CN110010424A - 一种基于涡流斥力原理的快速分断机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，包括控制单元、驱动电路和涡流斥力机构；涡流斥力机构包括合闸线圈盘A、分闸线圈盘C、斥力盘B、增磁板E、连杆机构F、永磁体及反力弹性件；斥力盘B位于合闸线圈盘A、分闸线圈盘C之间；控制单元经驱动电路控制合闸线圈盘A、分闸线圈盘C以涡流斥力以推动斥力盘B；斥力盘B经连杆机构驱动分断机构的触头机构移动以执行分闸作业或合闸作业；永磁体分设于分闸线圈盘C旁侧及连杆机构处，以在合闸时提供合闸保持力；反力弹性件设于分闸线圈盘C旁侧以使分闸后的触头机构维持分闸；本发明能在实现短路电流快速分断的同时，具备结构简单、响应时间短、动作速度快、易于驱动控制的特点。
Description
技术领域
本发明涉及开关电器技术领域，尤其是一种基于涡流斥力原理的快速分断机构。
背景技术
低压配电系统中一旦发生短路故障，短路电流上升至到正常工作电流的几十倍，甚至上百倍，严重威胁电力系统的安全可靠运行。配电保护电器直接承担着快速可靠分断短路电流的任务，如何提高其短路电流分断能力一直以来都是一个十分重要的研究内容。
涡流斥力机构的结构简单，斥力形成时间及动作响应时间极短，初始加速度大，可有效实现快速合分，能够在短路电流的早期快速分断动静触头并形成较大开距，具备大幅度提高机构动作速度基础上，减小机构动作分散性的特点。在触头结构方面，双断点触头结构在分断短路电流过程中形成双断点电弧区，大幅提高了电弧电压，与传统的单断点结构相比具有更优异的短路分断性能。提高触头的运动速度能够减小电弧的停滞时间，加快故障切除的速度。
国内外学者已经对开关电器的触头结构、灭弧系统等多方面进行了深入研究，并综合应用多种限流及灭弧措施提高短路分断能力。例如施耐德电气公司的TeSys U和西门子公司的3RA6等系列产品以及我国自主研制的KB0和VK60系列产品，虽然目前开发的控制与保护电器在一定程度上解决了分立元件所存在的一些问题，但总体来说，现有的几种产品均是利用断路器的快速短路脱扣装置和接触器的电磁机构对同一套触头系统进行控制，从而实现配电线路控制与保护的功能，存在体积较大且不利于机构控制功能智能化开发的技术瓶颈，且主要从电磁及传动系统的机械结构和触头及灭弧系统的开断能力等角度出发来提高其性能，在短路电流的早期检测和操动机构的快速动作方面仍需进一步提高。目前急需一种响应时间短、动作速度快、限流能力强、可灵活驱动的保护电器，实现短路电流快速分断。
发明内容
本发明提出一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，能在实现短路电流快速分断的同时，具备结构简单、响应时间短、动作速度快、易于驱动控制的特点。
本发明采用以下技术方案。
一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，所述分断机构包括控制单元、与控制单元相连的驱动电路和与驱动电路相连的涡流斥力机构；所述涡流斥力机构包括合闸线圈盘A、分闸线圈盘C、斥力盘B、增磁板E、连杆机构F、永磁体及反力弹性件；所述斥力盘B位于合闸线圈盘A、分闸线圈盘C之间；所述控制单元经驱动电路控制合闸线圈盘A、分闸线圈盘C以涡流斥力以推动斥力盘B；所述斥力盘B经连杆机构驱动分断机构的触头机构移动以执行分闸作业或合闸作业；所述永磁体分设于分闸线圈盘C旁侧及连杆机构处，以在合闸作业中提供合闸保持力；所述反力弹性件设于分闸线圈盘C旁侧以使分闸后的触头机构维持分闸状态。
所述触头机构为双断口触头结构，所述双断口触头结构为可在短路故障时形成两倍于传统单断口断路器的故障电弧以抑制短路电流的发展的触头结构。
所述反力弹性件设于分断机构的底座处；所述分闸线圈盘C设于分断机构的底座处；所述永磁铁包括设于连杆机构处的顶部永磁体和设于底座处的底部永磁体；所述顶部永磁体与底部永磁体正对且在合闸作业时吸合；所述驱动电路包括IGBT。
