一种环网柜永磁驱动模块检测装置的设计研究

引言

随着经济发展与科技进步,环网柜的发展也非常迅速,目前配电房运行的环网柜操作机构主要有弹簧操作机构与永磁操作机构两种。统计资料表明,操作机构的故障约占整个环网柜故障的70%,永磁机构由于驱动回路电子元器件较多导致电路部分故障率更高,因此对运行中的环网柜操作机构进行检查,从而提早发现问题,对于提升环网柜运行可靠性具有十分重要的意义。

1永磁环网柜优缺点

永磁环网柜操作机构是利用电磁铁对铁磁材料的吸力来驱动部件运动从而实现分合闸的,分合闸完毕后,断开线圈中的电流,再利用永磁体产生的磁场来实现断路器分合闸状态的保持,结构示意图如图1所示。

图1  永磁驱动操作机构结构示意图

与传统的弹簧操作机构相比,永磁操作机构没有储能、脱扣、锁扣等装置,结构更加简单,从而使机构的可靠性大大提高。永磁操作机构又有着分闸速度快的优点,固有分闸时间可以比弹簧机构环网柜分闸时间短10~20ms,有利于实现保护的级间配合。

同时,永磁操作机构驱动电流较弹簧操作机构大,需要用晶闸管准确控制分合闸导通时间,电路部分故障率较弹簧机构高,而且永磁断路器柜只能手动分闸不能手动合闸,出现驱动故障时无法做到先送电再检修,容易导致停电时间增加,引发客户投诉。图2为使用电子控制方式的双线圈断路器控制原理图。

图2  使用电子控制方式的双线圈断路器控制原理图

经分析近三年在运永磁环网柜故障原因,发现约80%的故障原因为永磁驱动模块故障,其余基本为位置触点故障,没有发生机械故障,验证了永磁环网柜机械可靠性高、电气可靠性低的特点。因此,提升永磁环网柜的可靠性关键在于提升整体驱动电路的可靠性。

2常见驱动电路故障原因分析

以某公司智能公用柜为例,该柜生产日期为2019年2月,于2022年6月22日发生拒动故障,检查发现为过电压引发电源模块和驱动模块烧毁,如图3、图4所示。

判断原因为断路器永磁操作机构采用晶闸管控制驱动电流通断,永磁机构线圈为感性负载,开关分闸后的磁恢复过程产生反向过电压,同时回路中晶闸管等开关元件在长期使用过程中绝缘性能下降,被击穿导致烧毁。研究发现,目前永磁环网柜驱动模块随着使用年限的增加而故障率升高,这是该种环网柜所有厂家都存在的一个问题,应当通过定期检查来提前发现并消除。

3永磁环网柜定检存在的问题及解决方案

目前,维护单位普遍采取的定检方法为断开负荷开关柜电机处、断路器柜脱扣器处端子,接入数字万用表直流电压档,DTU处给分/合闸信号,通过读取电压来判断二次回路是否正常。这种测试方法适用于弹簧操作机构的环网柜而不适用于永磁操作机构,原因在于永磁驱动电路输出电压持续时间为毫秒级,数字万用表不能够有效识别,而且通过上文分析可知,永磁驱动模块故障的主因为晶闸管截流产生的过电压,宜采取带载测试的方案来模拟实际工况。

为解决此问题,本文设计了一款便携永磁驱动模块检测装置,该装置内置蓄电池,也可采用DTU交流输出作为电源。检测时把驱动出口航插接入该装置,通过DTU给出分闸指令,如果有正常驱动电流流过,会亮指示灯作为显示。因驱动电流没有经过永磁机构,可确保检测时开关不会动作,可以不停电进行检测。而且检测时只涉及插拔航插,可确保正确恢复设备正常状态,同时提升了检测效率。此装置可直观、可靠、便捷地检测永磁驱动装置有无异常,从而有效提升永磁环网柜的运行可靠性。

4电路设计

电路设计图如图5所示。

图5中P1为外部交流230V输入美标插座,其交流输入电压范围为220×(1±30%)V。F1为电流过流保险丝,当内部发生电路短路时,提供熔断保护。开关电源U1负责把AC330V交流电转换成DC13V的电压,再提供控制器工作的电能,同时具有给锂电池充电的功能,以保证补充足够的能量给锂电池。磁保持继电器K1模拟单稳态单线圈永磁开关,执行接收到的电脉冲,按设想的要求工作,并接通相应的指示灯。s1为双联船型开关,打开时220V电源接通,同时内部12V电池电源接通到内部电路作为工作电源:双联船型开关关断时,电池工作在低功耗状态,保证电池不会因过放电而损坏。二极管D1利用其单向导电特性,防止电池反串入开关电源U1,从而引起损坏。BT为锂电池组,保证现场无外部AC220V时仍能24h正常操作。P2的1脚、8脚为永磁开关控制器控制端,当施加1脚＋、8脚-电压时,永磁开关合闸,当连接本测试装置时,控制继电器K1工作,接通LED1,指示合闸成功,R1为LED1限流电阻:当施加1脚-、8脚+电压时,永磁开关分闸,当连接本测试装置时,控制继电器K1反向工作,接通LED2,指示分闸成功,R2为LED2限流电阻。R3为继电器K1电流电阻。s2为常开双联开关,按下时接通控制继电器K1工作,接通LED1,指示合闸成功,二极管D2利用其单向导电特性,防止反向电压串入锂电池。s3为常开双联开关,按下时接通控制继电器K1反向工作,接通LED2,指示分闸成功,二极管D3利用其单向导电特性,防止反向电压串入锂电池。装置组装完成后样机如图6所示。

图6  装置样机

7现场应用

本装置于深圳供电局有限公司在运RVAC型永磁环网柜进行了匹配性测试,环网柜永磁驱动电路主要元器件参数如表1所示。

现场试验流程如下:(1)断开断路器永磁驱动电路输出回路:(2)接入永磁驱动模块检测装置:(3)按照实际断路器分合闸位置,按下永磁驱动模块检测装置按钮:(4)在DTU处选择就地模式,通过分合闸按钮模拟分合闸,永磁驱动模块检测装置灯亮,表示驱动电路输出正常:(5)恢复断路器为原始状态。

试验结果显示:(1)本装置在开关本体处于合分闸任意位置均可以正确指示永磁断路器驱动电路的输出电流:(2)可以在一次带电的工况下进行检测:(3)操作简单,检测两路断路器单元的驱动电流耗时大约为10min:(4)满足运行维护人员对永磁环网柜进行定检的需求。

5结语

本文针对目前定检方法无法有效排查永磁环网柜驱动电路故障的问题,设计了一种永磁驱动模块检测装置,该装置可以方便有效地测试永磁驱动装置的输出脉冲并准确指示合分闸的位置,同时考虑了便携性,可以用作运行维护人员对永磁环网柜进行定期检查的检测设备,具有较好的推广应用价值。