。在彈操機(jī)構(gòu)中,主彈簧存儲合分閘所需的所有能量,并通過傳動連接部件推動真空滅弧室動作。一臺制造精良的彈操真空斷路器,機(jī)械壽命可以達(dá)到30,000次以上,并僅需很少量的維護(hù)。
然而,電磁操動機(jī)構(gòu)零件數(shù)目少、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)并未被人們忘記。此外,磁力操動機(jī)構(gòu)的出力和行程特性與真空滅弧室的反力特性更具有天然的一致性。
2永磁操動機(jī)構(gòu)真空斷路器
相比起彈簧儲能操動機(jī)構(gòu),磁力操動機(jī)構(gòu)的出力特性與滅弧室的要求更加吻合:在合閘動作過程中,磁力操動機(jī)構(gòu)的出力隨著行程的增加,至觸頭閉合到位時(shí)出力將達(dá)到最大值。此外,磁力操動機(jī)構(gòu)也具有與滅弧室相近的動作總行程,這一點(diǎn)可以使磁力驅(qū)動器和滅弧室用最簡單的方式搞合甚至是直接連接。
將永久磁鐵使用在電磁操動機(jī)構(gòu)的研究實(shí)際上從1960年代中期就開始了,最初被選用的是鋁鐮鉆合金及鐵氧體一類永磁材料。然而這些材料或磁能密度過低導(dǎo)致驅(qū)動機(jī)構(gòu)體積龐大,或矯頑力不夠造成永磁體很快退磁,使得這些研究成果僅能保留在實(shí)驗(yàn)室之中。
ABBCalor-Emag公司于1997年利用電磁鐵和稀土材料合金欽鐵棚(NdFeB)永磁鐵的創(chuàng)新結(jié)合,成功開發(fā)出配永磁操動機(jī)構(gòu)的真空斷路器VM1如圖1。這是世界上第一種利用永磁原理并取得商業(yè)成功的斷路器。
依靠磁力機(jī)構(gòu)中的同一組永久磁鐵12，斷路器滅弧室可以被保持在正確的合分閘位置上而不需要消耗任何能量,這即是所謂的"雙穩(wěn)態(tài)"機(jī)構(gòu)。這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)使永磁機(jī)構(gòu)在繼承了磁力操動機(jī)構(gòu)與真空滅弧室特性吻合的優(yōu)勢的同時(shí),又避免了上文中提到的傳統(tǒng)電磁式操動機(jī)構(gòu)的主要缺陷:巨大起動脈沖電流、不可靠的機(jī)械鎖扣系統(tǒng)。永磁機(jī)構(gòu)斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)極為簡潔,零件數(shù)目降至不到傳統(tǒng)彈簧操動機(jī)構(gòu)零件數(shù)目(約160個(gè),不含標(biāo)準(zhǔn)件)的40%,而可活動零件更下降到只有數(shù)個(gè)!由于斷路器故障的可能性隨著其可分離零件數(shù)量的增加而升高,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也表明,機(jī)械故障構(gòu)成了斷路器所有故障的主要部分,所以,一臺僅有數(shù)個(gè)可動零件的VM1永磁斷路器具有極高的可靠性,并能輕易地達(dá)到100,000次的機(jī)械壽命。
3永磁機(jī)構(gòu)的電子控制單元
為了適應(yīng)客戶的使用習(xí)慣,VM1永磁斷路器的電子控制單元具備了所有的傳統(tǒng)彈操斷路器的控制功能。與彈簧操動機(jī)構(gòu)不同的是,永磁機(jī)構(gòu)的控制單元與操動機(jī)構(gòu)共用一個(gè)電源,不需象傳統(tǒng)斷路器那樣,儲能電機(jī)準(zhǔn)備一套電源,二次控制線路準(zhǔn)備另外一套電源。
一個(gè)現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)負(fù)責(zé)電子控制單元的邏輯處理。只有在所有事先規(guī)定的條件都滿足時(shí),合分閘命令才可能被執(zhí)行。例如,當(dāng)斷路器處于分閘位置時(shí)(分閘位置的信號由機(jī)構(gòu)中的一個(gè)近接傳感器發(fā)出),儲能電容中的能量必須滿足執(zhí)行一次CO操作才允許被合閘。
