[發明專利]低壓電磁開關能量循環控制系統

有效

• 申請號: 201610229326.0
• 申請日: 2016-04-14
• 公開（公告）號: CN105810506B
• 公開（公告）日: 2018-01-12
• 發明（設計）人: 許志紅;莊杰榕
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: H01H47/00
• 分類號: H01H47/00;H02J50/10
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本發明涉及一種低壓電磁開關能量循環控制系統。

背景技術

為應對全球能源安全、環境污染和氣候變化的挑戰，未來配電網正進入“互聯網+分布式能源”的后碳時期，積極發展能源互聯網是中國應對下一次能源革命的主要策略之一。新能源的引入、傳統能源的智能管理與合理利用、用電設備自身的節能與相互協調，都是目前研究的熱點問題。提高電能在終端能源消費的比重，利用分散的風能、太陽能等可再生能源，因地制宜的發展分布式發電系統，是實現能源互聯網的重要途徑。由于可再生能源發電的隨機性和間歇性，不僅會帶來配網系統的電壓波動、頻率波動，還可能引起保護系統的誤動、拒動、靈敏度降低等一系列問題，給系統中的控制開關和保護開關提出了新的要求。而對現有用電系統和用電設備進行能量管理與節能運行是實現能源互聯網的另一重要途徑。目前低壓控制保護開關一方面要拓展新功能適應能源互聯網的需求，另一方面通過自身的結構設計和智能控制實現能量利用最大化，將自身的節能降耗用到極致，形成新一代智能控制開關電器。

據統計發電設備產生的電能80%以上是通過低壓開關電器傳輸而消耗的，低壓開關電器在電力系統中一般作為配套設備，需求量巨大。每新增1萬千瓦發電容量，約需要6萬—8萬件低壓設備與之配套，其節能降耗和自身的能源管理有著舉足輕重的作用。傳統的低壓開關電器根據它在電氣線路中所處的地位和作用可歸納為配電電器和控制電器。國外從20世紀80年代，我國從20世紀90年代開始在低壓終端用電系統中逐步發展了一批外形、結構、安裝等具有共同特征并自成體系的低壓電器，通常稱為終端電器。無論是配電電器、控制電器，還是終端電器，電磁開關都是用量最大的一類。其由電磁系統、觸頭系統和操作機構組成。傳統電磁開關存在以下缺點：

（1）動態性能受交流相角的影響

電磁機構合閘相角的隨機性導致了吸合過程中激磁電流、鐵心速度等均隨機變化，在某些相角下將出現合閘困難的現象，影響開關工作的可靠性；而在另一些相角下雖能可靠合閘，但會造成動靜鐵心沖擊能量過大，產生嚴重的觸頭彈跳，影響其電壽命。

（2）工作電壓范圍窄，抗電壓跌落能力差

電磁電器的工作電壓國標規定為（85%～110%）的額定電壓，在臨界吸合電壓時易產生持續的鐵心振動，造成觸頭熔焊；同時電壓過高或過低都有可能引起線圈及鐵心的溫升上升，功耗增加，甚至導致線圈燒損。無法適應新能源和車載運行等領域。

電力系統在運行過程中，由于雷擊、短路故障重合閘、企業外部或內部電網故障、大型設備起動等原因，造成供電電壓快速下降到額定值的90%～10%，持續時間為10ms到1min，這種現象稱為“電壓跌落”，俗稱“晃電”。如果線圈電壓低于最低釋放值5～10ms即可引起觸頭分閘，會使企業設備非計劃停工，造成巨大的經濟損失。對石油、礦山等連續運行的領域影響巨大。

（3）存在交流運行噪聲

交流電磁電器線圈電壓周期性的正弦變化，導致電磁機構中的磁通、吸力也周期性的正弦變化，當吸力小于反力時，鐵心就會產生振動和噪聲；分磁環是目前解決交流電磁系統閉合狀態下振動與噪聲的主要措施，但同時分磁環的加入會給電磁系統的設計和分析帶來困難；分磁環的存在會給線圈和鐵心帶來附加損耗和附加溫升；分磁環易斷裂，影響機械壽命。

（4）電磁系統溫升較高

電磁系統磁化過程中會發生磁滯現象，產生磁滯損耗，在交流激勵時存在正反向的反復交替磁化，導致不可忽略的周期性磁滯損耗；鐵心中周期性變化的磁通還會感應渦流，產生渦流損耗；采用硅鋼片的鐵心結構是目前降低磁滯、渦流損耗的主要措施。大容量電磁電器雖采取以上措施，但大部分的保持功耗仍損失在磁滯、渦流及短路環損耗上，使電磁系統溫升較高，影響工作安全性及節能效果。因此，直流起動、直流吸持的電磁系統工作狀態是智能控制普遍采用的控制模式。

（5）存在線圈操作過電壓

交流電磁電器在進行自動控制時，多采用繼電器控制其線圈進行遠程分合閘，由于線圈負載強感性的特點，在分斷時將產生嚴重的過電壓。隨著工控自動化水平的提高，配電電路中存在越來越多的電子電路，線圈過電壓可能干擾這些電路的正常工作，甚至造成永久性損壞。

由此可見，電磁開關在運行過程中，吸合階段、吸持階段、分斷階段所需能量有很大差別，對于頻繁操作的電磁開關，其吸合階段需要較大的能量，克服系統反力，帶動觸頭系統閉合，而吸持階段只需要一個很小的能量，維持開關處于吸持狀態，在分斷階段，開關需要針對正常分斷電路和故障分斷電路情況選擇不同的分斷模式。