CN101645376B - 数字化智能快速永磁断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字化智能快速永磁断路器，包括用于驱动合、分闸的操动机构以及用于控制所述操动机构动作的微处理控制单元，所述操动机构包括用于驱动分闸的电磁斥力机构和用于驱动合闸以及分、合闸保持的永磁机构。所述微处理控制单元包括用于测量所述断路器所在线路上的电气参量的检测电路、接收所述检测电路输出的电气参量的输入接口电路、输出分断信号指令的输出接口电路和对输入信号进行分析和运算并依程序设定生成所述分断信号指令的信号处理电路。本发明满足了快速分断的要求，可更大限度地保护回路上的电器设备免受损坏，既提高了配电网的供电可靠性，又适应了电力系统的数字化、自动化发展要求。

Description

数字化智能快速永磁断路器

技术领域

本发明涉及一种数字化智能供电设备，主要涉及应用于配电主干线和变电站出口处的快速切除故障的永磁断路器。

背景技术

断路器是电力系统必不可少的基本工业产品和关键元件，其任务是关、合负荷电流及开断短路故障电流，保护电网及回路上电器设备免受损坏，因此断路器的可靠性和快速性至关重要。对于断路器产品，从理论上讲要求断路器动作越快越好，这样可以迅速切除故障，防止事故在电网蔓延。另外，为了提高配电网供电可靠性，故障发生后不仅要求最快的动作速度，还要求最小的切除故障范围。

目前在配电网，真空断路器已经占据了绝对的主导地位。现有的真空断路器其操动机构分为弹簧操动机构和永磁操动机构，由于受技术、设计、结构上的限制，这两种操作机构的固有分闸时间一般都在20ms左右，保护动作出口时间一般都大于30ms，因此导致速断故障发生后保护整组动作时间(包含断路器动作时间)一般在50～80ms，即3～4个周波。而且，由于目前的断路器速断保护动作时间没有相应的级差配合，导致停电范围大。

随着数字化变电站的发展，现有的断路器的动作速度和停电范围大的缺陷凸显，成为了重要的限制因素。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种数字化智能快速永磁断路器。该断路器满足了快速分断的要求，可实现快速分闸，在一个周波内断开。适宜于远程遥控和智能化控制。

本发明所采用的技术方案是：

一种数字化智能快速永磁断路器，包括用于驱动合、分闸的操动机构以及用于控制所述操动机构动作的微处理控制单元，所述操动机构包括用于驱动分闸的电磁斥力机构和用于驱动合闸以及分、合闸保持的永磁机构，所述微处理控制单元包括用于测量所述断路器所在线路上的电气参量的检测电路、接收所述检测电路输出的电气参量的输入接口电路、输出分断信号指令的输出接口电路和对输入信号进行分析和运算并依程序设定生成所述分断信号指令的信号处理电路。

所述永磁机构包括动铁芯和用于驱动灭弧装置动作的输出轴，所述动铁芯和所述输出轴固定连接，所述电磁斥力机构包括固定的斥力线圈和受所述斥力线圈磁场作用的斥力金属盘，所述斥力金属盘与所述输出轴固定连接。

所述永磁机构还可以包括固定的中空柱状的磁轭，所述动铁芯位于所述磁轭的柱状空间内，所述动铁芯与所述磁轭之间的环形空间的下部设有用于产生合闸驱动力的合闸线圈，所述电磁斥力机构位于所述永磁机构的上方或下方。

所述动铁芯与所述磁轭之间的环形空间还可以设有永磁导磁机构，所述永磁导磁机构呈环形，并环绕在所述动铁芯的外部，所述永磁导磁机构包括永久磁铁和导磁体，所述永磁导磁机构直接连接所述磁轭的内壁，且其内径大于所述动铁芯的外径，所述永久磁铁可以位于所述导磁体的内侧或外侧，或嵌入所述导磁体的中部。

所述磁轭可以为分体结构，包括两端敞开的中空柱状的磁轭本体以及固定连接在所述磁轭本体上、下两端的设有中心通孔的分闸挡板和合闸挡板。

所述斥力金属盘可以为斥力铜盘，所述输出轴与所述斥力铜盘之间可以直接固定连接或通过其他单个或多个零件组成的机械结构件间接固定连接。

所述磁轭上的中心通孔直迳可以小于所述动铁芯的直径。

所述斥力线圈的供电回路上串联有向所述斥力线圈放电的预充电电容以及控制电流通、断的开关控制器，所述开关控制器可以采用大功率晶闸管开关。

所述输入接口电路中可以含有高速模数转换器和人机对话模块MMI，所述信号处理电路可以采用高速信号处理电路，通过所述MMI可以很方便地修改设定参数，所述输出接口电路可以通过输出继电器控制所述开关控制器的通断。