合分閘線圈的勵(lì)磁回路由大功率MOSFET晶體管和可控硅控制。由于整個(gè)控制單元無觸點(diǎn),斷路器的使用壽命和可靠性得到了保證。在周圍空氣溫度為40℃ 時(shí),VM1斷路器控制單元(包括電源模塊)的MTBF(平均無故障時(shí)間)值高達(dá)62.5年。電子控制單元采用的是微電子元器件,工作電壓和耐壓水平低,外界電磁場干擾很容易使其失效或損壞。因此,嚴(yán)格的電磁兼容實(shí)驗(yàn)是必要的。按照國際電工委員會1990年發(fā)布了IEC10004-×《電氣與電子設(shè)備的電磁兼容性》的實(shí)驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn),VM1斷路器通過了各種開斷能力測試及嚴(yán)格的耐壓測試。此外,對電子控制單元還通過了大量的額外的機(jī)械壽命研究性試驗(yàn)。在某些試驗(yàn)中,焊接在電路板上質(zhì)量較大而引腳較小的部分元件偶爾會對電路板造成機(jī)械上的損傷雖然最終結(jié)果顯示控制單元的電氣回路正常。所有的這些元件都得到了修改并固定粘接在了電路板上,最終它們都順利通過了數(shù)次100000次的機(jī)械壽命試驗(yàn)。
電子控制系統(tǒng)與電力電子元件的應(yīng)用,為精確控制永磁機(jī)構(gòu)的動作特性提供了前所未有的手段,這一點(diǎn)對下文所介紹的各種擴(kuò)展用途的斷路器極為重要。
4永磁機(jī)構(gòu)斷路優(yōu)越性能及其應(yīng)用
(1)可實(shí)現(xiàn)同步開合
斷路器使用在開合電容或電感性負(fù)荷的場合時(shí),如果開合的時(shí)刻不適當(dāng),會引起涌流或是過電壓,進(jìn)而危及電網(wǎng)中相連的設(shè)備。抑制這些影響的一個(gè)有效的解決方案,即同步開合,也就是按相位和斷路器的固有動作時(shí)間操作。這種同步開合技術(shù)又稱選相開合或是波點(diǎn)開關(guān)技術(shù)。當(dāng)同步斷路器工作時(shí),不論何時(shí)接到由人工或遙控方式傳來的控制信號時(shí),其斷路器動作均同步于電網(wǎng)電源的電壓或電流。當(dāng)操作信號到來時(shí),控制單元保證斷路器的觸頭能精確地在正確位置合上或斷開。這樣,理論上可以做到開合特殊負(fù)載時(shí)完全沒有涌流或是過電壓的產(chǎn)生。
由于有太多的不確定因素,基于彈簧操動機(jī)構(gòu)的同步斷路器實(shí)現(xiàn)起來非常困難。在整個(gè)壽命期內(nèi),彈簧的儲能量,觸頭的磨損程度,機(jī)構(gòu)的摩擦力都難以精確的穩(wěn)定在一個(gè)確定的值。同時(shí)環(huán)境的影響也是一個(gè)變量。即便是這些因素都經(jīng)過大量的精確的計(jì)算并在外部的控制器中得到修正,由于彈操機(jī)構(gòu)在觸發(fā)后即處于不可控的脫扣自由狀態(tài),準(zhǔn)確的合分閘還是難以實(shí)現(xiàn)。并且,由于空間的限制,在一臺斷路器的殼體中安裝三套獨(dú)立的彈簧操動機(jī)構(gòu)也是一件困難的事情。
而采用永磁操動機(jī)構(gòu)的斷路器允許在一個(gè)閉環(huán)的控制中使用某種補(bǔ)償算法將環(huán)境溫度、觸頭磨損,機(jī)構(gòu)老化等等因素都計(jì)算在內(nèi),并對脫扣命令發(fā)出后鐵心的運(yùn)動進(jìn)行全程控制。這樣即可保證在長期的運(yùn)行中斷路器的操作時(shí)間保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。永磁機(jī)構(gòu)的驅(qū)動部件結(jié)構(gòu)簡單且緊湊,為每相極柱配置一套獨(dú)立的磁力驅(qū)動器較彈操機(jī)構(gòu)而言更容易實(shí)現(xiàn)。圖2所示即為一臺基于VM1永磁操動機(jī)構(gòu)的同步斷路器。
