CN103035423A - 智能电网无扰动永磁操动机构分合装置及其控制方法 - Google Patents

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李清华
孙彦良
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Abstract

本发明涉及一种智能电网无扰动永磁操动机构分合装置及其控制方法。传统弹簧操动真空断路器设备在合分空载变压器、电容器、空载线路等电力设备时，将产生频率和幅值都很高的涌流和电弧过电压，该涌流将导致开关设备触点受损、变压器绕组产生机械应力、各类保护误动作，且能引起瞬间过电压，产生高次谐波，对电网造成严重污染。本发明的操动机构分合装置在负载电源三相的每个相上分别设置3个独立的永磁操动装置，3个独立的永磁操动装置与每一相的分合闸连接；所述的永磁操动装置与微处理器控制装置连接。本发明主动消除开合过程中所产生的涌流和过电压等电磁暂态效应，提高分合装置的开断能力和使用寿命，减小对电网的冲击和污染，提高供电质量。

Description

智能电网无扰动永磁操动机构分合装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种智能电网无扰动永磁操动机构分合装置及其控制方法。
背景技术
随着我国工业的高速发展，电网容量的不断增加，电网开关设备的需求量也在各个行业不断增加。单在煤炭行业目前运营的矿井数量近15000个，在建煤矿数量超过7000个，总数高达22000个，随着矿井不断纵深化开采，所用电力设备数量和种类也不断增加，而新式设备的不断投入，对电网质量、安全性等提出了越来越高的要求。
传统弹簧操动真空断路器设备在合分空载变压器、电容器、空载线路等电力设备时，将产生频率和幅值都很高的涌流和电弧过电压，该涌流将导致开关设备触点受损、变压器绕组产生机械应力、各类保护误动作，且能引起瞬间过电压，产生高次谐波，对电网造成严重污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能电网无扰动永磁操动机构分合装置及其控制方法；彻底消除合分闸过程中产生的涌流和过电压，增强了供电可靠性，提高了供电质量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
智能电网无扰动永磁操动机构分合装置，所述的操动机构分合装置在负载电源三相的每个相上分别设置3个独立的永磁操动装置，3个独立的永磁操动装置与每一相的分合闸连接；所述的永磁操动装置与微处理器控制装置连接。
上述的永磁操动装置包括静铁心、动铁心、永磁体、合闸线圈、分闸线圈和驱动杆，合闸线圈、分闸线圈通过电流的产生的磁能控制动铁心向上或向下运动，实现合、分闸操作动作。
上述的微处理器控制装置包括电流、电压采集模块，微处理器DSP系统，开入量检测、IGBT驱动、通信。
电流、电压采集模块，是为了捕捉任意电角度                                               
Figure 2012105031613100002DEST_PATH_IMAGE002
，采用高精度AD，通过FIR 数字滤波器对原始采样信号进行低通滤波，线性插值来提高基波电压和电流的电角度精度；开入量检测通过光电隔离技术进行采集判别，抗干扰能力强，稳定可靠；微处理器DSP系统根据采集到的电角度
Figure 746716DEST_PATH_IMAGE002
和开入量的状态进行快速的逻辑运算得到
Figure 2012105031613100002DEST_PATH_IMAGE004
放入定时器，定时器时间到时由IGBT驱动永磁操动机构的分合闸线圈进行无扰动分合闸操作。
智能电网无扰动永磁操动机构分合装置的控制方法，如下：
操动机构分合装置在负载电源三相的每个相上分别设置3个独立的永磁操动装置，3个独立的永磁操动装置分别控制每一相的分合闸；所述的永磁操动装置与微处理器控制装置连接。
在永磁操动装置的分合闸操作的具体控制中，
由 公式得出，
Figure 748039DEST_PATH_IMAGE004
是发合闸命令所需延时的时间，以
Figure 39343DEST_PATH_IMAGE004
为基础计算出电压和电流的同步分合点时刻，确定永磁操动机构分合闸信号的发出时刻。
 