该数字化智能快速永磁断路器还可以设有用于接收远程控制信号的遥控开关电路，远方的定值可以修改，所述检测电路的输出端以及所述遥控开关电路的输出端与所述输入接口电路的输入端连接，并将所述检测电路输出的电气参量的测量值经所述高速模数转换器转换后送入所述信号处理电路，将所述遥控开关电路输出的遥控开关信号送入所述信号处理电路，经所述信号处理电路的处理生成分断信号指令经所述输出接口电路送出控制所述操动机构。

本发明的有益效果是：

本发明主要利用电磁斥力机构的快速动作特性实现了断路器的快速分断，使整组动作时间小于一个周波(20ms)，并结合采用永磁机构提高了可靠性，而且降低了成本，本发明还采用大电流控制技术与电磁斥力机构相匹配，所采用的微处理控制单元可接收断路器所在线路的电气参量并以此作为依据经保护算法运算后输出分断信号指令控制操动机构的动作，也可以接收遥控开关电路输出的遥控开关信号并转化为分断信号指令用于操动机构的控制，并且，本发明可依据IEC61850数字化变电站的通信要求设计。

附图说明

图1为电磁斥力机构的原理图；

图2为本发明断路器的操动机构的一个实施例的结构示意图(分闸位置)；

图3为本发明断路器的操动机构的又一实施例的结构示意图(分闸位置)；

图4为本发明的断路器的操动机构的一个实施例的结构图(分闸位置)；

图5为本发明的断路器的电气原理框图。

具体实施方式

目前配电网断路器的用于驱动合闸、分闸的操动机构一般为弹操机构或永磁机构，因为结构上的原因，一般固分时间在20ms以上，不能满足快速分闸的需要。为了能够实现机构快速动作的目的，本发明的数字化智能快速永磁断路器的操动机构采用电磁斥力机构实现快速分闸。如图1所示，所述电磁斥力机构包括固定的斥力线圈1和受所述斥力线圈磁场作用的斥力金属盘，如斥力铜盘2(该金属盘可以是铜盘)，在断路器中所述斥力铜盘与用于驱动灭弧装置动作的输出轴固定连接。所述斥力线圈的供电回路上串联有向所述斥力线圈放电的预充电电容C4以及控制该回路电流通、断的开关控制器K3。当开关控制器3使该环路闭合时，预充电电容4向斥力线圈1放电，并产生较大的脉冲电流，此时斥力铜盘2因感应涡流而受到电磁推力F的作用向上运动，从而带动所述操动机构的输出轴向上运动。该电磁斥力机构是利用涡流斥力原理制作的开关操动机构，在短时间内即可以驱动负载快速动作，因此实现了快速分闸。申请人经过样机试验，与同类功能的永磁操动机构进行了实验对比分析，该电磁斥力机构动作快速，反应时间为3ms左右，远低于同类功能的永磁操动机构。

预充电电容4同时连接于一充电电路的输出端，用以在下一次放电前向预充电电容充电。

为了与电磁斥力机构所要求的大的脉冲控制电流等相适应，本发明的用于斥力线圈通、断控制的开关控制器采用大功率晶闸管开关。

为保证断路器合闸可靠，同时兼顾成本和可靠性等方面，本发明的操动机构采用电磁斥力机构和永磁机构相结合的技术方案，具体是利用电磁斥力机构驱动分闸，永磁机构实现分闸保持，保证快速分闸的同时减小过冲和反弹；利用永磁机构驱动合闸及实现合闸保持，既保证了合闸的可靠，又降低了对控制的要求，减小了断路器的体积和成本。

所述永磁机构包括相互间固定连接的动铁芯和所述输出轴，由于斥力铜盘与输出轴固定连接，因此斥力铜盘在电磁推力F的作用下也带动了动铁芯运动到分闸位置。

通过设置任意形式的合闸线圈，使其能够与动铁芯相作用，在合闸线圈通电时吸引动铁芯进行合闸动作，带动斥力铜盘和输出轴进行合闸动作，使输出轴达到合闸位置，实现合闸的目的。所述合闸线圈的结构和安装位置可以依据现有技术和其他任意可能的技术。

