涡流斥力机构及其低压控制与保护技术

缪希仁, 王 田

(福州大学电气工程与自动化学院， 福建 福州 350116)

涡流斥力机构及其低压控制与保护技术

缪希仁, 王 田

(福州大学电气工程与自动化学院， 福建 福州 350116)

概述国内外涡流斥力技术仿真研究和样机设计两个方面的发展现状， 分析涡流斥力机构具有结构简便、 动作迅速的特点. 对带有涡流斥力机构的新型交流接触器样机进行动态特性测试， 证明其能够在接触器控制操作特性基础上实现快速动作. 结合短路故障早期检测技术， 通过实际的单相短路实验测试系统， 验证涡流斥力机构的低压短路故障快速分断有效性， 为兼具控制与保护功能的低压智能集成电器技术奠定基础.

涡流斥力; 快速开关; 低压电器; 早期检测; 集成电器

0 引言

智能电网发展， 对电力系统的可靠安全运行有着更高的要求. 电力开关作为控制和保护单元， 在电力系统中起着至关重要的作用. 而开关性能的优劣主要体现在触头的分合闸动作特性上， 同时分合闸动作又通过操动机构来实现. 但传统的操动机构存在动作速度过慢， 动作时间较长且时间分散性较大等不足， 限制了开关电器智能化技术的应用. 显然， 大幅提高操动机构的动作速度， 缩短其完成行程的时间， 不仅可以提高开关的分断能力， 保障电力系统的安全性和可靠性， 还能减小触头合闸弹跳和分闸弹振， 增加开关电器的使用寿命[1-3].

近年来， 国内外已开展利用涡流斥力技术实现操动机构快速动作的应用与研究， 且利用所研制的样机对其动作特性进行了测试， 验证了涡流斥力形成时间极短， 可有效实现快速动作的特性. 同时， 涡流斥力机构结构简单， 可在一定程度上减小机构故障几率. 本研究对国内外涡流斥力技术在快速开关电器的仿真研究和样机研制两个方面进行了归纳和总结， 并提出涡流斥力技术趋势及其技术研究方向. 同时， 针对传统交流接触器动作速度慢等问题， 将涡流斥力技术引入低压电器， 利用其动作时间极短的特性， 提出基于涡流斥力机构的新型低压电器技术， 且将其与短路故障早期检测技术相结合， 指出其不仅可以实现线路正常时的接通与分断， 还能切断一定容量的短路故障电流， 为实现控制与保护功能的智能集成电器提供更加有利的结构特性与动作特性.

1 涡流斥力机构的工作原理

根据不同的使用场合， 传统操动机构主要包括手动操作机构、 弹簧操作机构、 电动机操作机构和电磁操作机构等. 其中， 手动操作机构结构简单、 运行可靠、 无需其它操作能源， 但合闸力小、 合闸时间长， 无法远距离操作和自动重合闸； 弹簧贮能操作机构成套性强不需要配备附加设备， 但结构复杂， 加工工艺及材料性能要求高； 电动机操作机构合闸功小， 合闸特性较差， 一般设计成储能式且储能时间长达10～20 s， 不适用于快速合闸和快速重合闸； 电磁操作机构动作时间通常大于10 ms， 不具备快速动作特性[4-5].

上述4种传统的操作机构因其固有的机构特性， 均无法满足开关电器对机构快速性和可靠性的要求， 亟需新型的具有结构简单、 动作快速特点的操动机构. 近年来， 由于高速涡流斥力机构具有运动时间短、 初始加速度大等优势， 国内外越来越多的学者开始对其展开研究， 并且成功将其运用到许多场合及产品， 促进涡流斥力机构研究取得较大进展.

图1 涡流斥力机构工作原理图

涡流斥力机构的工作原理如图1所示， 其主要由励磁控制回路和斥力动作机构所组成. 励磁电路由大容量储能电容作为放电能量源， 首先先对电容进行充电， 通过控制大功率晶闸管完成对线圈盘的放电， 在空间中瞬间产生强磁场. 根据物理学的知识可知， 该磁场可分为轴向磁场和切向磁场， 斥力盘在轴向磁场的作用下感应出与线圈电流方向相反的涡流， 切向磁场与涡流相互作用产生电磁斥力， 即斥力盘受到沿Z轴正方向的作用力推动斥力盘动作. 斥力盘则带动连杆机构， 强力推动触头机构， 实现快速分合闸操作. 并且由于是空心线圈， 线圈电感比较小， 回路电流上升比较快， 而且回路电阻小， 电流峰值比较大， 足以产生满足驱动机构所需的磁场能量， 使机构实现快速动作[6-8].