所述斥力盘B与连杆机构的驱动端相连；连杆机构的驱动端处设有缓冲部件G；当执行分闸作业且触头机构的触头接近最大行程位置时，所述缓冲部件G对连杆机构驱动端进行缓冲以吸收此时斥力盘剩余的动量。
所述驱动电路为以可控硅控制的驱动电路，驱动电路包括电容充电回路、电容放电回路；所述电容放电回路可对分断机构的线圈放电；所述线圈包括合闸线圈盘A、分闸线圈盘C；
所述电容充电回路中，以单相交流电经过整流和滤波得到纹波较小的直流电压源，所述直流电压源在开关S闭合后可向储能电容充电，并在电容电压达到预设值后断开开关S。
所述电容放电回路内设IGBT以控制储能电容向线圈的放电时间；所述IGBT可使储能电容在每次合闸作业或每次分闸作业时仅向线圈释放部分电能；所述线圈两端并联有泄放回路以防止线圈电感产生的过电压损坏IGBT。
所述分断机构执行分闸作业时包括以下步骤；
A1、控制单元收到分闸命令时，控制单元向驱动电路发送分闸触发信号；
A2、电容放电回路中预先储存在储能电容里的能量在极短的时间里对分闸线圈盘放电，使分闸线圈盘以涡流斥力驱动斥力盘，斥力盘快速向远离分闸线圈盘的方向运动以驱动连杆机构；
A3、顶部永磁体与底部永磁体分开，触头机构在连杆机构的驱动下动作，当触头机构触头接近最大行程位置时，安装在连杆机构顶部的缓冲部件吸收此时斥力盘剩余的能量。
所述反力弹性件为反力弹簧；所述触头机构处设有触头辅助弹簧；所述分断机构执行合闸作业时包括以下步骤；
B1、控制单元收到合闸命令时，控制单元向驱动电路发送合闸触发信号；
B2、电容放电回路中预先储存在储能电容里的能量在极短的时间里对合闸线圈盘放电，使合闸线圈盘以涡流斥力驱动斥力盘，斥力盘快速向远离合闸线圈盘的方向运动以驱动连杆机构进行合闸；
B3、在合闸过程中，反力弹簧被压缩，且在触头机构的动、静触头闭合后，斥力盘带动连杆机构继续运动，压缩触头辅助弹簧保证一定的超程；
B4、当合闸作业结束时，触头处于合闸位置，反力弹簧被压缩，固定在连杆机构及底座上的永磁体吸合且克服反力弹簧及触头辅助弹簧作用力，提供触头终压力，让触头保持在合闸状态，所述斥力盘处于靠近分闸线圈盘的一边且留有初始气隙；
B5、控制单元输出继电器触发信号使继电器导通以闭合开关S，电容充电回路再次对储能电容充电。
所述驱动电路为可隔离放电回路的强电的驱动电路；所述驱动电路采用MOC3052光耦触发可控硅SCR导通；所述控制单元的控制器包括TMS320F2812型号的DSP；所述DSP引脚与C9016三极管相连以放大输出电流后，再上拉+5V电源后与光耦输入端串联；若DSP引脚输出高电平则三极管和光耦导通，进而驱动放电回路的可控硅导通，否则三极管截止，光耦也截止，可控硅不导通。
本发明合闸动作过程中，IGBT按优化的放电时间对线圈盘电流进行控制，由于涡流斥力的作用时间非常短，因此斥力盘能在反力弹簧的作用下以较小末速度靠近分闸线圈盘，同时依靠永磁体的吸力使机构最终稳定保持在合闸状态，且不产生弹跳。
本发明分闸动作过程中，储能电容的放电电流在130us左右便到达峰值4.56kA，电流的平均上升速度约为35A/us, 如此大的电流上升率将有利于涡流斥力机构的快速响应，大大缩短样机动静触头的快速分断时间。本发明中，涡流斥力大约在110us左右到达峰值8140N，在短路故障发生时，斥力盘在极短时间内受到如此大的涡流斥力，并通过连杆机构带动触头系统以较大的初始加速度快速动作，在短路电流的“萌芽”时期便形成较大开距，可有效提高低压控制保护电器开断短路电流时过电压的承受能力并且最终可靠熄弧。
本发明能快速、可靠地驱动可控硅导通，提高了机构的响应速度；同时，基于涡流斥力原理的快速分断机构能在电容开始放电后快速动作，提高了触头的刚分速度，有利于短路故障电流的早期抑制与快速分断。提高了系统安全运行的可靠性，保障人员、设备安全。
本发明中采用涡流斥力机构的低压控制保护电器，大幅缩短了短路故障发生后触头打开的时间，并且能以极快的运动速度增大触头开距，本发明配合短路故障早期检测，可在短路故障发生时立即产生电弧，对短路电流起限流抑制作用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的系统结构示意图；
