摘要:由于采用电子逻辑模块和电力电子元件控制的永磁机构,提供了一个高度灵活的操动机构平台。基于这个平台,通过不同的控制系统,可实现同步、快速开合操作,实现高度的集成化和智能化。并且永磁机构还被成功应用于ABB新一代的真空接触器,提高了接触器的可靠性,降低了能耗。
关键词:永磁操动机构、同步开合、快速真空断路器、真空接触器
1引言
近二三十年来,真空断路器在中压配电领域得到了广泛的发展并逐渐取得支配地位。早期的真空断路器尝试过多种操动机构,其中也包括电磁操动机构的型式:一个电磁线圈驱动器,加上分闸弹簧和必要的机械锁扣系统。但是电磁线圈起动所需求的脉冲电流十分巨大,这对用户的直流电源是一个严峻的考验,并且机械锁扣系统增加了整体的复杂度,这些缺点限制了电磁操动机构在断路器上的发展。但是在操作功需求较小的真空接触器上,电磁操动机构得到了最广泛的应用。
目前主流的真空断路器基本上都采用弹簧储能操动机构。在弹操机构中,主弹簧存储合分闸所需的所有能量,并通过传动连接部件推动真空灭弧室动作。一台制造精良的弹操真空断路器,机械寿命可以达到30,000次以上,并仅需很少量的维护。
然而,电磁操动机构零件数目少、可靠性高的优点并未被人们忘记。此外,磁力操动机构的出力和行程特性与真空灭弧室的反力特性更具有天然的一致性。
2永磁操动机构真空断路器
相比起弹簧储能操动机构,磁力操动机构的出力特性与灭弧室的要求更加吻合:在合闸动作过程中,磁力操动机构的出力随着行程的增加,至触头闭合到位时出力将达到最大值。此外,磁力操动机构也具有与灭弧室相近的动作总行程,这一点可以使磁力驱动器和灭弧室用最简单的方式搞合甚至是直接连接。
将永久磁铁使用在电磁操动机构的研究实际上从1960年代中期就开始了,最初被选用的是铝镰钻合金及铁氧体一类永磁材料。然而这些材料或磁能密度过低导致驱动机构体积庞大,或矫顽力不够造成永磁体很快退磁,使得这些研究成果仅能保留在实验室之中。
ABBCalor-Emag公司于1997年利用电磁铁和稀土材料合金钦铁棚(NdFeB)永磁铁的创新结合,成功开发出配永磁操动机构的真空断路器VM1如图1。这是世界上第一种利用永磁原理并取得商业成功的断路器。
依靠磁力机构中的同一组永久磁铁12，断路器灭弧室可以被保持在正确的合分闸位置上而不需要消耗任何能量,这即是所谓的"双稳态"机构。这种创新的设计使永磁机构在继承了磁力操动机构与真空灭弧室特性吻合的优势的同时,又避免了上文中提到的传统电磁式操动机构的主要缺陷:巨大起动脉冲电流、不可靠的机械锁扣系统。永磁机构断路器的机械结构极为简洁,零件数目降至不到传统弹簧操动机构零件数目(约160个,不含标准件)的40%,而可活动零件更下降到只有数个!由于断路器故障的可能性随着其可分离零件数量的增加而升高,统计数据也表明,机械故障构成了断路器所有故障的主要部分,所以,一台仅有数个可动零件的VM1永磁断路器具有极高的可靠性,并能轻易地达到100,000次的机械寿命。
3永磁机构的电子控制单元
为了适应客户的使用习惯,VM1永磁断路器的电子控制单元具备了所有的传统弹操断路器的控制功能。与弹簧操动机构不同的是,永磁机构的控制单元与操动机构共用一个电源,不需象传统断路器那样,储能电机准备一套电源,二次控制线路准备另外一套电源。
一个现场可编程门阵列(FPGA)负责电子控制单元的逻辑处理。只有在所有事先规定的条件都满足时,合分闸命令才可能被执行。例如,当断路器处于分闸位置时(分闸位置的信号由机构中的一个近接传感器发出),储能电容中的能量必须满足执行一次CO操作才允许被合闸。