2 涡流斥力机构仿真研究

开展涡流斥力机构本身因素(包括斥力盘和线圈盘结构等)和外部电路因素(包括电容预充电电压和充电电容量等)的仿真研究， 对机构设计具有重要的意义. 国内外已有众多学者对涡流斥力机构仿真技术进行了较为深入的研究.

文[9-12]为了探讨涡流斥力机构的动态性能与机构的各个结构参数、 线圈盘电流等存在的复杂关系, 在对涡流斥力机构基本工作原理深入分析的基础上， 从机构等效电路模型出发， 得出计算涡流斥力的数学模型， 并利用能量守恒的方法推导出涡流斥力大小与线圈电流的大小、 斥力盘感应涡流的大小以及线圈和斥力盘间的互感相对于斥力盘位移的导数成正比.

在此基础上， 对机构初始参数进行赋值， 加以有限元仿真建模. 最后， 利用有限元仿真软件对影响机构动作特性的参数进行研究， 得出涡流斥力机构参数设计的一般规律.

文[13]着重研究涡流斥力机构中电容参数对电磁斥力的影响， 并通过理论推导与仿真分析得出在电容储能相等的情况下， 小容量高充电电压的驱动电容更有利于主触头在运动初期形成更大的开距， 从而提高断路器关断时过电压的承受能力， 为混合型限流断路器中涡流斥力机构的驱动电路提供指导.

文[14]采用一种基于离散的时间和位移双层循环迭代算法， 详细研究不同参数对涡流斥力机构动态特性的影响， 给出一般性的样机优化设计指导原则. 同时， 利用优化分析得出的参数， 结合10 kV等级快速真空断路器的合闸过程算例， 计算出合闸时间可达到0.23 ms， 具有较好的快速仿真特性.

文[15]则提出一种将电磁场与机构运动进行耦合分析的方法， 建立涡流斥力机构的等效电路及运动方程， 并利用有限元的方法验证文中所提方法的有效性. 同时， 为提高涡流斥力机构的快速性， 文中指出应尽量提高斥力盘材料的电导率.

综上可知， 国内外学者对影响涡流斥力机构动作特性的参数进行的各种研究， 对实验样机的开发具有不可替代的作用. 但目前所进行的仿真都是在固定其他参数情况下， 对单一参数进行分析， 忽略了各参数之间的相互联系. 因此， 本研究指出将涡流斥力机构的有限元仿真与人工智能算法相结合， 可实现涡流斥力机构的多参数综合优化仿真， 为基于涡流斥力机构的样机研制提供具体设计参数与理论指导依据.

3 涡流斥力机构样机研制

近年来， 基于涡流斥力技术的快速转换开关的研究和开发引起了国内外相关技术领域的关注. 目前已结合实际使用情况， 研制出多种以涡流斥力机构作为操作机构的快速开关样机， 主要应用在高压领域的故障限流器、 快速转换开关和固态断路器中.

文[16]采用涡流斥力技术研制出快速转换开关样机， 并提出综合式故障限流器的实现方案. 通过大量实验表明， 利用快速转换开关， 可将敏感性工业负荷在若干毫秒内从故障电源母线迅速切换到备用电源母线， 能满足快速性的时间要求， 可大大提高供电质量， 降低生产损失， 同时也可限制短路故障电流， 但其斥力机构仍需进一步优化设计， 以提高动作效率. 文[17]由6 kV/400 A真空接触器灭弧室、 双向涡流斥力操动机构和双稳叠簧机构组成一台高压快速转换开关， 并对其动作特性进行相关试验测试. 试验表明， 该开关分闸时间为0.8 ms， 合闸时间为2.3 ms， 已可满足实际应用要求. 该快速转换开关可用于综合式故障限流器和综合式固态断路器中， 并能在解决敏感性负荷的电压质量问题上发挥重要作用. 但其采用的叠簧结构机械稳定性欠佳， 涡流斥力机构也仍需改进. 文[18]开发额定为640 V/ 2 500 A的试验样机， 实验结果表明， 样机具有极短的时间动作特性， 可将预期峰值为100 kA、 时间常数为4.17 ms的短路电流限制在10 kA以下， 验证了限流开关样机动作的快速有效性.