附图2是本发明的内部结构示意图；
附图3是本发明的控制单元及驱动电路的原理示意图；
附图4是驱动电路的原理示意图；
附图5是本发明的驱动特性示意图；
附图6是本发明用于故障分断实验的接线示意图；
附图7是本发明的分闸、合闸的动特性示意图；
附图8是不同故障电压初相角下，本发明在故障点处的短路电流分断结果示意图；
图中：1-合闸线圈盘A；2-斥力盘B；3-分闸线圈盘C；4-增磁板E；5-连杆机构F；6-永磁体；7-反力弹性件；8-控制单元；9-触头机构；10-顶部永磁体；11-底部永磁体；12-底座。
具体实施方式
如图1-8所示，一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，所述分断机构包括8控制单元、与控制单元相连的驱动电路和与驱动电路相连的涡流斥力机构；所述涡流斥力机构包括1合闸线圈盘A、3分闸线圈盘C、2斥力盘B、4增磁板E、5连杆机构F、6永磁体及7反力弹性件；所述斥力盘B位于合闸线圈盘A、分闸线圈盘C之间；所述控制单元经驱动电路控制合闸线圈盘A、分闸线圈盘C以涡流斥力以推动斥力盘B；所述斥力盘B经连杆机构驱动分断机构的9触头机构移动以执行分闸作业或合闸作业；所述永磁体分设于分闸线圈盘C旁侧及连杆机构处，以在合闸作业中提供合闸保持力；所述反力弹性件设于分闸线圈盘C旁侧以使分闸后的触头机构维持分闸状态。
所述触头机构为双断口触头结构，所述双断口触头结构为可在短路故障时形成两倍于传统单断口断路器的故障电弧以抑制短路电流的发展的触头结构。
所述反力弹性件设于分断机构的12底座处；所述分闸线圈盘C设于分断机构的底座处；所述永磁铁包括设于连杆机构处的顶部永磁体和设于底座处的底部永磁体；所述10顶部永磁体与11底部永磁体正对且在合闸作业时吸合；所述驱动电路包括IGBT。
所述斥力盘B与连杆机构的驱动端相连；连杆机构的驱动端处设有缓冲部件G；当执行分闸作业且触头机构的触头接近最大行程位置时，所述缓冲部件G对连杆机构驱动端进行缓冲以吸收此时斥力盘剩余的动量。
所述驱动电路为以可控硅控制的驱动电路，驱动电路包括电容充电回路、电容放电回路；所述电容放电回路可对分断机构的线圈放电；所述线圈包括合闸线圈盘A、分闸线圈盘C；
所述电容充电回路中，以单相交流电经过整流和滤波得到纹波较小的直流电压源，所述直流电压源在开关S闭合后可向储能电容充电，并在电容电压达到预设值后断开开关S。
所述电容放电回路内设IGBT以控制储能电容向线圈的放电时间；所述IGBT可使储能电容在每次合闸作业或每次分闸作业时仅向线圈释放部分电能；所述线圈两端并联有泄放回路以防止线圈电感产生的过电压损坏IGBT。
所述分断机构执行分闸作业时包括以下步骤；
A1、控制单元收到分闸命令时，控制单元向驱动电路发送分闸触发信号；
A2、电容放电回路中预先储存在储能电容里的能量在极短的时间里对分闸线圈盘放电，使分闸线圈盘以涡流斥力驱动斥力盘，斥力盘快速向远离分闸线圈盘的方向运动以驱动连杆机构；
A3、顶部永磁体与底部永磁体分开，触头机构在连杆机构的驱动下动作，当触头机构触头接近最大行程位置时，安装在连杆机构顶部的缓冲部件吸收此时斥力盘剩余的能量。
所述反力弹性件为反力弹簧；所述触头机构处设有触头辅助弹簧；所述分断机构执行合闸作业时包括以下步骤；
B1、控制单元收到合闸命令时，控制单元向驱动电路发送合闸触发信号；
B2、电容放电回路中预先储存在储能电容里的能量在极短的时间里对合闸线圈盘放电，使合闸线圈盘以涡流斥力驱动斥力盘，斥力盘快速向远离合闸线圈盘的方向运动以驱动连杆机构进行合闸；
B3、在合闸过程中，反力弹簧被压缩，且在触头机构的动、静触头闭合后，斥力盘带动连杆机构继续运动，压缩触头辅助弹簧保证一定的超程；
B4、当合闸作业结束时，触头处于合闸位置，反力弹簧被压缩，固定在连杆机构及底座上的永磁体吸合且克服反力弹簧及触头辅助弹簧作用力，提供触头终压力，让触头保持在合闸状态，所述斥力盘处于靠近分闸线圈盘的一边且留有初始气隙；