本发明的优点如下：
智能电网无扰动永磁操动机构分合装置及其控制方法，根据不同的负载特性，控制电压或电流在最有利的相位完成分/合闸操作（控制在电压过零点合，电流过零点分），以主动消除开合过程中所产生的涌流和过电压等电磁暂态效应，提高分合装置的开断能力和使用寿命，减小对电网的冲击和污染，提高供电质量。永磁操动机构与传统弹簧机构和电磁机构相比，永磁操动机构采用了一种全新的工作原理、工艺和结构，工作时主要运动部件极少，无需机构脱、锁扣装置，故障源少，具有较高的可靠性。
附图说明：
图1为智能电网无扰动永磁操动机构分合装置接线原理图；
图2为投入电容器合闸时序图； 
图3为微处理器控制装置的原理框图； 
图4为永磁操动装置的剖面图。
具体实施例：
    参见图1，图1是智能电网无扰动永磁操动机构分合装置接线原理图；本发明 “无扰动分相同步技术”，解决了现有技术无法实现三相独立合分闸操作的技术难题，以及根据不同的负载特性，由基于微处理器进行合分闸操作的智能控制系统，控制在合理的时刻合闸和分闸，以主动消除在合分过程中产生的涌流和过电压等电磁暂态效应，彻底消除合分闸过程中产生的涌流和过电压，大大提高了分合闸装置的使用寿命，增强了供电可靠性，提高了供电质量。
1)       本发明的技术原理
 “无扰动分相同步技术”是指在智能控制系统的控制下，分合闸装置动静触头在系统电压波形和电流波形的指定相位处动作,使得相关的负载(如：空载变压器、电容器和空载线路等)在对自身和系统冲击最小的情况下投入和退出电力系统的一种智能控制技术。
参见图2、现以投入电容器为例介绍本发明的技术原理：
投入电容器时将产生涌流，要想投入电容器时对系统不产生冲击和不产生涌流（即
Figure DEST_PATH_IMAGE010
），要使
Figure 775218DEST_PATH_IMAGE010
，只有
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（即在分合闸装置动静触头在系统电压波形为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
的整数倍时刻投入系统）。下面详细介绍其原理：
变量说明：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
：分合闸装置固有合闸时间； 
Figure DEST_PATH_IMAGE018
：系统频率； 
Figure DEST_PATH_IMAGE020
：系统周期
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 597287DEST_PATH_IMAGE002
：随机捕捉到的任意角度（弧度）；
Figure DEST_PATH_IMAGE024
：从随机捕捉到的任意角度转到第一个过零点（
Figure 735007DEST_PATH_IMAGE014
处）所需的时间； 
Figure 728371DEST_PATH_IMAGE004
：发合闸命令所需延时的时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE026
：分合闸装置合闸时间
Figure 200809DEST_PATH_IMAGE016
对
Figure 406663DEST_PATH_IMAGE014
整数倍余下的时间
Figure DEST_PATH_IMAGE028
。
由图2投入电容器合闸时序图可知，要使投入电容器的（分合闸装置合闸）瞬间刚好电压为过零点，必须在
Figure 398889DEST_PATH_IMAGE004
延时时间到时发合闸命令，所以需要高精度准确的得到
Figure 297575DEST_PATH_IMAGE004
。
根据随机捕捉到的任意角度
Figure 539201DEST_PATH_IMAGE002
，可以计算出从随机捕捉到的任意角度转到第一个过零点（
Figure 33898DEST_PATH_IMAGE014
处）所需的时间
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，发合闸命令所需延时的时间
Figure 146211DEST_PATH_IMAGE004
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
。
即：
Figure 950219DEST_PATH_IMAGE006
计算完成
Figure 147982DEST_PATH_IMAGE004
后，将其放入高精度定时器，定时器精度为10us，当定时器时间到时发合闸命令，此刻到合闸的瞬间所需的时间刚好是分合装置的合闸时间
Figure 226796DEST_PATH_IMAGE016
，这一过程即为“无扰动分合装置”的“无扰动分相同步技术”原理。
为了更好的应用本发明“无扰动分相同步技术”，从公式：
可以得出影响本发明最终效果的是发合闸命令所需延时的时间
Figure 214530DEST_PATH_IMAGE004
精度误差，然影响
Figure 102851DEST_PATH_IMAGE004
精度误差又是由随机捕捉到的任意角度（弧度）的精度误差和分合闸装置合闸时间
Figure 806682DEST_PATH_IMAGE016
的精度误差决定的。 加之目前，在进行合闸操作时均是三相同时动作，由于电容器电源三相（即A、B、C相）在相位上相差120°，所以根本做不到三相合闸瞬间同时相位过零点，势必产生涌流和对系统的冲击。为了抑制涌流和对系统的冲击，因此要实现三相（即A、B、C相）独立操作。因此得出如下结论： 
必须具备三相独立分合闸，运动时间固定且精度高的操动机构；
必须要有基于微处理器进行分合闸控制的智能控制系统。
2)       本发明技术方案组成
本发明智能电网无扰动永磁操动机构分合装置及其控制方法的核心是由：基于微处理器进行分合闸控制的智能控制系统和分相（即A、B、C相）独立操作的永磁操动机构两部分组成，前者是控制核心，后者是操作执行核心，二者共同完成本发明的目的和功能效果。
参见图3、基于微处理器进行分合闸控制的微处理器控制装置
微处理器控制装置是由电流、电压采集模块，微处理器DSP系统，开入量检测，IGBT驱动、通信，机箱、端子等几部分组成。
电流、电压采集模块，是为了捕捉任意电角度，采用高精度AD，通过FIR 数字滤波器对原始采样信号进行低通滤波，线性插值来提高基波电压和电流的电角度精度。开入量检测通过光电隔离技术进行采集判别，抗干扰能力强，稳定可靠。微处理器DSP系统根据采集到的电角度
Figure 403809DEST_PATH_IMAGE002
和开入量的状态进行快速的逻辑运算得到放入定时器，定时器时间到时由IGBT驱动永磁操动机构的分合闸线圈进行无扰动分合闸操作。
参见图4，永磁操动装置共由七个主要零件组成：
1为静铁心，为机构提供磁路通道，对于方形结构一般采用硅钢片叠形结构，圆形结构则采用电工纯铁或低碳钢；
2为动铁心，是整个机构中最主要的运动部件，一般采用电工纯铁或低碳钢结构；
3、4为永久磁体，为机构提供保持时所需要的动力；
5、6为分闸线圈和合闸线圈；
7为驱动杆，是操动机构与分合装置传动机构之间的连接纽带。
本发明由三个独立操作的永磁操动装置组成，每个独立的永磁操动装置控制每一相的分合闸操作。永磁操动装置最大特点就是分合闸操作动作时间固定且离散性小。每一相采用分相双稳态双线圈永磁操动机构，借助通电的分、合闸线圈产生的磁能来驱动铁心上、下运动，完成分、合闸动作，依靠动铁心和静铁心通过低磁阻通道所产生的磁场能量，将动铁心保持在分闸或合闸两个位置，不需要任何附加能量。它由静铁心、动铁心、永磁体、合闸线圈、分闸线圈以及驱动杆等组成。动铁心和静铁心是通过低磁阻通道所产生强大的磁能，将动铁心保持在下端或上端位置；通有电流的合闸线圈、分闸线圈产生的磁能使动铁心向上或向下运动，完成合、分闸操作。 

