摘要：本文介绍了一种以微处理器为控制核心，基于IGBT的永磁机构真空断路器的二次控制系统。整个系统结构包括直流电源模块、IGBT驱动模块、输入信号采集模块以及通信模块，另外针对目前永磁机构真空断路器二次控制系统所在的一些问题，设计了包括继保信号匹配回路、防跳回路、电容电压监测、线圈连续性监测等匹配和监测电路，用以完善永磁机构真空断路器的二次控制系统功能，提升永磁机构真空断路器的综合性能。
关键词：永磁机构；微处理器；IGBT驱动；继保
Abstract:This paper introduces a secondary control system of permanent magnetic vacuum circuit breaker based on IGBT and microprocessor. The whole system structure includes DC power supply module, IGBT driver module, input signal acquisition module and communication module. In addition, aiming at some problems of the secondary control system of vacuum circuit breaker with permanent magnetic mechanism, the matching circuit of protection relay signal, anti-jump circuit, capacitor voltage monitoring and coil continuity monitoring circuits are designed. These circuits are used to optimize and improve the secondary control system function of permanent magnetic vacuum circuit breaker and enhance the comprehensive performance of permanent magnetic vacuum circuit breaker.
Key words: permanent magnetic mechanism; Microprocessor; IGBT drive; Protection Relay
0引言
电力系统的稳定运行不仅影响着国家经济的持续发展，也与人民群众的日常生活息息相关[1]。为了保证电力系统的安全稳定运行，作为控制、保护元件的中压真空断路器必须能可靠切断额定电流，开断关合短路电流，开合各种空载和负荷电流。为了完成这些任务，中压真空断路器必须能及时可靠地合分动静触头，这就要借助于操作机构来完成。因此，操作机构的工作性能和质量优劣，直接决定了中压真空断路器的工作性能和可靠性。传统的操作机构有电磁操作机构和弹簧操作机构。早期的真空断路器多采用电磁机构，其结构简单，零部件少，但是体积庞大，同时需要大功率的直流电源；弹簧操作机构由储能弹簧/电机、合分闸线圈等几个部分组成，优点是不需要大功率的直流电源，但是其结构复杂，制造工艺要求高，成本高，可靠性较难保证。近年来，伴随着电力电子技术的发展，出现了一种新型的操作机构—永磁机构。这种机构将电磁铁与永久磁铁有机地结合在一起，其利用永久磁铁产生的永磁力将真空断路器保持在合闸位置或分闸位置，利用合分闸线圈通电瞬间产生的电磁力驱动永磁机构运动达到合分闸的目的，而无需任何传统的机械脱扣锁扣装置。该机构的输出力特性可以设计得很接近真空断路器的负载特性，因此可直接与真空灭弧室相连，该机构体积较小，零部件少，结构简单，使得断路器动作可靠性大大提高[2]。
本文针对3.6 ~40.5kV永磁机构真空断路器的二次控制系统开展研究工作，设计了一套永磁机构的基本控制回路。另外针对目前现有永磁机构真空断路器二次控制系统与现有的继电保护装置失配，无防跳回路、无法对控制回路、储能电容、控制器故障等异常监视的问题，本文在变电站现场实际应用、运行维护管理、数据分析整理和国内外调研基础上，依据变电站运行、维护、操作要求和产品可靠性的需求出发，对永磁机构的基本控制回路进行了优化和升级，设计了包括继保信号采集模块、防跳回路、电容电压监测、线圈连续性监测、电容充电保护等监测和保护等功能，用以完善永磁机构真空断路器的二次控制、监控及通信功能，提升永磁机构真空断路器的综合性能，更好的为35kV电容器投切提供可靠地服务。
1 系统总体结构设计