基于VM1永磁操動機(jī)構(gòu)的同步斷路器正處于成熟化的階段。其額定的操作時(shí)間誤差為:
±1ms—合閘操作
±2ms—分閘操作
為了保證在整個(gè)服役期限內(nèi)斷路器的操作時(shí)間誤差小于規(guī)定的值在工廠內(nèi)采用了更加嚴(yán)格的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn):
±02ms—合閘操作
±1ms—分閘操作
圖3顯示了同步永磁斷路器的控制原理。信號處理和時(shí)間控制器是同步斷路器的一部分,它負(fù)責(zé)檢測系統(tǒng)的電壓及電流的實(shí)時(shí)值、接受合分閘的命令并決定何時(shí)向控制單元發(fā)出合分閘指令。
控制單元通過開關(guān)單元和合分閘線圈的勵(lì)磁電流傳感器閉環(huán)操作永磁機(jī)構(gòu)的運(yùn)動,并通過位置傳感器檢查斷路器是否在規(guī)定的誤差內(nèi)正確動作到位。
開關(guān)單元的主要功能是保證斷路器在預(yù)先設(shè)值的時(shí)刻正確動作。對永磁斷路器來說,動作分為兩個(gè)階段:
合閘或是分閘線圈通過電流,電磁鐵開始勵(lì)磁但是斷路器的銜鐵還未開始動作。這一階段控制勵(lì)磁線圈的MOSFET開關(guān)完全導(dǎo)通,控制單元無法進(jìn)行任何控制口
在勵(lì)磁電流的作用下,得了鐵開始運(yùn)動,控制單元開始操縱勵(lì)磁電流使斷路器在正確時(shí)刻動作到位。這一階段在某種程度上可以控制。
(2)可實(shí)現(xiàn)快速開合
由于電子控制單元及無觸點(diǎn)無延時(shí)電力電子器件的使用,永磁機(jī)構(gòu)斷路器的另一個(gè)重要優(yōu)勢是可以執(zhí)行極端快速的操作順序。這使得永磁斷路器特別適應(yīng)于關(guān)合時(shí)間低至60ms及無電流時(shí)間小于0.1s的快速自動重合閘操作。一個(gè)典型的永磁操動機(jī)構(gòu)可以在25ms內(nèi)分離觸頭并在50ms內(nèi)關(guān)合觸頭。
對于需要更高反應(yīng)速度的場合,ABB推出了FastVM1-switch快速開合斷路器。包括燃弧時(shí)間在內(nèi),12kVFastVM1-switch的分合閘時(shí)間皆小于20ms!對于50Hz系統(tǒng)而言FastVM1可以在一個(gè)周波內(nèi)完成開斷。FastVM1-switch的磁力驅(qū)動機(jī)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)VM1類似但其配備了更多的并聯(lián)儲能電容器以提供更高的操作電流DFastVMI-switch的機(jī)械壽命可達(dá)40,000次。
5最新應(yīng)用
現(xiàn)在，已經(jīng)廣泛使用真空斷路器上的永磁操動機(jī)構(gòu)的首次被應(yīng)用到了ABB創(chuàng)新設(shè)計(jì)的真空接觸器VSC上(圖4)。利用永磁機(jī)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)特性，不需要任何機(jī)械閉鎖
機(jī)構(gòu)或保持電流，VSC永磁真空接觸器也能可靠的保持在合分閘位置上。
與傳統(tǒng)電磁式操動機(jī)構(gòu)相同永磁機(jī)構(gòu)也具有極高的可靠性和非常長的壽命:VSC永磁機(jī)構(gòu)接觸器的機(jī)械壽命可以輕松達(dá)到1,000,000次。永磁機(jī)構(gòu)在真空接觸器上的應(yīng)用,完美地解決了傳統(tǒng)電磁式接觸器所遇到的種種缺陷。目前ABB可制造72kV和12kV兩個(gè)電壓等級的固定式VSC,可以安裝于MCC卡式開關(guān)柜中。安裝在手車底盤上的可抽出式永磁接觸器也即將推出。