Claims (4)

1.智能电网无扰动永磁操动机构分合装置，其特征在于：所述的操动机构分合装置在负载电源三相的每个相上分别设置3个独立的永磁操动装置，3个独立的永磁操动装置与每一相的分合闸连接；所述的永磁操动装置与微处理器控制装置连接。
2.根据权利要求1所述的智能电网无扰动永磁操动机构分合装置，其特征在于：所述的永磁操动装置包括静铁心、动铁心、永磁体、合闸线圈、分闸线圈和驱动杆，合闸线圈、分闸线圈通过电流的产生的磁能控制动铁心向上或向下运动，实现合、分闸操作动作。
3.根据权利要求1所述的智能电网无扰动永磁操动机构分合装置，其特征在于：所述的微处理器控制装置包括电流、电压采集模块，微处理器DSP系统，开入量检测、IGBT驱动、通信，
电流、电压采集模块，是为了捕捉任意电角度                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，采用高精度AD，通过FIR 数字滤波器对原始采样信号进行低通滤波，线性插值来提高基波电压和电流的电角度精度；开入量检测通过光电隔离技术进行采集判别，抗干扰能力强，稳定可靠；微处理器DSP系统根据采集到的电角度
Figure 390026DEST_PATH_IMAGE002
和开入量的状态进行快速的逻辑运算得到
Figure DEST_PATH_IMAGE004
放入定时器，定时器时间到时由IGBT驱动永磁操动机构的分合闸线圈进行无扰动分合闸操作。
4.根据权利要求1或2或3所述的智能电网无扰动永磁操动机构分合装置的控制方法，其特征在于：
操动机构分合装置在负载电源三相的每个相上分别设置3个独立的永磁操动装置，3个独立的永磁操动装置分别控制每一相的分合闸；所述的永磁操动装置与微处理器控制装置连接；
在永磁操动装置的分合闸操作的具体控制中，
由 
Figure DEST_PATH_IMAGE006
公式得出，是发合闸命令所需延时的时间，以
Figure 273855DEST_PATH_IMAGE004
为基础计算出电压和电流的同步分合点时刻，确定永磁操动机构分合闸信号的发出时刻。
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