一种双绕组电磁脱扣器的理论研究及 控制策略

吕 森 宗 鸣 张昀琦

（沈阳工业大学，沈阳 110870）

0 引言

智能化是电网发展的重要方向之一。中国电网的建设目标是：以数字化、信息化、自动化、互动化为特征的自主创新、国际领先、中国特色的统一坚强智能电网[1]。断路器作为电网中的重要节点，必须具备上述特征。多层级配电网络自动切断故障支路是上述目标中“自动化”的重要体现，但现有小型断路器（miniature circuit breaker, MCB）只能实现短路瞬动保护，不适合多层级配电网络的选择性配合。智能型断路器是解决该问题的有效手段。

框架式断路器（air circuit breaker, ACB）的智能化工作开展较早，目前进入了第五代产品研发 期[1]，并且市场上已经有成熟的智能化ACB产品，如正泰电器NA1系列等。塑壳式断路器（moulded case circuit breaker, MCCB）已开发了四代产品[2]，行业内对智能ACB和MCCB的研究[3-12]一直在进行。但是，MCB智能化问题受体积、成本等因素的制约，一直难以解决。尽管有文献指出了MCB智能化的必要性[13]，但相关研究甚少，更没有成熟产品面市。目前，终端保护智能化、网络化的解决方案多是MCB加智能控制器组合，如“群组智能控制”方案。用一个群组智能控制器，对多个取消了双金属片，但装有微型磁通变换器或分励脱扣器的下级MCB实施集中控制。各支路电流由群组智能控制器集中测量，每个MCB的过载和短路脱扣由群组智能控制器统一控制[14]。由于不需要电流测量，这种结构可以在保持原有MCB体积的情况下，解决MCB的智能化问题，不失为一种智能化途径。但若一个小型配电系统完全由一个群组智能控制器掌控，一旦群组智能控制器发生故障，将造成小型配电系统瘫痪。

近年来，ABB（德国）公司、法国HAGER公司和中国上海电器科学研究所（集团）有限公司等相继推出了具有选择性的MCB结构，称之为带选择性的过电流保护断路器（selective miniature circuit breaker, SMCB），其采用了一种新的热磁脱扣器结构，当下级发生短路时，脱扣器首先启动限流模式，短路短延时后备保护由专门设计的选择性热脱扣器实现[15-18]，但这种SMCB具有一个限流电阻，且正常工作状态下的电流也流过辅助回路中的限流电阻，这显著增加该类断路器的能耗。国网冀北电力有限公司张家口供电公司对电磁式选择性保护直流断路器进行了研究[19]，但显然这种断路器仅适用于直流电路。除上述带限流电阻的SMCB外，目前市场上未出现可以满足选择性保护的MCB产品。

脱扣器是断路器的核心，为克服上述选择性断路器的不足，本文提出双绕组可控电磁脱扣器，其可用于交流线路且不存在限流电阻的损耗，可以满足智能电网对配电网络选择性保护的要求，具有更广泛的应用场合和更高的经济价值。

1 双绕组理论的提出

本文提出的双绕组可控电磁脱扣器及其与下级断路器的配合如图1所示。所谓双绕组，即为电磁脱扣器SB1增加一个控制绕组N2，其理论依据是电磁感应定律和楞次定律。如图1所示，根据电磁感应定律，当SB1的电流线圈中通入交流电时，将在控制绕组中产生感应电动势，当SB2闭合时将产生感应电流，又根据楞次定律，感应电流产生的磁场将阻碍引起感应电流的磁通量的变化。由于控制绕组产生的磁场将削弱SB1电流线圈产生的磁场，电磁力减小，这样本应使SB1脱扣的短路电流将无法使其动作，只有将SB2断开，感应电流消失后，电流线圈产生的磁场恢复到原有水平，电磁力恢复，才能使SB1动作。因此，通过控制SB2的开断即可控制SB1的动作时间，达到短路短延时的目的。所谓可控电磁脱扣器，指的是通过控制SB2断开与闭合的时间，可以对短延时时间Ttr根据特性配合要求进行控制。