此外， 文[19]在仿真研究的基础上， 利用12 kV/2 500 A的真空开关管、 双向涡流斥力机构以及可倒翻碟簧双稳机构， 研制了10 kV快速开关样机. 与其它样机不同之处在于， 为进一步提高快速开关的分闸速度， 文中在线圈周围加装导磁材料， 样机实测固有分闸时间为0.5 ms， 具有非常好的快速性. 而且在快速真空开关动作50次之后， 其真空度仍然满足国家相关标准的要求， 验证了涡流斥力机构实际应用的可行性.

文[20]则在传统交流接触器上添加了高速涡流斥力机构， 同时通过50 kA短路电流试验验证涡流斥力机构具有快速分断短路电流的特性. 但其所采用的交流接触器为三极触头相互串接组成， 在实际三相系统中需要组合使用， 结构相对复杂且成本较高.

综上所述， 众多学者对涡流斥力技术已开展了大量研究， 为样机设计提供了理论指导依据， 并在样机开发的基础上， 进行了相关的实验测试， 验证了涡流斥力机构具有快速动作的特性. 然而， 涡流斥力技术迄今仍主要集中应用在高压开关电器， 尤其以故障限流开关设计为主， 其快速动作特性在低压开关电器的应用还有待开展. 因此， 将涡流斥力机构引入到低压交流电器中， 在传统交流接触器基础上进行相应的设计与改造， 可形成集控制与保护为一体的低压智能集成电器.

4 基于涡流斥力的低压电器技术

4.1 新型交流接触器技术

图2 新型交流接触器结构图

交流接触器作为一种常用的控制电器， 广泛应用于低压配电系统， 其动作特性的优劣直接影响着电力系统的供电质量. 传统的交流接触器采用电磁机构对操动部件进行励磁控制， 从而完成对主线路的分合闸操作. 由于交流接触器固有机构特性的限制， 使其存在机构相对复杂、 动作时间较长且分散性较大等不足. 另外， 在未来发展中， 交流接触器还应具备切断一定容量短路电流的能力， 但由于其动作特性不能满足快速性的要求， 故无法实现短路故障保护的目的. 因此， 在上述涡流斥力技术研究的基础上， 本研究提出将涡流斥力机构引入到低压开关电器中， 利用其结构简便， 动作时间极短的特性， 将其作为交流接触器的动作机构， 以实现主回路的快速接通或者分断. 基于涡流斥力机构的新型交流接触器结构原理图如图2所示.

新型交流接触器应兼具控制与保护双重功能. 当线路正常时， 其应能满足频繁操作要求， 完成主电路的接通与分断， 起到控制的作用； 而当线路异常， 如发生短路故障时， 此种情况下应能实现快速分断， 减小故障带来的经济损失， 起到保护的作用. 新型交流接触器主要由涡流斥力动作机构及励磁控制模块组成. 斥力动作机构由合闸平板线圈A、 斥力盘B、 分闸平板线圈C、 增磁板D及动作连杆E等组成， 该机构通过斥力盘带动触头系统G完成快速动作. 励磁控制模块主要包括CPU控制单元、 电容充放电回路、 电源等， 主要完成预充电电容在极短时间内对线圈放电， 驱动斥力机构动作. 分闸时， CPU控制单元给出分闸触发信号使电容对分闸线圈进行放电， 在空间中瞬间产生强磁场， 斥力盘则在强磁场的作用下带动触头系统实现分闸快速操作. 合闸时则是电容对合闸线圈进行放电， 其动作原理与分闸时一致， 在此不再赘述.

为保证该新型电器能够在快速动作的基础上实现频繁操作的要求， 采用涡流斥力机构控制原理图如图3所示. 其中， 为满足电容快速充电的要求， 在实际应用中， 采取经整流、 滤波后得到纹波很小的直流斩波电压对电容进行充电， 可实现对电容器的快速充电.