永磁真空断路器二次控制系统的核心为永磁机构的驱动。目前常用的永磁机构驱动方式有三种：第一种采用定时器加直流接触器的方式，这种方式永磁机构驱动脉冲可调整，定时精确，但大容量直流接触器的价格昂贵，且体积较大；第二种方案为分立器件组成的单脉冲触发器加IGBT的驱动方式，这种方式虽然价格便宜，设计简单，但是由于阻容元件随温度变化其阻容值也会发生变化，造成永磁机构驱动脉冲时间不定，从而对开关的机械特性参数造成影响，且其脉冲时间不可调；第三种方案为微处理器加IGBT的驱动方案，IGBT的驱动脉冲由微处理器控制，时间精准，且脉冲宽度可任意设置，同时微处理器可以对永磁机构真空断路器自身的状态信息进行实时监测，确保真空断路器正确可靠地动作[3]。
永磁机构的基本控制系统包括以下几个部分：直流电源与电容器组、输入信号采集模块、IGBT驱动模块、以及微处理器模块等。断路器合分闸的过程如下：由直流电源模块将外界的操作电压转换为恒定的直流电压对电容器进行充电，电容充满电后，输入信号采集模块采集外界的合分闸控制信号，当微处理器监测到外界有合分闸控制信号输入时，由微处理器发出合分闸脉冲指令，IGBT控制模块在得到合分闸脉冲指令后驱动IGBT导通预设的脉冲时间，进而控制大容量电容器对合分闸线圈瞬间放电，电磁力克服永磁力驱动永磁机构运动，从而达到断路器合分闸的目的。在基本的控制回路基础之上，出于安全可靠性方面的考虑，还需要对永磁机构本身以及控制系统的各个关键元器件进行监测和保护，如储能电容电压监测/告警、控制回路断线监测、永磁机构线圈故障监测、控制器故障监测、操作电源监测、关键元件过压保护等；同时为了实现对常规继电保护装置的兼容，还必须在合分闸控制信号采集模块设计有常规脱扣线圈的模拟回路，常规的防跳回路等。在微处理检测到有异常信号时，通过继电器输出相应的告警信号，且将告警信号以通信的方式上传到主站系统。整个系统的总体结构如图1-1所示。
图1-1系统结构图
2 系统模块的设计与实现
2.1直流电源与电容器组
由于真空断路器在合分闸位置都要求有一定的保持力，因此在给永磁机构中的合分闸线圈放电时，必须达到一定的励磁安匝数，才能满足真空断路器的合分闸速度要求。要想在较短的时间内获得较大的脉冲电流，目前有两种方案：一是采用电容器；二是采用蓄电池。这两种方案均可获得较为满意的结果。然而蓄电池需要考虑过充电、过放电等问题，充电线路及保护电路较为复杂，且充电时间很长。而电容器与蓄电池电源相比，具有许多优点。电容器的充电时间短，且不必考虑充电过量的危险，所以不要求对精确的充电电流和充电时间进行监视。为了对电容器进行快速的充电，本文设计了一种恒功率直流电源模块，在电容电压低时，能以很大的电流对电容器组进行快速充电，电容器电压能够快速升高；当电容快充满时，电流逐渐减小，直至电容充电到DC220V。该直流电源同时考虑了电源行业标准，原副边隔离强度高、体积小、效率高、稳压范围宽、精度高、纹波小，同时在动态负载特性和电磁兼容性两方面也具特色和优势[4]。
2.2输入信号采集模块
输入信号采集模块主要包含三个方面：第一为控制系统电压的采集，包括直流电源模块输出电压以及各个电容器的当前电压，通过对系统各个电压的实时监测，能够区分判断操作电源是否掉电，以及电容电压是否能够支持当前的合分闸操作等，这样能够避免由于电容电压不足造成合分闸的不到位；第二为对控制系统各个状态节点的监测，包括各个断口的合分状态，远程/就地转换开关的状态以及前门闭锁的状态等，这些状态节点均为干接点信号，都设计有光电隔离回路，以增强控制系统的电磁兼容性；第三为合分闸控制信号的采集，包括就地操作时面板的按钮合分控制，以及远方操作时来自于继保的合分控制，控制系统都要能够正确可靠地执行。
本项目的关键技术在于与继保合分闸控制信号的配合。常规继保的合分闸控制信号以及检测回路都是配合户内真空断路器的，户内真空断路器一般为弹簧机构，其合分闸操作必须依靠弹簧机构储能，然后通过驱动低能耗合分闸线圈来实现。其驱动电流大致为0.5-2A，电流太低继保控制信号发不出来，电流太高又会烧坏继保的合分闸控制回路。因此要求永磁真空断路器的合分闸检测回路必须按照户内真空断路器的标准来设计。因此，为了实现与继保的配合，本方案在合分闸检测回路中并入了一个负温度系数PTC电阻，其特性为冷态电阻值很低，一旦发热，电阻值会迅速升高到高阻状态。这样就在有合分闸控制信号输入时，能够瞬间提供一个满足要求的驱动电流，同时在控制信号长时间存在时，由于发热，PTC电阻值升高，驱动电流降低，起到了对合分闸控制回路的保护作用，同时也不会影响到微处理器对合分闸控制信号的检测。
2.3 IGBT驱动模块
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，即绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管BJT和绝缘栅型场效应管 MOSFET组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，非常适合于永磁机构合分闸线圈的操作。为了简化电路，本项目采用IGBT专用驱动芯片MIC4424对其进行驱动，驱动信号由微处理器控制输出，驱动脉冲宽度可调，处理器脉冲信号经由驱动芯片放大后接入IGBT的门极，同时为了快速关断IGBT，在驱动芯片的输出端设计有PNP管，在输出脉冲为0时快速将IGBT的门极电压拉到低电位。由于合分闸线圈为感性负载，在IGBT关断后，线圈里面还储存有大量的能量，因此需要设计线圈续流回路，并在IGBT的源极和漏极之间设计RCD电压吸收回路，以防止线圈电流突变所造成的反电动势造成IGBT击穿。另外在IGBT的源漏极之间还并联有TVS管，以防止瞬态高压击穿IGBT。IGBT驱动模块设计如图2-1所示，其中G1为IGBT，L1为合分闸线圈，C2为大容量电容，D3、R3组成续流回路，C1、D2、R2组成RCD电压吸收回路。
