一種環(huán)網(wǎng)柜永磁驅(qū)動(dòng)模塊檢測裝置的設(shè)計(jì)研究

張瀟 李龍飛 鄒洪林 薛迪 劉雨

（1.深圳供電局有限公司，廣東深圳 518020；2.庫柏愛迪生（平頂山）電子科技有限公司，河南平頂山 467000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技進(jìn)步，環(huán)網(wǎng)柜的發(fā)展也非常迅速[1-3]，目前配電房運(yùn)行的環(huán)網(wǎng)柜操作機(jī)構(gòu)主要有彈簧操作機(jī)構(gòu)與永磁操作機(jī)構(gòu)兩種。統(tǒng)計(jì)資料表明，操作機(jī)構(gòu)的故障約占整個(gè)環(huán)網(wǎng)柜故障的70%，永磁機(jī)構(gòu)由于驅(qū)動(dòng)回路電子元器件較多導(dǎo)致電路部分故障率更高，因此對(duì)運(yùn)行中的環(huán)網(wǎng)柜操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，從而提早發(fā)現(xiàn)問題，對(duì)于提升環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行可靠性具有十分重要的意義[4-7]。

1 永磁環(huán)網(wǎng)柜優(yōu)缺點(diǎn)

永磁環(huán)網(wǎng)柜操作機(jī)構(gòu)是利用電磁鐵對(duì)鐵磁材料的吸力來驅(qū)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)分合閘的，分合閘完畢后，斷開線圈中的電流，再利用永磁體產(chǎn)生的磁場來實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘狀態(tài)的保持，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 永磁驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

與傳統(tǒng)的彈簧操作機(jī)構(gòu)相比，永磁操作機(jī)構(gòu)沒有儲(chǔ)能、脫扣、鎖扣等裝置，結(jié)構(gòu)更加簡單，從而使機(jī)構(gòu)的可靠性大大提高。永磁操作機(jī)構(gòu)又有著分閘速度快的優(yōu)點(diǎn)，固有分閘時(shí)間可以比彈簧機(jī)構(gòu)環(huán)網(wǎng)柜分閘時(shí)間短10～20 ms，有利于實(shí)現(xiàn)保護(hù)的級(jí)間配合。

同時(shí)，永磁操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電流較彈簧操作機(jī)構(gòu)大，需要用晶閘管準(zhǔn)確控制分合閘導(dǎo)通時(shí)間，電路部分故障率較彈簧機(jī)構(gòu)高，而且永磁斷路器柜只能手動(dòng)分閘不能手動(dòng)合閘，出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)故障時(shí)無法做到先送電再檢修，容易導(dǎo)致停電時(shí)間增加，引發(fā)客戶投訴。圖2為使用電子控制方式的雙線圈斷路器控制原理圖。

圖2 使用電子控制方式的雙線圈斷路器控制原理圖

經(jīng)分析近三年在運(yùn)永磁環(huán)網(wǎng)柜故障原因，發(fā)現(xiàn)約80% 的故障原因?yàn)橛来膨?qū)動(dòng)模塊故障，其余基本為位置觸點(diǎn)故障，沒有發(fā)生機(jī)械故障，驗(yàn)證了永磁環(huán)網(wǎng)柜機(jī)械可靠性高、電氣可靠性低的特點(diǎn)。因此，提升永磁環(huán)網(wǎng)柜的可靠性關(guān)鍵在于提升整體驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。

2 常見驅(qū)動(dòng)電路故障原因分析

以某公司智能公用柜為例，該柜生產(chǎn)日期為2019年2月，于2022年6月22日發(fā)生拒動(dòng)故障，檢查發(fā)現(xiàn)為過電壓引發(fā)電源模塊和驅(qū)動(dòng)模塊燒毀，如圖3、圖4所示。

圖3 過電壓燒毀充電模塊內(nèi)部電路板

圖4 電路示意圖（燒毀部分為虛線部分）

判斷原因?yàn)閿嗦菲饔来挪僮鳈C(jī)構(gòu)采用晶閘管控制驅(qū)動(dòng)電流通斷，永磁機(jī)構(gòu)線圈為感性負(fù)載，開關(guān)分閘后的磁恢復(fù)過程產(chǎn)生反向過電壓，同時(shí)回路中晶閘管等開關(guān)元件在長期使用過程中絕緣性能下降，被擊穿導(dǎo)致燒毀。研究發(fā)現(xiàn)，目前永磁環(huán)網(wǎng)柜驅(qū)動(dòng)模塊隨著使用年限的增加而故障率升高，這是該種環(huán)網(wǎng)柜所有廠家都存在的一個(gè)問題，應(yīng)當(dāng)通過定期檢查來提前發(fā)現(xiàn)并消除。

3 永磁環(huán)網(wǎng)柜定檢存在的問題及解決方案

目前，維護(hù)單位普遍采取的定檢方法為斷開負(fù)荷開關(guān)柜電機(jī)處、斷路器柜脫扣器處端子，接入數(shù)字萬用表直流電壓檔，DTU 處給分/合閘信號(hào)，通過讀取電壓來判斷二次回路是否正常。這種測試方法適用于彈簧操作機(jī)構(gòu)的環(huán)網(wǎng)柜而不適用于永磁操作機(jī)構(gòu)，原因在于永磁驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓持續(xù)時(shí)間為毫秒級(jí)，數(shù)字萬用表不能夠有效識(shí)別，而且通過上文分析可知，永磁驅(qū)動(dòng)模塊故障的主因?yàn)榫чl管截流產(chǎn)生的過電壓，宜采取帶載測試的方案來模擬實(shí)際工況。

