汤龙飞;许志红;廖珠胜
【摘 要】The coil of the breaking and closing electromagnet for the distribution system breaker is easy to burn. Aimed at the common failure, this paper designed an intelligent control module for the breaking and closing electromagnet to control the coil current with a closed-loop. Therefore, the excit-ing way of the electromagnet can be fundamentally changed. The module can control the exciting time and the exciting current of the coil accurately. With these measures, the coil burning can be avoided, and the operation characteristics of the electromagnet will not be affected by the ac phase angle. The coil current can be accurately control over a wide range of input voltage, and it improves the consistency of the operation characteristics. Through co-simulation, the validity of the coil driver circuit and the hysteresis current control mode have been proved. The digital control technology has been introduced to design the control module and some experiments verified the actual effectiveness.%针对配电系统中断路器分合闸电磁铁的线圈易烧毁这一常 见故障,设计了分合闸电磁铁智能控制模块,对电磁铁的线圈电流进行闭环控制.改变电磁铁的激磁方式,严格控制线圈激磁电流及激磁时间,避免了线圈的烧毁故障.同时,其动作特性不受合闸相角的影响,可以在宽电压范围内精确控制线圈电流,提高了动作特性的一致性.通过一体化仿真,验证了线圈驱动电路及滞环电流控制方式的有效性,引入数字控制技术开发控制模块,并进行相关实验验证. 【期刊名称】《福州大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(045)006
【总页数】7页(P853-859)
【关键词】分合闸电磁铁;智能控制;断路器
【作 者】汤龙飞;许志红;廖珠胜
【作者单位】福州大学电气工程与自动化学院,福建 福州 350116;福州大学电气工程与自动化学院,福建 福州 350116;福建省电力公司福州供电公司,福建 福州 350009
【正文语种】中 文
【中图分类】TM572.2
mide-008
0 引言
车载广告在配电网络中存在大量的10、35 kV断路器，是最重要的开关设备之一[1]. 其分、合闸操作通过分、合闸电磁铁动作来瞬时冲击脱扣挚子，挚子脱扣后释放弹簧储能机构的能量，带动操作机构动作，从而完成触头的分、合闸[2]. 也就是说，分、合闸电磁铁并不是断路器动作的直接动力，其仅用于储能弹簧的能量释放，电磁铁线圈只需要短时的激磁电流来提供足够的瞬时冲击力即可[3]. 因此，其线圈往往按短时通电设计，超过2 s就可能烧坏[4]. 断路器分、合闸完成后，通常依靠辅助触点的动作来及时断开分、合闸线圈电流，避免烧坏[5].
由此可见, 分、合闸电磁铁是高压断路器操作机构的第一级控制元件，其保护功能最后都要通过该电磁铁的动作来实现. 但随着断路器的长期使用，其操作机构可能出现卡涩、动作不到位或辅助触点粘连等问题，使线圈长时间通电而烧毁，降低配电系统的供电可靠性[6-7].
此外，断路器“跳跃”故障是最恶劣的故障之一，发生的原因及过程如下：由于自动装置触点或控制开关自身特性的原因，在断路器合闸操作完成后，分合闸启动回路触点未立即断开，合闸脉冲一直存在. 此时，如果系统故障(比如存在预伏短路电流)，保护动作，断路器跳闸，但由于合闸命令并未解除，则断路器在跳闸后会重新合闸； 如果为永久性故障，保护会再次将开关跳开，持续存在的合闸脉冲将会使断路器再次合闸； 如此循环，发生断路器持续的“分—合”现象，称为断路器的跳跃故障，可能造成严重的爆炸事故[8-9].
目前，针对分、合闸线圈烧毁这一故障多采取改进断路器二次控制回路的措施，如：增加时间继电器、中间继电器或其他延时开断装置，在设定时间内断开分、合闸线圈回路[10]，而针对断路器的“跳跃”故障，同样必须在二次回路中加装防跳继电器回路[11]. 以上措施无疑增加了二次继保回路的复杂程度，为电力系统引入了不可靠因素. 本研究设计分合闸电磁铁智能控制模块，对电磁铁的线圈电流进行闭环控制，有效防止了线圈的烧毁故障. 同时，在数字系统中融入电子防跳跃控制逻辑，模块体积小巧，集成度高，简化了二次回路的设计，提高了电磁铁的性能。
1 控制模块工作原理
控制模块原理如图1所示. 以微芯公司dsPIC为核心，采用全数字的方式完成分合闸电磁铁线圈电流的闭环控制及所有的状态监视和通信任务，简化模块的硬件设计. 模块中存在一个单刀双掷继电器，当进行合闸操作时，dsPIC驱动继电器使常开触点闭合，将合闸线圈接入控制回路； 当进行分闸操作时，使继电器复位，将分闸线圈接入控制回路，分、合闸线圈分时复用一套控制电路，既降低了成本，又方便电子防跳功能的实现.
