10 kV真空断路器分合闸速度实验研究

孙建军， 孙长海， 巴 宇， 张颖杰， 庄 海

(大连理工大学 电气工程学院, 辽宁 大连 116024)

0 引 言

触头运动速度是影响断路器性能的重要指标。断路器分合闸时，间隙内产生高温、高压电弧，如果触头运动速度过慢，将使电弧燃烧时间加长，缩短触头的使用寿命[1-4]；而触头的运动速度过快，动能加大，会多次发生碰撞，以至于动、静触头焊接在一起无法正常分开，这一现象称为触头的熔焊[5-9]。因此有必要研究断路器的分合闸速度，使断路器处在最佳分合闸性能下[10-11]。本文结合影响分合闸速度的主要因素，设计了硬件电路，完成了软件编程、调试，并探讨了相关因素对断路器分合闸速度的影响，给出了具体的实验结果。

1 总体设计方案

真空断路器的控制系统将单片机技术、电力电子技术与永磁机构控制技术相结合，实现对真空断路器的准确控制和保护[12-13]。断路器控制系统的硬件设计整体结构框图如图 1 所示。系统的核心是AVR系列单片机中 ATmega16A 型单片机，与外围电路相配合实现对断路器永磁机构的控制。根据各部分电路实现的功能，可以将电路分为电容器充放电模块、主控模块、电源模块、通信模块、控制器检测模块和显示模块。电容器充放电模块：进行电容器的充电，并由电容器提供断路器分、合闸需要的能量。主控模块：是整个控制系统的核心，它的主要作用是将各种从其他模块获得的信号进行判断或运算，并且输出各种指令至其他模块，起到控制和运算作用。电源模块：提供设计中使用到的各种芯片的正常工作电压。 通信模块：使单片机与计算机之间能够正常的通信。控制器检测模块：单片机对分闸、合闸信号、电容电压信号以及IGBT驱动故障信号进行采集处理。显示模块：显示断路器分合闸状态以及电容电压的状态。

图1 控制系统整体结构框图

2 系统硬件电路设计

2.1 主电路设计

主电路主要包括电容器充电电路和电容器向机构线圈放电主电路，分别如图2、3所示。电容器的电压在设计中的指标是0～350 V可调，所以电容器充电主电路首先经过升压变压器T1将220 V的交流输入电压升至300 V，保证电容器电压能充至最高350 V而不受电网电压波动的影响。升压后经过D1～D44个二极管组成的单相桥式不可控整流电路整流后向电容器充电，考虑到冲击电流对电容器的影响，所以在电路中加入了R1=500 Ω的限流电阻，确保充电时的最大冲击电流小于电容的最大允许冲击电流。电容器为2个10 mF的电容器并联，电容器额定电压450 V，保证了电容器两端的电压在可调范围内且留有一定的余量。电容器两端的电压大小由开关S1闭合的时间长短来决定，开关S1闭合时间长则电容充电时间越长，电容器两端电压也越高。开关S2与电阻R2构成了电容独立的放电回路，当电容器两端的电压高于所需要的电压值时或者做完实验后为保证设备、人身安全需要将电容器电压降为0 V时，可将S2闭合，电容器存储的能量就会消耗在R2上，电容器两端的电压便会降低至需要的值或0 V。

图2 电容器充电电路

图3 电容器放电电路

2.2 控制电路设计

处理器是控制系统的核心，它需要对各种信号进行实时监测采集，并对输入信号进行计算和处理，完成显示、保护和驱动等功能。考虑到控制系统需要实现的功能，结合对单片机的价格、引脚功能、运行处理速度、存储器容量等方面的综合考虑，设计中采用ATMEL公司生产的 ATmega16A型 AVR单片机作为控制核心[14-15]。最小系统如图4所示。

图4 单片机最小控制系统

控制系统中的通信电路设计如图5所示，MAX232 芯片的 R2OUT 引脚接单片机的 RXD(PD0)引脚，T2IN 引脚接单片机的 TXD(PD1)引脚，T2OUT 引脚接 RS-232 通信接口的 RXD，R2IN 引脚接 RS-232 通信接口的 TXD。因为 MAX232 芯片本身具有驱动设计，所以不需外加其他驱动电路。

图5 通信电路原理图

控制器检测的输入信号主要是断路器分合闸信号、电容电压信号和IGBT驱动光耦故障输出信号。分闸、合闸输入信号由两个按钮开关S2、S3输入。如图6所示，S2为合闸开关，S3为分闸开关。没有分合闸信号输入时单片机PC6、PC7口输入的是高电平，当需要合(分)闸操作时，按下按钮开关S2(S3)，单片机的PC6(PC7)引脚便接地，输入低电平。单片机检测到PC6(PC7)口的电平变化，便发出设定好的IGBT的导通触发信号，从而实现合(分)闸操作。本设计利用了软件处理去抖的方法，所以分闸、合闸信号输入的电路设计不需要考虑按钮开关的去抖处理。当IGBT的驱动光耦HCPL316J检测到IGBT的集电极和发射极电压的饱和压降超过7V时，FAULT引脚的电平会拉低，供单片机外中断使用，从而达到保护IGBT的作用。IGBT驱动及故障输出信号检测输入电路图7所示，设计中共有4个IGBT故障输出信号，经过4与门芯片74HC08芯片后，只要有1个IGBT的集电极与发射级间饱和压降超过7 V，单片机的PA2口便会接收到低电平的故障信号。