以传统交流接触器(电流等级100 A)为样机本体， 并结合图2所示新型交流接触器结构图及实际加工工艺设计出实验样机. 同时， 利用高速摄像机捕捉斥力机构的位移信号， 并对其进行处理， 得出涡流斥力机构位移-时间动态特性曲线如图3所示， 验证了涡流斥力机构具备快速动作的能力.

图3 涡流斥力机构控制原理图

图4 涡流斥力机构位移-时间特性

上述样机实际参数[21]如下： 触头开距6.9 mm， 线圈匝数18匝， 线圈盘与斥力盘半径同为32.5 mm， 金属盘厚度为6 mm， 电容预充电压为300 V， 所用储能电容容量为2.2 mF. 从图4可以看出， 其动作时间仅为4.836 ms， 相比于传统交流接触器约20 ms的动作时间， 其在快速动作方面无疑具有非常大的优势. 另外， 值得指出的是， 基于涡流斥力机构的新型交流接触器由于采用储能电容对线圈进行放电， 其动作时间不随动作时刻初始相角而变化， 因此动作时间分散性极小， 具有非常好的稳定性， 更有利于零电压接通和零电流分断等智能控制技术的实现， 从而解决长期限制低压电器智能化发展的技术瓶颈.

4.2 低压短路电流分断技术

图5 单相短路实验测试系统

在涡流斥力机构开发出新型交流接触器的基础上， 提出故障早期检测的低压短路电流涡流斥力机构快速分断技术. 为验证其能分断短路故障电流的特性， 以实际线路搭建单相短路实验测试系统， 如图5所示.

该系统主要由三相电源、 三相异步电机、 真空接触器、 涡流斥力快速分断机构、 电压传感器、 罗氏线圈等组成. 其中涡流斥力快速分断机构是以传统交流接触器(电流等级100 A)为样机本体， 结合图2设计开发而成， 真空接触器用于控制单相(C相)短路故障的产生. 数据采集及控制模块则主要用来处理电压传感器及罗氏线圈采集的短路发生相电压及短路电流， 并提供涡流斥力机构动作的触发信号. 当接通主回路开关K时， 电动机正常启动， 此时， 产生短路故障的真空接触器处于分闸状态， 而涡流斥力快速分断机构处于合闸状态， 通过控制真空接触器的励磁线路来接通C相与N相之间的回路， 使C相发生单相短路故障. 图中数据采集及控制模块具备短路故障早期检测实时算法[22]， 其检测到短路故障发生时， 立即输出触发信号， 使涡流斥力机构快速动作， 实现短路故障早期检测基础上的短路故障快速切除.

为实现低压配电系统短路故障的早期检测及其短路故障的快速分断， 将短路故障早期检测技术与涡流斥力技术相结合， 提出基于涡流斥力机构的低压电器分合闸控制与短路电流快速分断的新型低压电器技术. 其中， 利用基于形态小波实现短路故障早期检测技术的基本原理在文[23-27]中已有详细介绍， 在此不再赘述. 因此， 在短路故障发生的早期， 即短路电流尚未发展到很大数值的时候， 利用涡流斥力机构快速分断短路电流， 使短路电流强迫过零. 同时， 为使电弧尽快熄灭， 在接触器触头两端装设了灭弧栅片， 大大提高了其灭弧能力. 利用图5所示系统， 测得短路故障发生时电压、 电流波形变化情况.

1) 短路故障初相角约为10°， 即短路发生在正常电流刚过零不久. 图6(a)、 (b)分别为未加入与加入涡流斥力快速分断机构的波形图.

图6 10°左右短路电压、 电流波形图

图6(a)中， 短路发生后， 其电流第一峰值为1 300 A， 出现在故障发生后4.89 ms; 其第二峰值为-1 340 A， 若该短路电流未能及时、 快速地切除， 则由其引起的动、 热稳定效应将很有可能损坏线路上的电气设备及引发安全事故. 从电压波形看， 短路故障发生后， 电压峰值跌落到200 V， 且越靠近短路点， 电压下降越显著， 将对部分范围供电造成影响. 而加入涡流斥力快速分断机构后， 如图6(b)所示， 其电流第一峰值下降到176 A， 减小了短路电流对电力线路的冲击， 其出现在故障发生后0.56 ms. 同时, 由于涡流斥力机构的快速分断特性， 该电流并未出现第二峰值， 且在短路发生后4.44 ms变为0， 短路故障完全被切除， 此时， 电压恢复到正常值， 将在很大程度上保障电力系统的供电稳定性及设备与人身安全.