图1 控制模块原理Fig.1 Principle of control module
开关型霍尔传感器
电流闭环控制原理为：输入电源整流滤波后经电子开关斩波，产生高频方波电压，施加在线圈两端，在线圈电感作用下，得到稳定、可调的线圈电流. 霍尔电流传感器检测线圈电流并送入dsPIC中，进行滞环电流运算后输出驱动信号，经隔离驱动作用于电子开关，对线圈电压进行调节，完成电流的闭环控制.
断路器长期运行后可能产生拒动故障，使辅助触点难以有效动作，辅助触点监测电路监测触点状态，及时报警拒动故障； 线圈温度监测电路监测线圈温度，电压检测电路监测输入电源，人机界面在本地设置运行参数并显示运行状态； 通信接口融入现有的调度遥控体系中，对分合闸电磁铁进行远程控制，并将运行状态反馈至控制室； 在一次遥控失败的情况
下，可对模块参数进行远程或本地重置，增加激磁电流及激磁时间后及时进行二次遥控，提高遥控分合闸的成功率，减少拒动造成的长时间、大面积停电； 本地分合闸接口可以接收外部输入的分合闸脉冲.铁盒制作
本地分合闸接口接到外部脉冲后，将信号传入电子防跳跃逻辑电路进行逻辑判断：如果一个合闸操作后紧跟一次分闸操作时，模块控制合闸电磁铁先动作，合闸完成后再控制分闸电磁铁动作，完成脉冲要求的一次断路器合闸-分闸动作; 但禁止之前的合闸命令引起第二次合闸操作，此时通过电子防跳跃逻辑电路将继电器锁定在复位状态，防止再次合闸，如果要进行第二次合闸操作，则前一个合闸命令必须先消失，之后再重新发出，从而防止跳跃故障的产生.
控制模块需采取一定的抗干扰措施，避免高压环境下的电磁干扰[12]. 采用开关电源为模块提供工作电源，在开关电源的输入端增加电源滤波器； 在dsPIC等关键芯片就近处增加去耦电容，对电压、电流进行隔离采样，同时驱动电路与主电路采用光耦隔离； 在dsPIC复位引脚增加RC滤波电路，防其错误复位并在软件中开启低压工作使能，进一步增强对欠压的承受能力. 在软件方面，开启芯片内置看门狗，用于防止程序死循环或跑飞，在采样程序
水泵远程监控中采取数字滤波，防止干扰信号影响采样准确度. 配合合理的PCB布局及模块外壳接地，避免受高压环境的影响.
2 控制模块仿真分析
目前，常用ANSYS进行铁心静态吸力仿真，耦合电压平衡和达朗贝尔机械运动方程进行动态吸力仿真，然后用ADAMS构建操动机构机械模型，仿真得到动触头和动铁心的位移-时间特性[13]. 但电流闭环控制下的分合闸电磁铁，其运动过程中的机械参量和电参量是耦合的，控制模块的输出电压和线圈电流也是相互影响的，应用该方法进行仿真较为困难. 因此，构建一体化仿真进行控制模块与电器本体的逐点闭环仿真，可以方便的用于智能电器的设计.
2.1 一体化仿真原理
图2 一体化仿真原理Fig.2 Principle of co-simulation
一体化仿真原理如图2所示，整个程序放入一个仿真循环中. ① 用Multisim设计分合闸电磁铁线圈驱动电路. ② 在LabVIEW中建立电磁铁的动态仿真程序及滞环控制程序. ③ 在Multis
im和LabVIEW间构建数据通道，两个独立的仿真软件同时进行非线性时域仿真，在每个仿真步长结束时，相互交换数据. 在每个仿真步长中，LabVIEW主要向Multisim传输PWM驱动信号及磁路电感，更新线圈驱动电路的开关信号及电磁铁线圈电感. Multisim主要向LabVIEW传输受反馈控制后的方波线圈电压，为电磁铁的动态模型提供激励源. ④ 通过外围仿真循环来更新每个步长下的仿真状态，并不断进行迭代，完成闭环控制下的整个运动过程的仿真.漩涡混匀器
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