合分闸线圈的励磁回路由大功率MOSFET晶体管和可控硅控制。由于整个控制单元无触点,断路器的使用寿命和可靠性得到了保证。在周围空气温度为40℃ 时,VM1断路器控制单元(包括电源模块)的MTBF(平均无故障时间)值高达62.5年。电子控制单元采用的是微电子元器件,工作电压和耐压水平低,外界电磁场干扰很容易使其失效或损坏。因此,严格的电磁兼容实验是必要的。按照国际电工委员会1990年发布了IEC10004-×《电气与电子设备的电磁兼容性》的实验方法和标准,VM1断路器通过了各种开断能力测试及严格的耐压测试。此外,对电子控制单元还通过了大量的额外的机械寿命研究性试验。在某些试验中,焊接在电路板上质量较大而引脚较小的部分元件偶尔会对电路板造成机械上的损伤虽然最终结果显示控制单元的电气回路正常。所有的这些元件都得到了修改并固定粘接在了电路板上,最终它们都顺利通过了数次100000次的机械寿命试验。
电子控制系统与电力电子元件的应用,为精确控制永磁机构的动作特性提供了前所未有的手段,这一点对下文所介绍的各种扩展用途的断路器极为重要。
4永磁机构断路优越性能及其应用
(1)可实现同步开合
断路器使用在开合电容或电感性负荷的场合时,如果开合的时刻不适当,会引起涌流或是过电压,进而危及电网中相连的设备。抑制这些影响的一个有效的解决方案,即同步开合,也就是按相位和断路器的固有动作时间操作。这种同步开合技术又称选相开合或是波点开关技术。当同步断路器工作时,不论何时接到由人工或遥控方式传来的控制信号时,其断路器动作均同步于电网电源的电压或电流。当操作信号到来时,控制单元保证断路器的触头能精确地在正确位置合上或断开。这样,理论上可以做到开合特殊负载时完全没有涌流或是过电压的产生。
由于有太多的不确定因素,基于弹簧操动机构的同步断路器实现起来非常困难。在整个寿命期内,弹簧的储能量,触头的磨损程度,机构的摩擦力都难以精确的稳定在一个确定的值。同时环境的影响也是一个变量。即便是这些因素都经过大量的精确的计算并在外部的控制器中得到修正,由于弹操机构在触发后即处于不可控的脱扣自由状态,准确的合分闸还是难以实现。并且,由于空间的限制,在一台断路器的壳体中安装三套独立的弹簧操动机构也是一件困难的事情。
而采用永磁操动机构的断路器允许在一个闭环的控制中使用某种补偿算法将环境温度、触头磨损,机构老化等等因素都计算在内,并对脱扣命令发出后铁心的运动进行全程控制。这样即可保证在长期的运行中断路器的操作时间保持在一个稳定的水平。永磁机构的驱动部件结构简单且紧凑,为每相极柱配置一套独立的磁力驱动器较弹操机构而言更容易实现。图2所示即为一台基于VM1永磁操动机构的同步断路器。
基于VM1永磁操动机构的同步断路器正处于成熟化的阶段。其额定的操作时间误差为:
±1ms—合闸操作
±2ms—分闸操作
为了保证在整个服役期限内断路器的操作时间误差小于规定的值在工厂内采用了更加严格的检验标准:
±02ms—合闸操作
±1ms—分闸操作
图3显示了同步永磁断路器的控制原理。信号处理和时间控制器是同步断路器的一部分,它负责检测系统的电压及电流的实时值、接受合分闸的命令并决定何时向控制单元发出合分闸指令。
控制单元通过开关单元和合分闸线圈的励磁电流传感器闭环操作永磁机构的运动,并通过位置传感器检查断路器是否在规定的误差内正确动作到位。
开关单元的主要功能是保证断路器在预先设值的时刻正确动作。对永磁断路器来说,动作分为两个阶段:
合闸或是分闸线圈通过电流,电磁铁开始励磁但是断路器的衔铁还未开始动作。这一阶段控制励磁线圈的MOSFET开关完全导通,控制单元无法进行任何控制口
在励磁电流的作用下,得了铁开始运动,控制单元开始操纵励磁电流使断路器在正确时刻动作到位。这一阶段在某种程度上可以控制。
(2)可实现快速开合