图6 分合闸信号输入电路

图7 IGBT驱动光耦故障信号检测输入电路

电容电压检测电路如图8所示，电容两端的电压经过分压后经光耦隔离输出。HCNR200芯片是一个线性光耦芯片，最大隔离电压可达1.4 kV。设计时取R53与R55分别为220、200 kΩ，这样线性光耦只隔离不放大，输入和输出的电压大小相等。由于HCNR200手册推荐的器件工作电流是25 mA，而VCC为5 V，计算R54为5 V/25 mA=200 Ω，实际取值300 Ω，最后输出电压信号到单片机的PA0(ADC0)口进行模数转换。

图8 电容电压检测电路

3 系统软件设计

程序分4个模块，如图9所示。主程序初始化，读取程序状态字，调用各个模块。控制字输入模块：将控制字从电脑端输入到单片机端，再由其他模块读取控制字对控制系统进行控制。故障处理模块：对故障信号进行采集、处理，保护系统安全运行。合闸模块：合闸模块需要对外部输入的合闸信号进行采集，还需要对电容电压进行监测，在合闸信号输入且电容电压足够时根据控制字生成合闸PWM波，导通IGBT使真空断路器的永磁机构进行合闸操作。分闸模块：分闸模块需要对外部输入的分闸信号进行采集，在分闸信号输入时根据控制字生成分闸PWM波，导通IGBT使真空断路器的永磁机构分闸操作。

图9 程序流程图

4 实验及结果分析

4.1 分合闸时间与电容电压的关系

取合闸PWM波占空比为480/512，分闸PWM波占空比为460/512，将合闸放电时间与分闸放电时间都设置为40 ms，改变电容电压分别为120、140、160、180、200 V，测取不同电容电压下的合闸时间与分闸时间。每个电压等级下测取3组数据，取平均值(保留一位小数)，提高实验结论的可靠性。测量断路器合闸时间的波形如图10所示。示波器1通道显示输入的合闸信号波形，2通道显示是否合闸的波形(高电平代表合闸成功)，3通道显示的是机构线圈励磁电流的波形。当外部有合闸信号输入时，合闸信号波形从高电平跳变为低电平(图中①处)， 断路器开始合闸操作。当断路器合闸成功，2通道便由低电平变为高电平(图中②处)。只要测量①处与②处的时间间隔，便可以计算断路器的合闸时间。

图10 断路器合闸实验波形图

测量断路器分闸时间的波形如图11所示。示波器1通道显示输入的分闸信号波形，2通道显示是否分闸的波形(低电平代表分闸成功)，3通道显示的是机构线圈励磁电流的波形(波形反向是由于电容反向向线圈放电)。当外部有分闸信号输入时，分闸信号波形便从高电平跳变为低电平(图中①处)，断路器开始分闸操作。当断路器分闸成功，2通道便由高电平变为低电平(图中②处)。只要测量①处与②处的时间间隔，便是断路器的分闸时间。在不同电容电压条件下测得的合闸时间与分闸时间分别如表1、2所示。

图11 断路器分闸实验波形图

表1 合闸时间与电容电压的关系

表2 分闸时间与电容电压的关系

4.2 分合闸时间与放电时间的关系

调节电容电压为140 V，取合闸PWM波占空比为480/512，分闸PWM波占空比为460/512，分别改变合闸放电时间、分闸放电时间分别为30、35、40、45、50 ms，测取不同分、合闸放电时间下的断路器分闸时间与合闸时间。每个放电时间下测取 3组数据，取平均值(保留一位小数)。不同放电时间条件下测得的合闸时间与分闸时间分别如表3、4所示。

表3 合闸时间与放电时间的关系

表4 分闸时间与放电时间的关系

4.3 分合闸时间与PWM占空比的关系

调节电容电压为140 V，将合闸放电时间与分闸放电时间都设置为40 ms，分别改变合闸PWM波占空比、分闸PWM波占空比分别为300/512、350/512、400/512、450/512、500/512，测量不同合闸 PWM 波占空比下的合闸时间与不同分闸 PWM 占空比下的分闸时间。每个 PWM 波占空比下测取 3组数据，取平均值(保留一位小数)。在不同 PWM 波占空比条件下测得的合闸时间与分闸时间分别如表5、6所示。

表5 合闸时间与PWM占空比关系

表6 分闸时间与PWM占空比关系

4.4 实验结果分析

在合闸时间与合闸PWM波占空比相同的条件下，断路器的合闸时间随着电容电压的增大而减小。分闸时间与分闸PWM波占空比相同的条件下，断路器的分闸时间也随着电容电压的增大而减小。断路器的合闸操作比分闸操作需要更多的能量，且同样的电容电压条件下，断路器的分闸时间比合闸时间要短，这样的结果与断路器永磁操动机构的结构有关，与理论相符。在电容电压、PWM波占空比相同条件下，断路器的分闸时间、合闸时间分别随着分闸放电时间、合闸放电时间的增大而减小。在电容电压、放电时间相同条件下，断路器的分闸时间、合闸时间分别随着分闸PWM波占空比、合闸PWM波占空比的增大而减小。

5 结 语

本文设计了10 kV真空断路器的控制系统硬件，进行了模块化软件编程。在此基础上研究了分合闸时间几个影响因素，并进行了实验研究，给出了相关实验具体数据。对断路器的操动机构研究与设计优化具有实际意义。