為解決此問題，本文設(shè)計(jì)了一款便攜永磁驅(qū)動(dòng)模塊檢測裝置，該裝置內(nèi)置蓄電池，也可采用DTU 交流輸出作為電源。檢測時(shí)把驅(qū)動(dòng)出口航插接入該裝置，通過DTU 給出分閘指令，如果有正常驅(qū)動(dòng)電流流過，會(huì)亮指示燈作為顯示。因驅(qū)動(dòng)電流沒有經(jīng)過永磁機(jī)構(gòu)，可確保檢測時(shí)開關(guān)不會(huì)動(dòng)作，可以不停電進(jìn)行檢測。而且檢測時(shí)只涉及插拔航插，可確保正確恢復(fù)設(shè)備正常狀態(tài)，同時(shí)提升了檢測效率。此裝置可直觀、可靠、便捷地檢測永磁驅(qū)動(dòng)裝置有無異常，從而有效提升永磁環(huán)網(wǎng)柜的運(yùn)行可靠性。

4 電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 永磁驅(qū)動(dòng)檢測裝置電路圖

圖5中P1為外部交流220 V 輸入美標(biāo)插座，其交流輸入電壓范圍為220×（1±20%）V。F1為電流過流保險(xiǎn)絲，當(dāng)內(nèi)部發(fā)生電路短路時(shí)，提供熔斷保護(hù)。開關(guān)電源U1負(fù)責(zé)把AC220V 交流電轉(zhuǎn)換成DC 12 V 的電壓，再提供控制器工作的電能，同時(shí)具有給鋰電池充電的功能，以保證補(bǔ)充足夠的能量給鋰電池。磁保持繼電器K1模擬單穩(wěn)態(tài)單線圈永磁開關(guān)，執(zhí)行接收到的電脈沖，按設(shè)想的要求工作，并接通相應(yīng)的指示燈。S1為雙聯(lián)船型開關(guān)，打開時(shí)220 V 電源接通，同時(shí)內(nèi)部12 V 電池電源接通到內(nèi)部電路作為工作電源；雙聯(lián)船型開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電池工作在低功耗狀態(tài)，保證電池不會(huì)因過放電而損壞。二極管D1利用其單向?qū)щ娞匦裕乐闺姵胤创腴_關(guān)電源U1，從而引起損壞。BT為鋰電池組，保證現(xiàn)場無外部AC220V時(shí)仍能24 h正常操作。P2的1腳、8腳為永磁開關(guān)控制器控制端，當(dāng)施加1腳+、8腳-電壓時(shí)，永磁開關(guān)合閘，當(dāng)連接本測試裝置時(shí)，控制繼電器K1工作，接通LED1，指示合閘成功，R1為LED1限流電阻；當(dāng)施加1腳-、8腳+電壓時(shí)，永磁開關(guān)分閘，當(dāng)連接本測試裝置時(shí)，控制繼電器K1反向工作，接通LED2，指示分閘成功，R2為LED2限流電阻。R3為繼電器K1電流電阻。S2為常開雙聯(lián)開關(guān)，按下時(shí)接通控制繼電器K1工作，接通LED1，指示合閘成功，二極管D2利用其單向?qū)щ娞匦裕乐狗聪螂妷捍脘囯姵亍3為常開雙聯(lián)開關(guān)，按下時(shí)接通控制繼電器K1反向工作，接通LED2，指示分閘成功，二極管D3利用其單向?qū)щ娞匦裕乐狗聪螂妷捍脘囯姵亍Ｑb置組裝完成后樣機(jī)如圖6所示。

圖6 裝置樣機(jī)

5 現(xiàn)場應(yīng)用

本裝置于深圳供電局有限公司在運(yùn)RVAC型永磁環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行了匹配性測試，環(huán)網(wǎng)柜永磁驅(qū)動(dòng)電路主要元器件參數(shù)如表1所示。

表1 永磁驅(qū)動(dòng)電路主要元器件參數(shù)表

現(xiàn)場試驗(yàn)流程如下：（1）斷開斷路器永磁驅(qū)動(dòng)電路輸出回路；（2）接入永磁驅(qū)動(dòng)模塊檢測裝置；（3）按照實(shí)際斷路器分合閘位置，按下永磁驅(qū)動(dòng)模塊檢測裝置按鈕；（4）在DTU 處選擇就地模式，通過分合閘按鈕模擬分合閘，永磁驅(qū)動(dòng)模塊檢測裝置燈亮，表示驅(qū)動(dòng)電路輸出正常；（5）恢復(fù)斷路器為原始狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：（1）本裝置在開關(guān)本體處于合分閘任意位置均可以正確指示永磁斷路器驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流；（2）可以在一次帶電的工況下進(jìn)行檢測；（3）操作簡單，檢測兩路斷路器單元的驅(qū)動(dòng)電流耗時(shí)大約為10 min；（4）滿足運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)永磁環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行定檢的需求。

6 結(jié)語

本文針對(duì)目前定檢方法無法有效排查永磁環(huán)網(wǎng)柜驅(qū)動(dòng)電路故障的問題，設(shè)計(jì)了一種永磁驅(qū)動(dòng)模塊檢測裝置，該裝置可以方便有效地測試永磁驅(qū)動(dòng)裝置的輸出脈沖并準(zhǔn)確指示合分閘的位置，同時(shí)考慮了便攜性，可以用作運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)永磁環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行定期檢查的檢測設(shè)備，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。