VSC的整體結(jié)構(gòu)為上下布置式,安裝在一體成型的聚醋樹脂框架內(nèi)。VSC采用了 ABB為其開發(fā)的窄型"MAC"永磁機(jī)構(gòu)。與傳統(tǒng)型電磁操動機(jī)構(gòu)不同,MAC永磁機(jī)構(gòu)位于真空滅弧室的垂直的軸線延長線上,永磁機(jī)構(gòu)動鐵心與滅弧室動觸頭出線桿直接娟合,省去了機(jī)械傳動環(huán)節(jié)。直接搞合操作方式結(jié)構(gòu)簡單,完全呈直線的驅(qū)動力方向可以使滅弧室的動作更順暢可靠。同時(shí),沒有中間傳動環(huán)節(jié)的MAC 機(jī)構(gòu)動作行程極端精確,提高了產(chǎn)品的質(zhì)量一致性(圖5)。
MAC機(jī)構(gòu)為雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu),合分閘由不同的線圈分別驅(qū)動,但VSC為用戶提供了兩個(gè)版本的控制模式:
——SCO(單命令操作):當(dāng)輔助電源向接觸器供電時(shí)合閘。當(dāng)輔助電源被切斷或消失時(shí)接觸器分閘。
——DCO(雙命令操作):接觸器接受以脈沖方式發(fā)出的合閘命令并合閘。同樣,接觸器接收以脈沖方式發(fā)出的分閘命令并分閘。
可以看出,SCO方式相當(dāng)于不帶機(jī)械鎖扣裝置的傳統(tǒng)電磁機(jī)構(gòu)脫扣器操作模式DCO相當(dāng)于帶機(jī)械鎖扣裝置的傳統(tǒng)電磁脫扣裝置的操作模式。
VSC 是一個(gè)環(huán)境友好的產(chǎn)品,它按照ABB對環(huán)境承諾的可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)而設(shè)計(jì)口與同等規(guī)格的傳統(tǒng)的電磁式操動機(jī)構(gòu)相比,永磁機(jī)構(gòu)消耗的電能顯著下降:額定電流為7.2kV400A的VSC永磁接觸器持續(xù)工作時(shí)僅需一個(gè)不大于5W的電能供應(yīng)。即是在合分閘動作后的重新儲能期,也僅有一個(gè)持續(xù)數(shù)十毫秒的低于15W 的儲能電流。如果按照使用壽命為20年計(jì)算,相比傳統(tǒng)電磁機(jī)構(gòu)接觸器VSC通過節(jié)省的電能少向大氣排放了約7000憐的C020此外,VSC接觸器的主要塑料零部件的制造都遵循IS011469(2nded.15.05.2000)標(biāo)準(zhǔn),在其使用壽命終結(jié)后能簡單地分類以備回收使用。
6結(jié)語
研究表明,永磁操動機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、可靠性高的優(yōu)點(diǎn),由于永磁機(jī)構(gòu)采用電子邏輯模塊控制,且通過電力電子元件且可以實(shí)時(shí)操縱線圈的勵(lì)磁電流而影響動作特性,它提供了一個(gè)高度靈活的操動機(jī)構(gòu)平臺。基于這個(gè)平臺,通過不同的控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)同步、快速開合操作,實(shí)現(xiàn)高度的集成化和智能化。隨著電子元器件可靠性的進(jìn)一步提高,永磁操動機(jī)構(gòu)可望獲得更為廣泛深入的應(yīng)用。
作者:
黃明:(1975-),工程師,廈門ABB開關(guān)有限公司技術(shù)部元器件產(chǎn)品經(jīng)理。 |
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