2) 短路故障初相角约为110°， 即短路电流发生在其峰值附近. 图7(a)、 (b)分别为未加入与加入涡流斥力快速分断机构的波形图.

图7 110°左右短路电压、 电流波形图

图7(a)中， 短路电流第一峰值为880 A， 出现在故障后1.21 ms， 其第二峰值为-1 297.27 A. 在图7(b)中， 加入快速分断机构后， 短路电流第一峰值降为635 A， 在短路发生后2.15 ms变为0， 短路故障完全被切除.

3) 短路故障初相角约为170°， 短路电流即将过零. 图8(a)、 (b)分别为未加入与加入涡流斥力快速分断机构的波形图.

图8 170°左右短路电压、 电流波形图

图8(a)中， 短路电流第一峰值为59 A， 出现在故障后0.35 ms， 第二峰值为-1 294.04 A. 图8(b)中加入快速分断机构后， 短路电流第一峰值降为52 A， 在短路发生后0.63 ms变为0， 短路故障完全被切除.

综上研究可以得出， 所设计的涡流斥力快速分断机构基本能够实现在0～180°全相角范围可靠分断短路故障电流， 且从短路故障发生到短路故障完全被切除所经历的时间很短. 同时， 加入快速分断机构后， 短路电流的第一峰值均有较大幅度减小， 验证所提出的短路故障早期检测技术与涡流斥力技术相结合的方法对短路故障电流快速分断的有效性， 表明基于涡流斥力机构可有效开发新型交流接触器. 此外， 将短路故障早期检测技术与新型交流接触器有机结合， 新型交流接触器具有低压短路故障快速分断抑制能力.

5 结果与展望

涡流斥力机构具有结构简便、 动作时间极短等优点， 且其由储能电容对线圈进行放电， 能在很大程度上避免动作时间的分散性， 可有效保障主回路零电压接通与零电流分断等智能控制技术的准确性.

概述国内外涡流斥力技术的仿真研究与样机研制两个方面的研究现状， 在此基础上， 将其引入低压电器领域， 并以开发的实验样机验证其具有快速动作的特性， 可有效实现交流接触器操作动作要求.

更进一步， 将低压新型交流接触器的涡流斥力机构与短路故障早期检测技术相结合， 以实际线路构建了低压单相短路实验测试系统， 验证涡流斥力机构具备在极短时间内切断低压短路故障电流的能力， 且依托于其快速动作的特性， 该机构有望分断更高等级的短路电流.

控制与保护功能的集成化是智能电器的发展趋势， 本研究的涡流斥力机构无论其机构特性或者动作特性均有利于低压控制与保护功能集成化技术的实现， 为低压智能集成电器的研制奠定良好的技术基础.

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(责任编辑： 沈芸)

Eddy current repulsion mechanism and low-voltage control and protective technology

MIAO Xiren， WANG Tian

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

With the development of low-voltage apparatus intelligent technology， the switching should have control and protective properties. Firstly, both of the simulation research and prototype design of eddy current repulsion technology are summarized and the eddy current repulsion mechanism that is chiefly characterized by its compactness and fast-action is expound in this paper. Secondly, a novel AC contactor is designed with eddy current repulsion mechanism and its dynamic property is tested, which has a fast action motion on the basis of operation control for AC contactor. In the end, the low-voltage short-circuit fast-breaking of eddy current repulsion mechanism combined with early fault detection technology, is tested in a practical single-phase short-circuit fault experiment system, and its results show that the characteristics of short-circuit breaking is effective. The research for eddy current repulsion technology lays a sound foundation for low-voltage intelligent control and protective switching(CPS) device.

eddy current repulsion； fast switching； low-voltage apparatus； early short-circuit faults detection; control-protective switch

2015-01-07

缪希仁 (1965-)， 教授， 博士， 主要从事电器及其系统智能化技术、 在线监测与诊断、 新型电器技术等研究， fzu_miaoxr@163.com

国家自然科学基金资助项目(51377023)； 福建省高校产学合作科技重大项目(2011H6013)

10.7631/issn.1000-2243.2015.06.0802

1000-2243(2015)06-0802-07

TM713

A