图1 双绕组可控电磁脱扣器及其与下级断路器的配合

图2（a）和图2（b）分别为传统小型断路器和双绕组可控电磁脱扣器的保护特性示意图。I1为SB2断开时的最小短路脱扣电流，I2为SB2闭合时的最小短路电流。若短路电流大于I2，去磁作用的效果将不足以延迟SB1的动作，SB1将瞬间脱扣。

对比图2（a）和图2（b），当SB2断开时，双绕组可控电磁脱扣器保护特性与传统MCB相同，当SB2闭合时产生短路短延时作用。

图2 两种脱扣器的保护特性

2 去磁作用的验证

为验证上述关于控制绕组的去磁作用，分别从理论推导和有限元分析两方面进行验证。以图3所示的U形电磁铁为例进行理论分析。

图3 U形电磁铁

U形电磁铁的控制绕组具有接通和断开两种状态，根据前期研究成果，SB2闭合，即控制绕组接通时，主磁通为

SB2断开，即控制绕组断开时，主磁通[20]为

式（1）和式（2）中：Φ(t)为随时间交变的主磁通；Im为电流幅值；Z2为控制绕组线圈阻抗；N1、N2分别为电流线圈和控制绕组的线圈匝数；Rδ为气隙磁阻。

虽然式（1）和式（2）给出了SB2闭合和SB2断开时的主磁通，但通过这两个公式无法直观地看出控制绕组的去磁作用。为此，初步选取正泰电器DZ47—60型MCB的尺寸进行定量计算，得到Rδ= 108H-1，取线路中的电流为10倍额定电流，即Im= 10In=600A，N1=2，N2=400，Z2=0.01Ω，α≈90°，则SB2闭合时的主磁通为

SB2断开时的主磁通为

SB2闭合和SB2断开时主磁通的对比如图4所示，可以看出，SB2闭合时对主磁通的削弱作用十分明显。

图4 SB2闭合和SB2断开时主磁通的对比

根据式（1），对于已经制作完成的双绕组电磁脱扣器，影响主磁通Φ的因素中只有电流线圈侧电流幅值Im一个变量。研究不同Im值时，控制绕组的去磁作用，额定短路电流为In，计算得到Im分别为5In、6In、7In、8In、9In、10In时主磁通Φ的变化，SB2断开和SB2闭合时的主磁通分别如图5（a）和图5（b）所示。

图5 不同倍数短路电流时的磁通变化

经计算，对于采用上述数据制作的双绕组电磁脱扣器，控制绕组电流在不同倍数的额定短路电流下均将主磁通变为原来的2%，不同倍数时的去磁效果是一致的。

当短路电流大于图2中的I2时，去磁作用仍然将主磁通变为原来的2%，因此当电流足够大时，主磁通的2%即足以使双绕组电磁脱扣器动作，此时双绕组电磁脱扣器将失去选择性，也就是电流大于I2时，双绕组电磁脱扣器将瞬间动作。

通过式（1）可以看出，SB2闭合时的主磁通表达式中包含以自然对数e为底的指数形式，因此，随着时间的增加，该项对主磁通的影响逐渐降低，0.3s内的磁通如图6所示。

图6 以自然对数e为底的指数形式对磁通的影响

从图6可以看出，虽然气隙磁通是在正弦交变的基础上增加了以自然对数e为底的指数这一项，但其对气隙磁通幅值影响甚微，不会对双绕组电磁脱扣器产生影响。

电磁铁的吸力是通过气隙磁通产生的，为得到控制绕组对磁通的削弱作用，建立双绕组电磁脱扣器的有限元模型，如图7所示，其中图7（a）为有限元模型结构，包含一个带气隙的铁心和两套绕组，电流线圈和控制绕组均位于铁心有气隙的一侧，该模型是基于前期研究成果并对U形电磁铁合理简化建立的[20]，图7（b）为剖分结果，共52 473个单元。

