一种改进后测量行程的断路器脱扣装置电路

欧志新

(安徽交通职业技术学院城市轨道交通与信息工程系，安徽 合肥 230051)

高压断路器是电网构成不可缺少的组件，在电力生产中至关重要，当其出现故障，必然给电力系统造成影响，威胁电网安全运行[1]。真空断路器实现快速分合闸需要计算行程来检测智能脱扣机构的灵敏度，在机械设计中确保断路器最大分合闸时间，电磁脱扣机构在分合闸状态保持时会自动记录分闸和合闸时间，一旦电机储能结束触发电磁铁线圈得电，控制电路完成合闸和分闸。同时状态被锁闭，信号显示电路会显示合闸位和分闸位[2]。灭弧罩材质和安装位置不当(真空泄露)会造成动静触头动作快速切断电弧，否则会烧毁触头和延迟电路控制分合闸时间延缓。主保护和备用保护会同时动作，一般不用备用，如果时间响应不够，主保护不动作，断路器无法完成分合闸。

断路器实际操作过程中，出现的问题：断路器的实际操作中，由于每次操作断路器分合闸，传动机构和能量存储都会相互作用而影响操动系统，长时间比如会造成真空灭弧能力的缓慢和不足，必须定时进行检测和参数测试，保持断路器一定的开断电流值和断开容量。

本研究利用电机吸热释放多余能量被极性电容储存，而在过电压出现会保护电机的特点，而过电流出现时，分合闸电磁线圈会被二极管反向击穿而得到保护[3]。

利用改进智能脱扣装置的目的就是启动能量储存，合闸完成再闭锁，释能后解锁再分闸，完成后再锁闭分闸位状态在安全可靠性操作方面具有自动存储数据和行程计算与响应记录优化等优点[4]，从触头接通到电弧完全熄灭的行程控制在预设时间段内，智能脱扣器都会自动记录并反馈至远程监控上位机系统。

1 真空断路器的结构与功能

真空断路器具备很强的灭弧和切断短路电流的能力被广泛应用于电路中起到控制和保护的作用[5]。因采用真空作为灭弧介质，无论在操作还是维护上都简单方便。

配合断路器进行倒闸操作和故障检修等，是变配电系统中重要的线路与负荷控制的开关，其结构组成如图1所示。

图1 断路器结构组成单元框图

其功能主要是单元1控制模式的选择确定后，单元2电机电动储能或手动遥柄对分合闸弹簧进行存储，要求在规定时间内完成，否则电机造成接触器触点发热而烧毁电磁线圈[6]。单元1进行分合闸控制，单元3通过主轴和凸轮机构将单元2能量固定进行传递，作用在单元4触头系统并将其反馈至单元1。

2 断路器的电路原理

1.1 电路原理分析

如断路器分合闸电磁铁线圈通电时间过长，会导致线圈烧毁而电路断开触及开关五防失效，事故或故障发生几率更大[7]。因此需要处理过电流瞬间吸收电机未释放的能量。

所示图2中电气控制原则：(1)断路器原始状态(未储能时)断开状态，断路器处于断开状态，此时GN红灯亮，所有辅助开关SBT触点和接触器KM触点全部断开；(2)开始有分到合过程：第一次计算开关触头行程。

图2 断路器分合闸控制与信号回路示意图

2.2 过电流保护与行程检测

系统中的暂态电流包含衰减性非周期分量及小于N次谐波的各种整次倍频谐波分量，则有如下表达式

(1)

也可以近似地线性化表示为

(2)

式中：I0为直流分量在t=0时的值；In为第n次谐波分量的幅值；λ为直流分量的衰减时间常数τ的倒数，λ=1/τ；φn为第n次谐波分量的幅角；ω1为基波角频率。

假设某一相的电流在故障发生后的某一时间段内有N个采样数据，则可使用最小二乘法对这N个数据进行拟合[8]。

(3)

式中：Q为表达式的极值；y电流实际值；t为抽样时间，取值为1，2，…，N，s；y(t)为实际值；i(t)为拟合表达式。

根据式(2)、式(3)确定出系数I0、λ、Insinφn、Incosφn后，可以将此时间段以后的p个预测值求解出来[9]。然后，把预测值与实际值相减并求其绝对值，可求出p个畸变量值

(4)

式(2)和式(3)中，预测值和测量值利用比较误差电流大小突变，解释电流瞬时会造成电机长时间运转烧毁，和分合闸电磁线圈反响击穿。控制响应在表述中横坐标为动作时间，纵坐标为电流值峰值大小。

3 电磁脱扣器的结构与功能

脱扣器与脱扣装置本身联作一体用于断路器机械联动，是断路器组成结构中操动机构的重要部分，包括能量存储装置、保持与脱扣机构、缓冲机构与控制联锁机构、时间延迟报警系统等组成[10]。

其结构框图如图3所示，增加了分合闸状态闭锁和时间响应等机械闭锁功能，快速计算与检测分合闸操作显示。

图3 电磁脱扣装置结构组成框图

断路器在进行分合闸的过程中，也是动静触头行程计算的过程，要求快速熄灭电弧并完成触头从接触到超行程的全部距离。既要保持合闸和分闸具备解锁功能，又要实现机构在完全分合闸后不产生严重的机构零件碰撞和变形，不影响下一次分合闸再操作。