由于电子控制单元及无触点无延时电力电子器件的使用,永磁机构断路器的另一个重要优势是可以执行极端快速的操作顺序。这使得永磁断路器特别适应于关合时间低至60ms及无电流时间小于0.1s的快速自动重合闸操作。一个典型的永磁操动机构可以在25ms内分离触头并在50ms内关合触头。
对于需要更高反应速度的场合,ABB推出了FastVM1-switch快速开合断路器。包括燃弧时间在内,12kVFastVM1-switch的分合闸时间皆小于20ms!对于50Hz系统而言FastVM1可以在一个周波内完成开断。FastVM1-switch的磁力驱动机构与标准VM1类似但其配备了更多的并联储能电容器以提供更高的操作电流DFastVMI-switch的机械寿命可达40,000次。
5最新应用
现在，已经广泛使用真空断路器上的永磁操动机构的首次被应用到了ABB创新设计的真空接触器VSC上(图4)。利用永磁机构的双稳态特性，不需要任何机械闭锁
机构或保持电流，VSC永磁真空接触器也能可靠的保持在合分闸位置上。
与传统电磁式操动机构相同永磁机构也具有极高的可靠性和非常长的寿命:VSC永磁机构接触器的机械寿命可以轻松达到1,000,000次。永磁机构在真空接触器上的应用,完美地解决了传统电磁式接触器所遇到的种种缺陷。目前ABB可制造72kV和12kV两个电压等级的固定式VSC,可以安装于MCC卡式开关柜中。安装在手车底盘上的可抽出式永磁接触器也即将推出。
VSC的整体结构为上下布置式,安装在一体成型的聚醋树脂框架内。VSC采用了 ABB为其开发的窄型"MAC"永磁机构。与传统型电磁操动机构不同,MAC永磁机构位于真空灭弧室的垂直的轴线延长线上,永磁机构动铁心与灭弧室动触头出线杆直接娟合,省去了机械传动环节。直接搞合操作方式结构简单,完全呈直线的驱动力方向可以使灭弧室的动作更顺畅可靠。同时,没有中间传动环节的MAC 机构动作行程极端精确,提高了产品的质量一致性(图5)。
MAC机构为双稳态永磁机构,合分闸由不同的线圈分别驱动,但VSC为用户提供了两个版本的控制模式:
——SCO(单命令操作):当辅助电源向接触器供电时合闸。当辅助电源被切断或消失时接触器分闸。
——DCO(双命令操作):接触器接受以脉冲方式发出的合闸命令并合闸。同样,接触器接收以脉冲方式发出的分闸命令并分闸。
可以看出,SCO方式相当于不带机械锁扣装置的传统电磁机构脱扣器操作模式DCO相当于带机械锁扣装置的传统电磁脱扣装置的操作模式。
VSC 是一个环境友好的产品,它按照ABB对环境承诺的可持续发展的目标而设计口与同等规格的传统的电磁式操动机构相比,永磁机构消耗的电能显著下降:额定电流为7.2kV400A的VSC永磁接触器持续工作时仅需一个不大于5W的电能供应。即是在合分闸动作后的重新储能期,也仅有一个持续数十毫秒的低于15W 的储能电流。如果按照使用寿命为20年计算,相比传统电磁机构接触器VSC通过节省的电能少向大气排放了约7000怜的C020此外,VSC接触器的主要塑料零部件的制造都遵循IS011469(2nded.15.05.2000)标准,在其使用寿命终结后能简单地分类以备回收使用。
6结语
研究表明,永磁操动机构具有结构简单、寿命长、可靠性高的优点,由于永磁机构采用电子逻辑模块控制,且通过电力电子元件且可以实时操纵线圈的励磁电流而影响动作特性,它提供了一个高度灵活的操动机构平台。基于这个平台,通过不同的控制系统,可实现同步、快速开合操作,实现高度的集成化和智能化。随着电子元器件可靠性的进一步提高,永磁操动机构可望获得更为广泛深入的应用。
作者:
黄明:(1975-),工程师,厦门ABB开关有限公司技术部元器件产品经理。 |
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