图7 双绕组及铁心的有限元模型

当电流线圈通入10In时，得到SB2闭合时双绕组及铁心的磁通密度，如图8所示。

图8 SB2闭合时双绕组及铁心的磁通密度

从图8可以看出，磁通密度最大处出现在气隙位置，达到0.189T。分别提取SB2闭合和SB2断开时的气隙磁通密度，乘以气隙截面积得到气隙磁通，如图9所示，可以看出，SB2闭合时削弱了主磁通，与理论分析得到的结论一致。需要注意的是，图8和图9的结果是在短路电流幅值达到最大时得到的。

图9 SB2闭合和SB2断开时的气隙磁通

理论分析和有限元分析的对比结果如图10所示，可以看出，有限元分析中控制绕组的去磁效果远不如理论分析中的效果。这是由于理论分析并未考虑漏磁和铁心饱和的影响。有限元分析得到的结果显示，SB2闭合时，控制绕组将气隙磁通削弱为原来的15%左右，这足以抑制脱扣器的动作。

图10 理论分析和有限元分析的对比

3 磁簧开关和继电器的设计

若要实现双绕组电磁脱扣器的功能，控制绕组开关SB2的控制方法和控制策略至关重要。SB2的控制逻辑是，首先判断是否发生短路故障，其次是SB2开断时间的控制。本文设计的控制绕组开关SB2依靠电磁铁、磁簧开关、控制芯片和时间继电器进行控制，其逻辑关系如图11所示。

图11 SB2控制策略的逻辑关系

磁簧开关是一种通过所施加的磁场进行操作的电开关，其体积小巧，应用广泛，本文采用电磁铁和磁簧开关的组合作为线路是否发生短路的判断器。时间继电器及其控制芯片具有多种控制策略，可灵活控制SB2的动作时间，本文采用其作为控制器和执行机构。

磁簧开关的起动值与电磁铁的安匝数和电磁铁距离磁簧开关的距离密切相关，本文选取起动值为35A·匝的磁簧开关，其可在0.001s内动作。

时间继电器采用的控制策略为有信号时，继电器吸合tA后自动停止，停止后再计时tB，在tA+tB时间内信号触发无效。

当判断器判定发生短路后，控制芯片接收信号并触发时间继电器立即吸合，使得SB2闭合，控制绕组短路，短路短延时开始，持续tA后，时间继电器断开，SB2断开，控制绕组开路。若此时电流线圈流过的仍是短路电流，SB1将动作，切断故障电流；若此时下方支路已成功切断故障电流，即电流线圈流过的不是短路电流，此时判断器将判定无短路电流，继电器信号消失，回到正常工作状态。需要注意的是，tA后时间继电器必须断开，否则如果下方断路器没有成功切断故障电流，判断器将始终给控制芯片信号，时间继电器始终吸合，控制绕组始终短路，去磁作用始终存在，SB1将永远无法动作。因此，时间继电器在收到控制芯片信号吸合tA后，必须存在tB的释放期，且在tA+tB时间内，尤其是tB内有触发信号时也不动作，给SB1留出动作时间。如果tB内有触发信号，时间继电器动作，可能造成SB1动作时间不足，导致保护失效。短路短延时时间可根据具体需求进行设置，一般情况下，短路短延时的时间限为0.01s≤Ttr≤0.3s。

搭建好的磁簧开关、控制芯片、时间继电器和SB2的硬件电路如图12所示。图12中，分别设置了tA为0.3s和tB为1s，即短延时0.3s，1s释放期。

图12 硬件电路

tA和tB可根据需要方便灵活地做出调整以满足不同多层级配电系统的要求。

4 结论

断路器必须实现短路短延时以满足智能电网的要求，因此断路器的核心脱扣器必须具备短路短延时功能。本文依据电磁感应定律和楞次定律设计了双绕组可控电磁脱扣器，控制绕组中的感应电流对主磁通产生去磁作用，从而使脱扣器无法动作，达到短延时的目的。短延时时长依靠控制模块中的时间继电器进行控制，一般短路短延时时间限为0.01s≤Ttr≤0.3s，实验表明，控制模块可以很好地满足该时间限要求。下一步将制作双绕组可控电磁脱扣器，并将其与控制模块结合，验证其性能。