如图2、3所示，所述永磁机构还可以包括固定的中空柱状的磁轭17，所述动铁芯8位于所述磁轭的柱状空间内，所述动铁芯与所述磁轭之间的环形空间的下部设有用于产生合闸驱动力的合闸线圈9。

所述电磁斥力机构位于所述永磁机构的上方或下方，通过适当的设置所述合闸线圈、动铁芯、斥力铜盘以及斥力线圈之间的相对位置，使得合闸线圈通电时带动动铁芯的运动方向(合闸方向)与斥力线圈通电时带动斥力铜盘的运行方向(分闸方向)相反，就可以实现由斥力机构带动输出轴分闸而由永磁机构带动输出轴合闸的目的。

所述动铁芯与所述磁轭之间的环形空间还可以设有用于分、合闸保持的永磁导磁机构，所述永磁导磁机构呈环形(所述环形既包括一体结构所呈的环形也包括分体结构沿圆周方向间隔均布所呈的环形；既包括圆环形也包括非正圆的环形)，并环绕在所述动铁芯的外部，所述永磁导磁机构包括永久磁铁和导磁体，所述永磁导磁机构直接连接所述磁轭的内壁，且其内径大于所述动铁芯的外径，以不影响动铁芯的上下往复运动，所述永久磁铁位于所述导磁体的内侧或外侧，或嵌入所述导磁体的中部，永磁导磁机构与磁轭、动铁芯共同构成磁回路。

所述永磁机构与所述电磁斥力机构的具体安装方式可以采用如下两种：

(1)如图2所示，所述电磁斥力机构位于所述磁轭的外侧上部，所述磁轭的上、下两端各自设有中心通孔，所述斥力铜盘2通过连杆13与所述动铁芯固定连接，所述连杆穿过所述磁轭的上端的中心通孔，所述动铁芯与所述输出轴15固定连接，所述输出轴穿过所述磁轭的下端的中心通孔向下伸出。实践中，所述连杆与所述输出轴可以是同一个轴，穿过所述动铁芯的中央通孔并于所述动铁芯固定在一起，也可以是两个相互独立的同心轴，分别固定连接与所述动铁芯的上下两端。

(2)如图3所示，所述电磁斥力机构位于所述磁轭的外侧下部，所述磁轭的下端设有中心通孔，所述输出轴15穿过所述磁轭的下端的中心通孔直接与所述斥力铜盘2固定连接。

此外，所述磁轭也可以是分体结构，如在图2所示的永磁机构与电磁斥力机构的相对安装例中采用分体的磁轭，如图4所示，包括两端敞开的中空柱状的磁轭本体5以及固定连接在所述磁轭本体上、下两端的设有中心通孔的分闸挡板6和合闸挡板7，并形成了一个相对封闭的柱状空间，动铁芯8位于该柱状空间内并可在分闸挡板6和合闸挡板7之间往复运动。合闸线圈9位于动铁芯8与磁轭本体5之间的环形空间的下部，即靠近合闸挡板一侧，用于产生合闸驱动力。导磁体10和永久磁铁11由内至外依次设置在合闸线圈9的上方，用于实现分、合闸保持。导磁体10和合闸线圈9与动铁芯8之间存在微小空隙，以不影响动铁芯上下往复运动。

所述输出轴与所述铜盘之间可以直接固连(如图3)，也可以通过其他单个或多个零件组成的机械结构件间接固连(如图2、4)，固连的方式可以是整体式，分体焊接式，也可以是螺纹联接等现有技术下各种连接方式。

当为螺纹联接时，所述动铁芯的一端可以设有中心螺纹孔，所述输出轴15的一端设有外螺纹，并通过旋入上述中心螺纹孔与所述动铁芯固定连接。

在图4所示的结构例中，电磁斥力机构位于磁轭外侧的上部，而输出轴自磁轭下部伸出，斥力铜盘2可以依次借助连杆13和动铁芯8与输出轴固定连接。当采用螺纹联接时，所述动铁芯的另一端也可以设有中心螺纹孔，连杆的一端设有外螺纹，通过将连杆旋入该中心螺纹孔的方式实现连杆与动铁芯的固定连接，所述连杆的另一端则可以通过螺纹联接件如螺钉14与所述斥力铜盘固定连接。此外，动铁芯也可以采用图中所示的中心螺纹通孔结构，输出轴通过该中心螺纹通孔与动铁芯固定连接，伸出的一端再直接与斥力铜盘固定连接。

