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構,提供了一個高度靈活的操動機構平臺。基于這個平臺,通過不同的控制系統,可實現同步、快速開合操作,實現高度的集成化和智能化。并且永磁機構還被成功應用于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。
關鍵詞:永磁操動機構、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域得到了廣泛的發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構,其中也包括電磁操動機構的型式:一個電磁線圈驅動器,加上分閘彈簧和必要的機械鎖扣系統。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嚴峻的考驗,并且機械鎖扣系統增加了整體的復雜度,這些缺點限制了電磁操動機構在斷路器上的發展。但是在操作功需求較小的真空接觸器上,電磁操動機構得到了最廣泛的應用。
目前主流的真空斷路器基本上都采用彈簧儲能操動機構。在彈操機構中,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,機械壽命可以達到30,000次以上,并僅需很少量的維護。
然而,電磁操動機構零件數目少、可靠性高的優點并未被人們忘記。此外,磁力操動機構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永磁操動機構真空斷路器
相比起彈簧儲能操動機構,磁力操動機構的出力特性與滅弧室的要求更加吻合:在合閘動作過程中,磁力操動機構的出力隨著行程的增加,至觸頭閉合到位時出力將達到最大值。此外,磁力操動機構也具有與滅弧室相近的動作總行程,這一點可以使磁力驅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構的研究實際上從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致驅動機構體積龐大,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驗室之中。
ABBCalor-Emag公司于1997年利用電磁鐵和稀土材料合金欽鐵棚(NdFeB)永磁鐵的創新結合,成功開發出配永磁操動機構的真空斷路器VM1如圖1。這是世界上第一種利用永磁原理并取得商業成功的斷路器。
依靠磁力機構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"雙穩態"機構。這種創新的設計使永磁機構在繼承了磁力操動機構與真空滅弧室特性吻合的優勢的同時,又避免了上文中提到的傳統電磁式操動機構的主要缺陷:巨大起動脈沖電流、不可靠的機械鎖扣系統。永磁機構斷路器的機械結構極為簡潔,零件數目降至不到傳統彈簧操動機構零件數目(約160個,不含標準件)的40%,而可活動零件更下降到只有數個!由于斷路器故障的可能性隨著其可分離零件數量的增加而升高,統計數據也表明,機械故障構成了斷路器所有故障的主要部分,所以,一臺僅有數個可動零件的VM1永磁斷路器具有極高的可靠性,并能輕易地達到100,000次的機械壽命。
3永磁機構的電子控制單元
為了適應客戶的使用習慣,VM1永磁斷路器的電子控制單元具備了所有的傳統彈操斷路器的控制功能。與彈簧操動機構不同的是,永磁機構的控制單元與操動機構共用一個電源,不需象傳統斷路器那樣,儲能電機準備一套電源,二次控制線路準備另外一套電源。
一個現場可編程門陣列(FPGA)負責電子控制單元的邏輯處理。只有在所有事先規定的條件都滿足時,合分閘命令才可能被執行。例如,當斷路器處于分閘位置時(分閘位置的信號由機構中的一個近接傳感器發出),儲能電容中的能量必須滿足執行一次CO操作才允許被合閘。
合分閘線圈的勵磁回路由大功率MOSFET晶體管和可控硅控制。由于整個控制單元無觸點,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,VM1斷路器控制單元(包括電源模塊)的MTBF(平均無故障時間)值高達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,嚴格的電磁兼容實驗是必要的。按照國際電工委員會1990年發布了IEC10004-×《電氣與電子設備的電磁兼容性》的實驗方法和標準,VM1斷路器通過了各種開斷能力測試及嚴格的耐壓測試。此外,對電子控制單元還通過了大量的額外的機械壽命研究性試驗。在某些試驗中,焊接在電路板上質量較大而引腳較小的部分元件偶爾會對電路板造成機械上的損傷雖然最終結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次100000次的機械壽命試驗。
電子控制系統與電力電子元件的應用,為精確控制永磁機構的動作特性提供了前所未有的手段,這一點對下文所介紹的各種擴展用途的斷路器極為重要。
4永磁機構斷路優越性能及其應用
(1)可實現同步開合
斷路器使用在開合電容或電感性負荷的場合時,如果開合的時刻不適當,會引起涌流或是過電壓,進而危及電網中相連的設備。抑制這些影響的一個有效的解決方案,即同步開合,也就是按相位和斷路器的固有動作時間操作。這種同步開合技術又稱選相開合或是波點開關技術。當同步斷路器工作時,不論何時接到由人工或遙控方式傳來的控制信號時,其斷路器動作均同步于電網電源的電壓或電流。當操作信號到來時,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載時完全沒有涌流或是過電壓的產生。