B5、控制单元输出继电器触发信号使继电器导通以闭合开关S，电容充电回路再次对储能电容充电。
所述驱动电路为可隔离放电回路的强电的驱动电路；所述驱动电路采用MOC3052光耦触发可控硅SCR导通；所述控制单元的控制器包括TMS320F2812型号的DSP；所述DSP引脚与C9016三极管相连以放大输出电流后，再上拉+5V电源后与光耦输入端串联；若DSP引脚输出高电平则三极管和光耦导通，进而驱动放电回路的可控硅导通，否则三极管截止，光耦也截止，可控硅不导通。
实施例：
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合说明书附图和具体实践方式，对本发明作进一步详细说明。
第一步，设计如图2的快速分断机构模型，通过设计最优参数，涡流斥力机构完成行程的时间最短为5.39ms，且其速度峰值达到3.39m/s，平均速度为2.99m/s。
第二步，搭建如图6的快速分断机构系统，形成低压交流控制保护电器样机。
第三步，搭建如图6的控制接线，实验系统中的所有短路故障点都引至操作柜中，可以控制短路故障的产生与切除。故障类型控制柜用于选择单相短路、两相相间短路、三相相间短路等多种故障类型。
第四步，将基于涡流斥力原理的快速分断机构接入图3的短路故障控制回路，驱动其动作。进行快速分断机构分合闸动特性测试，通过控制IGBT来实现储能电容对线圈盘放电时间的控制，在加快电容再次充电速度的同时还能减小机构分合闸弹跳，提高样机的机械寿命和电气寿命，图5为样机IGBT控制下的合闸动特性。
第五步，进行短路故障实验，在短路故障发生后，发出可靠的故障触发信号，在短路电流尚未上升到峰值的时候，触发低压控制保护电器样机快速动作，利用该样机的快速分断特性，可实现低压配电短路故障的快速切除。图8为故障点在不同故障电压初相角时的短路电流分断波形。从图8(a)可知，故障电压初相角为36°时，故障发生0.30ms后，驱动快速分断机构动作，整个通信过程只花了0.14ms。短路电流峰值被抑制在628.46A，从故障发生到故障完全切除的时间（分断时间）仅为5.72ms。故障电压初相角为92°、130°和215°时，预期峰值为1900A左右的短路电流峰值分别被抑制在844.40A、510.05A和-695.67A，分断时间分别为3.79ms、2.24ms和5.20ms。
从上述可知，本发明的有益效果在于：本专利采用了快速分断技术研究，设计的驱动电路能快速可靠地驱动可控硅导通，提高了机构的响应速度；同时，基于涡流斥力原理的快速分断机构动作速度快，能够快速打开触头，有利于短路故障电流的早期抑制与快速分断。同时，设计的保护系统能快速、准确地获得结果，配合快速分断机构能可靠分断短路故障电流，实现短路电流快速分断技术。
Claims (9)
1.一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，其特征在于：所述分断机构包括控制单元、与控制单元相连的驱动电路和与驱动电路相连的涡流斥力机构；所述涡流斥力机构包括合闸线圈盘A、分闸线圈盘C、斥力盘B、增磁板E、连杆机构F、永磁体及反力弹性件；所述斥力盘B位于合闸线圈盘A、分闸线圈盘C之间；所述控制单元经驱动电路控制合闸线圈盘A、分闸线圈盘C以涡流斥力以推动斥力盘B；所述斥力盘B经连杆机构驱动分断机构的触头机构移动以执行分闸作业或合闸作业；所述永磁体分设于分闸线圈盘C旁侧及连杆机构处，以在合闸作业中提供合闸保持力；所述反力弹性件设于分闸线圈盘C旁侧以使分闸后的触头机构维持分闸状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，其特征在于：所述触头机构为双断口触头结构，所述双断口触头结构为可在短路故障时形成两倍于传统单断口断路器的故障电弧以抑制短路电流的发展的触头结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，其特征在于：所述反力弹性件设于分断机构的底座处；所述分闸线圈盘C设于分断机构的底座处；所述永磁铁包括设于连杆机构处的顶部永磁体和设于底座处的底部永磁体；所述顶部永磁体与底部永磁体正对且在合闸作业时吸合；所述驱动电路包括IGBT。