斥力线圈与磁轭是相对固定的，图4中所述斥力线圈1通过固定螺杆12、安装板16固定连接在分闸挡板6上。

所述磁轭两端上的中心通孔直迳可以小于所述动铁芯的直径，起到一定的限位作用。

所述输出轴外伸的一端通过机械传动机构驱动灭弧装置，该端可以设有外螺纹。

本发明的操动机构的动作过程为：

①合闸：

当接到合闸命令后，合闸线圈所在电回路闭合，合闸线圈通电并产生磁场，磁力线经动铁芯、合闸挡板、磁轭本体、永久磁铁和导磁体又回到动铁芯，从而构成了完整的磁力线传递回路。在磁力作用下动铁芯克服永久磁铁磁场对其上部向上的保持力而向下运动，同时带动输出轴向下运动到合闸位置，断路器触头闭合，完成了电路的接通。同时，在输出轴的带动下，斥力铜盘也同步地向下运动，相应运动到分闸的预备位置。此后，合闸命令撤销，动铁芯依靠永久磁铁的吸引力保持在该合闸位置。

②分闸：

当接到分闸命令后，开关控制器接通，斥力线圈供电回路闭合，预充电电容向斥力线圈放电，并产生较大的脉冲电流，斥力铜盘因感应涡流而受到向上的电磁推力作用，在克服了永久磁铁磁场对动铁芯下部向下的保持力的情况下向上运动，同时通过连杆和动铁芯带动输出轴迅速地向上运动到分闸位置，断路器通过其他机械传动机构的驱动使灭弧装置内两触头分离并在其间产生电弧，直至电流自然过零时电弧熄灭，完成了电路的开断。此后，分闸命令撤销，动铁芯依靠永久磁铁的吸引力保持在该分闸位置。

所述操动机构还包括电气控制部分，如图5所示，主要是用于分别为所述斥力线圈以及所述合闸线圈供电的回路和用于控制所述操动机构动作的微处理控制单元。所述微处理控制单元可以包括接收所述断路器所在线路的电气参量的输入接口电路、输出分断信号指令和合闸信号指令的输出接口电路和对输入信号进行分析和运算并依程序设定生成所述分断信号指令的信号处理电路。所述输入接口电路中的模数转换可以采用高速模数转换器，所述信号处理电路可以采用以高速数字芯片为核心的高速信号处理电路，所述输出接口电路包括驱动电路，所述驱动电路可以通过输出继电器控制所述开关控制器的通断，还可以通过继电器控制流过合闸线圈的电流的通断。

上述电气控制部分还可以设有用于测量断路器所在线路上的电气参量(如电流)的检测电路。所述检测电路的输出端与所述输入接口电路的输入端连接，并将所述检测电路输出的电气参量的测量值经输入接口电路中采用的高速模数转换器转换后送入所述信号处理电路，将所述遥控开关电路输出的遥控开关信号送入所述信号处理电路，经所述信号处理电路进行电气参量(如电流)有效值的计算，然后对计算结果进行判断，当判断为故障参量(如故障电流)，信号处理电路相应发出分闸控制指令，经输出接口电路中的驱动电路送出分断信号指令，经输出继电器控制开关控制器接通，电磁斥力机构动作驱动操动机构分闸。合闸指令也经驱动电路送出，经继电器控制永磁机构合闸。

其中的检测电路可以采用常规的互感器(如电流互感器、电压互感器)与电力系统中测量仪表(如有功电度表)相结合来实现。

以检测电流为例，电流有效值的计算涉及交流采样算法，现有的交流采样算法一般采用傅立叶变换或其变种，该算法具有精度高、算法简单的特点。但是该算法需要一个完整周波采样才能准确计算出故障电流的大小，由于50HZ交流一个周波的时间为20ms，所以采用该算法速断动作时间要大于20ms，无法满足快速保护的需求，因此可以采用新型的更加简洁的故障电流算法，并采用高速信号处理电路，软、硬件两方面相结合进一步缩短故障电流信号程序判断处理时间，能够在更短时间内如1～2ms内计算出故障电流的大小，从而能够在最短的时间内判断出故障，从理论上保证了智能保护器速断保护的整套动作时间小于8ms。申请人已对该算法的实际效果进行了实验验证。

