便攜式永磁機構控制器的硬件設計

王軍安

（西安工程大學，陜西西安710048）

0 引言

配電網中永磁機構斷路器常安裝于10kV架空配電線路的責任分界點處，可以實現單相接地故障、相間短路故障的快速切除，避免同一條饋線上的其他用戶停電，提高非故障用戶的供電可靠性。永磁操作機構斷路器以其卓越的性能、簡單的結構及高可靠性獲得了市場的認同，隨著農網配電系統改造，未來市場需要更換新設備的需求很大。大量永磁機構斷路器投入使用后，實際使用中因為某些原因，有些斷路器會因為控制器故障無法進行分合閘操作，為解決現場的這個問題，本文設計了簡易的便攜式永磁機構斷路器的控制器，其具有獨立的蓄電池，并且體積小、重量輕，便于現場臨時應急使用。

1 單穩態永磁機構斷路器的控制原理

單穩態永磁機構斷路器原理圖如圖1所示。

圖1 單穩態永磁機構斷路器原理圖

當需要合閘時，對分合閘線圈施加正向電流，其產生強大磁場帶動動芯及觸頭完成合閘工作并給分閘彈簧儲能；當需要分閘時，對分合閘線圈施加反向電流，產生相反的磁場，當電磁力和分閘彈簧的合力大于保持力時，動芯就會向分閘方向運動帶動觸頭完成分閘操作。

2 單穩態永磁機構斷路器控制器設計

2.1 總體設計

控制器的核心功能是控制斷路器的分合，使用時由蓄電池為整個系統提供電源，不需要外接電源。主要包括如下功能模塊：蓄電池充放電管理模塊、電容器充電管理模塊、分合閘控制電路模塊、主控模塊。本文主要介紹分合閘控制電路及儲能模塊設計。

2.2 分合閘控制電路設計

電容器儲存的電能通過分合閘控制電路給分合閘線圈供電來完成分合閘操作，分合閘電路充當著開關的角色，完成大電流的開通和切斷。斷路器的分合閘時間一般在50ms以內，普通的繼電器已經很難精確地去控制，而且體積會比較大，綜合各方面因素，選用了IGBT作為開關元件，而單穩態單線圈的永磁機構要完成分合閘操作，需要改變加在線圈上的電壓的方向，即合閘時是正向加電壓，分閘時反向加電壓，所以使用4個IGBT組成全橋電路來實現功能，并實現簡單的過流保護功能，驅動示意圖如圖2所示。

圖2 IGBT驅動示意圖

IGBT全橋驅動電路采用快速開斷、大功率G160N60型IGBT，當需要進行分合閘操作時，MCU發出脈沖信號，通過線圈正、反方向電流，驅動對應IGBT導通或關斷，控制永磁機構完成分合閘操作。合閘操作時電流通路為：VOP（電容器）→T1→線圈L→T2→GND。斷電后通過與IGBT并聯的二極管形成續流回路進行放電，續流回路為：線圈L→D3→VOP（電容器）→D4。分閘操作時電流通路和續流通路與合閘相對應。

2.3 儲能模塊設計

儲能模塊為分合閘操作提供直接的能源供給，其核心功能為電容器充電管理。因為電容器的特殊性，剛開始充電時阻抗很小，電流很大，如果用普通的電源充電，會導致電源瞬間進入短路保護狀態，而當電容器電壓達到規定時要停止充電，并能維持這個電壓，因此采用恒流限壓的方式對電容器充電，可以有效解決這個問題。電容充電電路是該部分的核心，其簡化模型如圖3所示。

圖3 電容充電電路簡化模型

考慮到充電時間及體積功率等因素，充電電流選擇恒流500mA，可以在10s內充滿該時間和彈操機構的儲能時間相當，剛開始充電時，電容電壓為0，電容的內阻非常小，此時采用恒流充電，直到電容電壓達到設定值時停止充電（本裝置設置停止電壓為DC230V），此時因為漏電流的原因，電容電壓會緩慢下降，當電容電壓下降到設定值的95%時，充電模塊重新開始新的充電循環。

3 單穩態永磁機構斷路器控制器實驗驗證

本文搭建了實驗平臺并驗證了該裝置的基本功能，其分合閘時間實驗中分/合閘電流波形及位置信號的波形圖如圖4（a）、（b）所示。其中合閘過程電流波形呈馬鞍形，分閘過程電流以“V”形分布。

斷路器動作的分/合閘時間是其機械特性的重要參數，若分/合閘時間過短，操作失敗的可能性增大；若分/合閘時間過長，電源功耗增加，線圈發熱嚴重，斷路器壽命將有所減短。所以，斷路器分/合閘時間的設置直接影響斷路器分/合閘操作的可靠性及其機械壽命。本文經過大量的實驗后，最終將分合閘時間分別定為25ms和45ms，既能保證可靠分合閘，又可以節約能源。

圖4 分/合閘電流波形及位置信號波形

4 結語

本文設計了一種便攜式永磁機構控制器，用在應急現場，處理突發情況。經過市場驗證證明，其具有可靠性高、攜帶方便、操作方便等特點，很好地解決了現場的臨時應急問題。