电磁脱扣器主要释放断路器保持状态时接收断开指令后的响应。分合闸电磁线圈在电机储能后，保持在动作命令状态，一旦接受分合闸指令，首先进行脱扣解锁，释放合闸线圈能量后才可实现断路器合闸操作，并在脱扣器中显示合闸时间。此时合闸状态被保持，锁扣自动闭合[11]。等待下一次分闸指令，再一次完整的分合闸操作过程中，有二次闭锁和解锁过程实现动作时间不能超过触发脱扣器动作值，否则会造成电弧增大而触头烧损，影响下次分合闸操作行程的控制时间和状态。

4 改进后IGBT模块与电路原理

4.1 电路结构分析

图示4为改进后增加IGBT模块的断路器分合闸控制与信号回路图。 (增加了IGBT模块1-2，分别对应断路器合闸和分闸。包括元器件：IGBT晶体管和电容C)

图4 IGBT投入断路器控制与信号回路结构图

二极管具有保护分合闸电磁铁反向击穿的特性，一旦过电流，分合闸控制回路HQ，TQ线圈等得到有效保护，不会危害信号反馈回路，保障正常的操作和信号指示功能。

如图5所示，未储能，合闸指示灯RD不亮，分闸指示灯GN亮，合闸辅助开关SBT5-6断开，分闸辅助开关SBT7-8闭合。

SP33-4常开接点断开，SBT1-2常闭接点闭合，SBT3-4常开接点断开，KM1不得电，KM2不得电，合闸时间继电器SJ1断开，分闸时间继电器SJ2断开。

图5 改进后IGBT检测断路器分合闸控制与信号回路示意图

4.2 电路系统检测原理

1.断路器未接通电路时，其工作状态是电机M无能量，断路器闸刀处于断开位，接地刀闭合[13]。2.开始储能，完成断路器由分闸到合闸的操作。合闸已经完成并保持状态，模块4中SJ时间继电器线圈得电，触发常开接点闭合，自延迟3S后自动切换故障点。保障合闸控制回路安全。

模块2电机励磁线圈W得电，刚好KM2接点闭合与KM1得电运行方向相反，电机反转。完成电机分闸操作需要的能量存储要求。模块4中分闸电磁铁线圈TQ得电，分闸控制完成[15]。此时分闸接触器线圈KM2得电，触发模块2中KM2接点断开，防止电机长时间带电烧毁。

此时，模块3中，SBT7-8闭合信号灯GN绿灯亮，表示处于分闸状态。SBT5-6断开红灯RD熄灭。

4.3 IGBT晶体管检测原理

主要工作原理：IGBT具有三极管和电压触发的双重特性，既可以当开关通断电路，也可以作为电压继电器保护设备[16]。对过电流影响范围可控，只要电压不高于触发值，就不会烧断电路。

电容具有能量吸收与存储二次利用的特点，一旦出现电机储能中断或过电流谐波，电容C将多余的能量吸收，平稳电机两侧的电压，控制电流的大小，保护电机。

图6 断路器分合闸控制与信号反馈行程检测(未加IGBT保护)

图7 断路器分合闸控制与信号反馈行程检测(投入IGBT晶体管保护)

增加的IGBT模块，主要实现二个方面的功能：如果只是正常的规范操作，没有出现电路故障。增加的IGBT只要起到保护电磁铁线圈模块4和检测信号模块3的功能。IGBT模块包括二个方面的理论运用，一是二极管保护电磁分合闸线圈，防止过电流反向击穿[17]。二是极性电容吸收过电压多余能量，保护电机存储，并反馈给信号系统。因为IGBT晶闸管主要对电压值增大响应快速，而电流值影响很小。

IGBT模块作用如上图所述：① 在正常运行时，二极管D导通，电容C断开。起到保护分合闸电磁铁线圈HQ，TQ和信号指示灯RD，GN反馈作用；② 一旦出现短路过电流，电机能量存储未完成被自动中断和二极管D被击穿。此时，电容C和IGBT分别作用于合闸控制回路和信号反馈回路中，有效的保护电机和防止谐波干扰信号系统。如果信号抑制和电压过大，会直接触发继电保护，并将预警信号反馈至上位机监控系统。操作人员根据智能脱扣装置修正参数快速断开控制回路，确保时间响应和行程计算一致。

如果一旦电机烧毁所有的电路系统都会中断，模块1开关控制和信号反馈都会失灵，模块3信号系统和模块4控制线圈和传动机构，触头系统都停止运行。

5 结论

变电所智能化与网络化远程监控系统在故障检测和继电保护等方面都具备完善的保护措施，真空断路器运行的能量存储是分合闸的前提，继电器受电接通分合闸电磁线圈和触点吸合，因此电机和电磁线圈防止被击穿和烧毁具有重要的保护功能。结论从二个方面进行阐述突出重点：(1)应用特征是在变电所实验室具体设备操作与记录过程中出现的问题，如果有操作顺序错误或者电路端子线接触不良，出现短时过电流，会造成跳闸和线圈烧毁，增加二极管和IGBT会保护电磁线圈和电机，也可抑制过电压与信号抑制滤波的发生。

(2)本研究利用电机吸热释放多余能量被极性电容储存，而在过电压出现会保护电机的特点，而过电流出现时，分合闸电磁线圈会被二极管反向击穿而得到保护。所以利用改进智能脱扣装置的目的就是启动能量储存，合闸完成再闭锁，释能后解锁再分闸，完成后再锁闭分闸位状态。

改进后的控制与信号电路与远程监控系统平台配套，完成真空断路器设备分合闸时间响应记录和行程计算可控，在故障检测与IGBT模块抑制过电流与保护方面应用效果良好。