图2-1 IGBT驱动模块
2.4 微处理器模块
微处理器是整个控制系统的核心，它负责电容电压的数据采集和计算、输入信号采集、输出信号控制、合分闸脉冲信号控制以及对外通信等功能。微处理器模块包含了微处理器最基本的一些外围电路，比如上电复位电路、系统工作电源电路、模数转换参考电压电路等，本项目选用飞思卡尔公司S12系列单片机的MC9S12D64作为主控器件。该器件是一款性能优良的单片机，包含一个16位中央处理单元、64 KBFlash、4 KB RAM、1 KB EEPROM、8通道10位ADC、两个异步串行通信接口和一个同步串行接口等丰富资源。该器件具有良好的稳定性，使得永磁机构真空断路器的二次控制系统能够在恶劣的户外环境使用[5]。
图3-1 单片机程序流程图
2.5 监测保护模块
永磁机构二次控制系统通过微处理器自带的模拟数字转换器来实现对储能电容电压以及外部输入电压的实时监控，在电容电压过低时闭锁合分闸操作，防止合分闸操作不到位，在检测到外部输入电压消失时会闭锁合闸操作，同时向上位系统发出告警信号；通过PTC电阻模拟常规户内真空断路器的合分闸线圈，在无合分闸信号输入时，提供给常规保护一个检测回路，使其能够检测到控制回路是否断线，同时PTC电阻在合分闸控制信号由于故障一直保持的时候，其电阻值会随着电阻发热而变大，从而限制了合分闸回路电流，起到对合分闸回路的保护作用。此外控制系统会对开关自身的其他工作进行实时监测，如永磁机构合分闸线圈的连续性检测，双断口状态的实时检测， IGBT工作状态的实时性检测等，在检测到故障存在时，会向外输出对应的告警信号，同时闭锁开关的操作，从而确保开关的操作安全；IGBT的驱动模块设计有线圈放电回路，用于在IGBT关断后对永磁机构线圈的续流放电，同时在IGBT的漏极和源极之间设计有高耐压瞬态抑制二极管，用于对IGBT进行过压保护。
3软件设计
本项目软件设计包括两个部分：一是单片机的软件设计，主要实现永磁机构的控制、监测与保护；二是上位机监控软件的设计，主要实现合分闸参数的设置，永磁机构真空断路器各个状态的监测，以及远方遥控断路器合分闸。
图3-2 监控软件界面
3.1 单片机软件设计
单片机控制系统的程序流程图3-1所示。微处理器在上电后先执行初始化操作，如IO口设置、AD设置、定时器设置、中断设置等，之后系统开始实时采集各个开关量的状态、电容电压、线圈的连续性以及外部输入信号，当检测到有异常状态时，闭锁合分闸并发出告警信号，当监测到外界有合分闸信号输入时，在没有闭锁的状况下，驱动IGBT，执行合分闸动作。
3.2 上位机监控软件
上位机监控软件运行于客户端电脑上，通过光纤接口与永磁机构驱动模块相连接，采用国际通用的Modbus通讯协议与控制系统进行通信。它能够对控制系统的各个采集电压，状态信号等进行实时的显示，同时可以对合分闸参数进行设置，比如合分闸脉冲时间，各个断口的动作时差等，另外还可以对断路器进行远程合分闸控制，以实现真空断路器的故障诊断与现场调试。软件界面如图3-2所示。
4结束语
本文介绍了一种永磁机构真空断路器的二次控制系统，其采用微处理器控制、大容量IGBT驱动、直流电源充电、实时监测保护、模拟负载采集继保合分信号的方式，很好的实现了永磁机构的驱动与保护，并提供上位机通信接口，非常有利于真空断路器的故障诊断与现场调试。
参考文献：
[1]游一民，郑军，罗文科. 永磁机构及其发展动态[J]. 高压电器，2011，37(1)：44-48.
[2]林莘.永磁机构与真空断路器[M].北京：机械工业出版社，2003.
[3]张来福，杨杰，胡晓岑.新型四线圈双稳态永磁草地机构的研究[J].电工电能新技术，2007，26 (2)：20-23.
[4]马少华，王季梅.72.5kV高压真空断路器永磁操动机构的研究与设计[J]。中国电机工程学报，2006，26(7):163-167.
[5]周丽洁.永磁机构在中压真空断路器中的应用[J].华电技术，2008，30(10):48-50
论文作者:杨剑,张欢,谢植飚,杨幻,杨炫曦,梁兆庭
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
标签：永磁论文; 机构论文; 回路论文; 信号论文; 线圈论文; 电压论文; 真空断路器论文; 《电力设备》2018年第27期论文;