4.根据权利要求3所述的一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，其特征在于：所述斥力盘B与连杆机构的驱动端相连；连杆机构的驱动端处设有缓冲部件G；当执行分闸作业且触头机构的触头接近最大行程位置时，所述缓冲部件G对连杆机构驱动端进行缓冲以吸收此时斥力盘剩余的动量。
5.根据权利要求3所述的一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，其特征在于：所述驱动电路为以可控硅控制的驱动电路，驱动电路包括电容充电回路、电容放电回路；所述电容放电回路可对分断机构的线圈放电；所述线圈包括合闸线圈盘A、分闸线圈盘C；
所述电容充电回路中，以单相交流电经过整流和滤波得到纹波较小的直流电压源，所述直流电压源在开关S闭合后可向储能电容充电，并在电容电压达到预设值后断开开关S。
6.根据权利要求5所述的一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，其特征在于：所述电容放电回路内设IGBT以控制储能电容向线圈的放电时间；所述IGBT可使储能电容在每次合闸作业或每次分闸作业时仅向线圈释放部分电能；所述线圈两端并联有泄放回路以防止线圈电感产生的过电压损坏IGBT。
7.根据权利要求6所述的一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，其特征在于：所述分断机构执行分闸作业时包括以下步骤；
A1、控制单元收到分闸命令时，控制单元向驱动电路发送分闸触发信号；
A2、电容放电回路中预先储存在储能电容里的能量在极短的时间里对分闸线圈盘放电，使分闸线圈盘以涡流斥力驱动斥力盘，斥力盘快速向远离分闸线圈盘的方向运动以驱动连杆机构；
A3、顶部永磁体与底部永磁体分开，触头机构在连杆机构的驱动下动作，当触头机构触头接近最大行程位置时，安装在连杆机构顶部的缓冲部件吸收此时斥力盘剩余的能量。
8.根据权利要求6所述的一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，其特征在于：所述反力弹性件为反力弹簧；所述触头机构处设有触头辅助弹簧；所述分断机构执行合闸作业时包括以下步骤；
B1、控制单元收到合闸命令时，控制单元向驱动电路发送合闸触发信号；
B2、电容放电回路中预先储存在储能电容里的能量在极短的时间里对合闸线圈盘放电，使合闸线圈盘以涡流斥力驱动斥力盘，斥力盘快速向远离合闸线圈盘的方向运动以驱动连杆机构进行合闸；
B3、在合闸过程中，反力弹簧被压缩，且在触头机构的动、静触头闭合后，斥力盘带动连杆机构继续运动，压缩触头辅助弹簧保证一定的超程；
B4、当合闸作业结束时，触头处于合闸位置，反力弹簧被压缩，固定在连杆机构及底座上的永磁体吸合且克服反力弹簧及触头辅助弹簧作用力，提供触头终压力，让触头保持在合闸状态，所述斥力盘处于靠近分闸线圈盘的一边且留有初始气隙；
B5、控制单元输出继电器触发信号使继电器导通以闭合开关S，电容充电回路再次对储能电容充电。
9.根据权利要求6所述的一种基于涡流斥力原理的快速分断机构，其特征在于：所述驱动电路为可隔离放电回路的强电的驱动电路；所述驱动电路采用MOC3052光耦触发可控硅SCR导通；所述控制单元的控制器包括TMS320F2812型号的DSP；所述DSP引脚与C9016三极管相连以放大输出电流后，再上拉+5V电源后与光耦输入端串联；若DSP引脚输出高电平则三极管和光耦导通，进而驱动放电回路的可控硅导通，否则三极管截止，光耦也截止，可控硅不导通。
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