126kV高压真空断路器永磁操动机构及其同步控制技术的研究

【摘要】： 永磁操动机构结构简单、零部件少、可靠性高、操作寿命长、动作分散性小,非常适合配用真空断路器,是目前唯一能实现同步控制技术的操动机构,已被广泛地用于中等电压等级的真空断路器上。虽然市场对高电压等级的永磁操动机构一直都很关注,但国内外尚未见到有关产品报导。为满足高压真空断路器的发展之需,填补高压永磁操动机构的国际空白,本文研究具用同步接通与分断功能的126kV高压真空断路器永磁操动机构。 本文采用虚拟样机设计技术,利用Ansoft Maxwell 3D/2D仿真分析软件对永磁操动机构电磁系统的静态特性和动态特性进行了计算。通过理论分析和对比,提出采用主辅线圈串联励磁的方法来改善励磁线圈的作用效果,使动铁心在较长的运动行程下始终能获得足够的操作功。本文所提出的励磁方式显著地提高了永磁操动机构的特性,使分闸和合闸时间缩短,储能电容器的能耗降低,励磁线圈的峰值电流减小,分闸和合闸速度增大,动铁心闭合时的冲击碰撞减缓,不仅能满足126kV高压真空灭弧室的通断要求,也为改进中等电压等级永磁操动机构的性能提供了良好的解决方案。 为满足同步控制精度、减小动作的分散性,需对永磁操动机构的动作时间进行补偿。本文采用统计学习理论,建立了基于最小二乘支持向量机的永磁操动机构动作时间预测模型。采用交叉验证法和格搜索法确定了核函数和支持向量,进而得到了只与少数支持向量有关的预测函数表达式。验证数据的仿真结果表明,最小二乘支持向量机预测模型有较强的泛化(预测)能力,能在取得较小拟合误差的基础上得到最小的预测误差,最大误差不超过±0.2ms,运算复杂度小,易于在线编程。 断路器同步控制是电器智能化的发展方向和前沿课题。目前,同步接通技术已经进入实用阶段,但由于不易精确地取得同步分断信号,同步分断技术尚处于理论准备之中。本文从短路电流的一般表达式出发,采用自适应参数辨识和算术递推法对含有直流衰减分量的暂态短路电流进行分析,建立了短路电流零点预测数学模型。采用Matlab软件分析了采样速率、A/D转换器的量化精度及测量电路信噪比对短路电流波形分析精度的影响。经综合对比,提出采用7/8波算术递推公式预测短路电流的变化特性,估计其过零点。本文所提出的预测短路电流的7/8波算数递推公式,仅需12bit的A/D转换器,每个基波周期32次的采样速率和60dB以上的电路信噪比,易于硬件实现和软件编程。 现场可编程门阵列是近年来发展起来的一种通用型用户可编程器件,它既有门阵列的高集成度和通用性,又有用户可编程的灵活性,速度快、功耗低、通用性强,特别适用于复杂系统的设计。本设计采用单片机与FPGA相结合的并行处理,设计了永磁操动机构智能同步控制系统。利用单片机实现测量和控制功能,将FPGA作为单片机的一个嵌入式芯片,专门用于分析短路电流的变化特性,提高了同步控制的实时性和可靠性。