由于有太多的不確定因素,基于彈簧操動機構的同步斷路器實現起來非常困難。在整個壽命期內,彈簧的儲能量,觸頭的磨損程度,機構的摩擦力都難以精確的穩定在一個確定的值。同時環境的影響也是一個變量。即便是這些因素都經過大量的精確的計算并在外部的控制器中得到修正,由于彈操機構在觸發后即處于不可控的脫扣自由狀態,準確的合分閘還是難以實現。并且,由于空間的限制,在一臺斷路器的殼體中安裝三套獨立的彈簧操動機構也是一件困難的事情。
而采用永磁操動機構的斷路器允許在一個閉環的控制中使用某種補償算法將環境溫度、觸頭磨損,機構老化等等因素都計算在內,并對脫扣命令發出后鐵心的運動進行全程控制。這樣即可保證在長期的運行中斷路器的操作時間保持在一個穩定的水平。永磁機構的驅動部件結構簡單且緊湊,為每相極柱配置一套獨立的磁力驅動器較彈操機構而言更容易實現。圖2所示即為一臺基于VM1永磁操動機構的同步斷路器。
基于VM1永磁操動機構的同步斷路器正處于成熟化的階段。其額定的操作時間誤差為:
±1ms—合閘操作
±2ms—分閘操作
為了保證在整個服役期限內斷路器的操作時間誤差小于規定的值在工廠內采用了更加嚴格的檢驗標準:
±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。信號處理和時間控制器是同步斷路器的一部分,它負責檢測系統的電壓及電流的實時值、接受合分閘的命令并決定何時向控制單元發出合分閘指令。
控制單元通過開關單元和合分閘線圈的勵磁電流傳感器閉環操作永磁機構的運動,并通過位置傳感器檢查斷路器是否在規定的誤差內正確動作到位。
開關單元的主要功能是保證斷路器在預先設值的時刻正確動作。對永磁斷路器來說,動作分為兩個階段:
合閘或是分閘線圈通過電流,電磁鐵開始勵磁但是斷路器的銜鐵還未開始動作。這一階段控制勵磁線圈的MOSFET開關完全導通,控制單元無法進行任何控制口
在勵磁電流的作用下,得了鐵開始運動,控制單元開始操縱勵磁電流使斷路器在正確時刻動作到位。這一階段在某種程度上可以控制。
(2)可實現快速開合
由于電子控制單元及無觸點無延時電力電子器件的使用,永磁機構斷路器的另一個重要優勢是可以執行極端快速的操作順序。這使得永磁斷路器特別適應于關合時間低至60ms及無電流時間小于0.1s的快速自動重合閘操作。一個典型的永磁操動機構可以在25ms內分離觸頭并在50ms內關合觸頭。
對于需要更高反應速度的場合,ABB推出了FastVM1-switch快速開合斷路器。包括燃弧時間在內,12kVFastVM1-switch的分合閘時間皆小于20ms!對于50Hz系統而言FastVM1可以在一個周波內完成開斷。FastVM1-switch的磁力驅動機構與標準VM1類似但其配備了更多的并聯儲能電容器以提供更高的操作電流DFastVMI-switch的機械壽命可達40,000次。
5最新應用
現在，已經廣泛使用真空斷路器上的永磁操動機構的首次被應用到了ABB創新設計的真空接觸器VSC上(圖4)。利用永磁機構的雙穩態特性，不需要任何機械閉鎖
機構或保持電流，VSC永磁真空接觸器也能可靠的保持在合分閘位置上。
與傳統電磁式操動機構相同永磁機構也具有極高的可靠性和非常長的壽命:VSC永磁機構接觸器的機械壽命可以輕松達到1,000,000次。永磁機構在真空接觸器上的應用,完美地解決了傳統電磁式接觸器所遇到的種種缺陷。目前ABB可制造72kV和12kV兩個電壓等級的固定式VSC,可以安裝于MCC卡式開關柜中。安裝在手車底盤上的可抽出式永磁接觸器也即將推出。
VSC的整體結構為上下布置式,安裝在一體成型的聚醋樹脂框架內。VSC采用了 ABB為其開發的窄型"MAC"永磁機構。與傳統型電磁操動機構不同,MAC永磁機構位于真空滅弧室的垂直的軸線延長線上,永磁機構動鐵心與滅弧室動觸頭出線桿直接娟合,省去了機械傳動環節。直接搞合操作方式結構簡單,完全呈直線的驅動力方向可以使滅弧室的動作更順暢可靠。同時,沒有中間傳動環節的MAC 機構動作行程極端精確,提高了產品的質量一致性(圖5)。
MAC機構為雙穩態永磁機構,合分閘由不同的線圈分別驅動,但VSC為用戶提供了兩個版本的控制模式:
——SCO(單命令操作):當輔助電源向接觸器供電時合閘。當輔助電源被切斷或消失時接觸器分閘。
——DCO(雙命令操作):接觸器接受以脈沖方式發出的合閘命令并合閘。同樣,接觸器接收以脈沖方式發出的分閘命令并分閘。
可以看出,SCO方式相當于不帶機械鎖扣裝置的傳統電磁機構脫扣器操作模式DCO相當于帶機械鎖扣裝置的傳統電磁脫扣裝置的操作模式。
VSC 是一個環境友好的產品,它按照ABB對環境承諾的可持續發展的目標而設計口與同等規格的傳統的電磁式操動機構相比,永磁機構消耗的電能顯著下降:額定電流為7.2kV400A的VSC永磁接觸器持續工作時僅需一個不大于5W的電能供應。即是在合分閘動作后的重新儲能期,也僅有一個持續數十毫秒的低于15W 的儲能電流。如果按照使用壽命為20年計算,相比傳統電磁機構接觸器VSC通過節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)標準,在其使用壽命終結后能簡單地分類以備回收使用。
6結語
研究表明,永磁操動機構具有結構簡單、壽命長、可靠性高的優點,由于永磁機構采用電子邏輯模塊控制,且通過電力電子元件且可以實時操縱線圈的勵磁電流而影響動作特性,它提供了一個高度靈活的操動機構平臺。基于這個平臺,通過不同的控制系統,可實現同步、快速開合操作,實現高度的集成化和智能化。隨著電子元器件可靠性的進一步提高,永磁操動機構可望獲得更為廣泛深入的應用。
作者:
黃明:(1975-),工程師,廈門ABB開關有限公司技術部元器件產品經理。 |
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