所述输入接口电路中还可以含有人机对话模块MMI，通过该模块的简单按键及友好的人机交互界面可以很方便地设定参数和修改设定的参数。

为了便于实现远程控制，上述电气控制部分还可以设有用于接收远程控制信号的遥控开关电路，通过该电路可以修改远方的定值，即可以远程实现对本地设定值的调节。所述遥控开关电路的输出端与所述输入接口电路的输入端连接，遥控开关电路输出的遥控开关信号经输入接口电路被送入所述信号处理电路，变换为分闸控制指令后通过输出接口电路送出分断信号指令，经输出继电器控制开关控制器接通，电磁斥力机构动作驱动操动机构分闸。合闸指令也经驱动电路送出，经继电器控制永磁机构合闸，从而实现远程遥控分闸，有利于实现自动化和智能化控制。

本发明的数字化智能快速永磁断路器集微处理机技术、现代网络通讯技术和新型开关制造技术于一体，具备自动快速保护功能，经申请人实验验证，其保护和断路器整组动作时间不超过15ms，实现了一个周波内开断，可使停电范围缩减到更小，因此提高了配电网的供电可靠性，更大限度地保护回路上的电器设备免受损坏，适应了电力系统的可靠性、快速性、数字化、自动化发展要求。

为了便于解释说明，本说明书所称的“上”、“下”概念都是相对说明书附图中图示方位而言的，不构成对本发明处于实际使用状态时上、下方位的限制。

Claims (7)

1.一种数字化智能快速永磁断路器，包括用于驱动合、分闸的操动机构以及用于控制所述操动机构动作的微处理控制单元，其特征在于所述操动机构包括用于驱动分闸的电磁斥力机构和用于驱动合闸以及分、合闸保持的永磁机构，所述微处理控制单元包括用于测量所述断路器所在线路上的电气参量的检测电路、接收所述检测电路输出的电气参量的输入接口电路、输出分断信号指令的输出接口电路和对输入信号进行分析和运算并依程序设定生成所述分断信号指令的信号处理电路，所述永磁机构包括动铁芯和用于驱动灭弧装置动作的输出轴，所述动铁芯和所述输出轴固定连接，所述电磁斥力机构包括固定的斥力线圈和受所述斥力线圈磁场作用的斥力金属盘，所述斥力金属盘与所述输出轴固定连接，所述永磁机构还包括固定的中空柱状的磁轭，所述动铁芯位于所述磁轭的柱状空间内，所述动铁芯与所述磁轭之间的环形空间的下部设有用于产生合闸驱动力的合闸线圈，所述电磁斥力机构位于所述永磁机构的上方或下方，所述动铁芯与所述磁轭之间的环形空间还设有永磁导磁机构，所述永磁导磁机构呈环形，并环绕在所述动铁芯的外部，所述永磁导磁机构包括永久磁铁和导磁体，所述永磁导磁机构直接连接所述磁轭的内壁，且其内径大于所述动铁芯的外径，所述永久磁铁位于所述导磁体的内侧或外侧，或嵌入所述导磁体的中部。

2.根据权利要求1所述的数字化智能快速永磁断路器，其特征在于所述磁轭为分体结构，包括两端敞开的中空柱状的磁轭本体以及固定连接在所述磁轭本体上、下两端的设有中心通孔的分闸挡板和合闸挡板。

3.根据权利要求2所述的数字化智能快速永磁断路器，其特征在于所述斥力金属盘为斥力铜盘，所述输出轴与所述斥力铜盘之间直接固定连接或通过其他单个或多个零件组成的机械结构件间接固定连接。

4.根据权利要求3所述的数字化智能快速永磁断路器，其特征在于所述磁轭上的中心通孔直迳小于所述动铁芯的直径。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的数字化智能快速永磁断路器，其特征在于所述斥力线圈的供电回路上串联有向所述斥力线圈放电的预充电电容以及控制电流通、断的开关控制器，所述开关控制器采用大功率晶闸管开关。

6.根据权利要求5所述的数字化智能快速永磁断路器，其特征在于所述输入接口电路中含有高速模数转换器和人机对话模块MMI，所述信号处理电路采用高速信号处理电路，所述输出接口电路通过输出继电器控制所述开关控制器的通断。

7.根据权利要求6所述的数字化智能快速永磁断路器，其特征在于还设有用于接收远程控制信号的遥控开关电路，所述检测电路的输出端以及所述遥控开关电路的输出端与所述输入接口电路的输入端连接，并将所述检测电路输出的电气参量的测量值经所述高速模数转换器转换后送入所述信号处理电路，将所述遥控开关电路输出的遥控开关信号送入所述信号处理电路，经所述信号处理电路的处理生成分断信号指令经所述输出接口电路送出控制所述操动机构。

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