[发明专利]低压电磁开关能量循环控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种低压电磁开关能量循环控制系统。

背景技术

为应对全球能源安全、环境污染和气候变化的挑战，未来配电网正进入“互联网+分布式能源”的后碳时期，积极发展能源互联网是中国应对下一次能源革命的主要策略之一。新能源的引入、传统能源的智能管理与合理利用、用电设备自身的节能与相互协调，都是目前研究的热点问题。提高电能在终端能源消费的比重，利用分散的风能、太阳能等可再生能源，因地制宜的发展分布式发电系统，是实现能源互联网的重要途径。由于可再生能源发电的随机性和间歇性，不仅会带来配网系统的电压波动、频率波动，还可能引起保护系统的误动、拒动、灵敏度降低等一系列问题，给系统中的控制开关和保护开关提出了新的要求。而对现有用电系统和用电设备进行能量管理与节能运行是实现能源互联网的另一重要途径。目前低压控制保护开关一方面要拓展新功能适应能源互联网的需求，另一方面通过自身的结构设计和智能控制实现能量利用最大化，将自身的节能降耗用到极致，形成新一代智能控制开关电器。

据统计发电设备产生的电能80%以上是通过低压开关电器传输而消耗的，低压开关电器在电力系统中一般作为配套设备，需求量巨大。每新增1万千瓦发电容量，约需要6万—8万件低压设备与之配套，其节能降耗和自身的能源管理有着举足轻重的作用。传统的低压开关电器根据它在电气线路中所处的地位和作用可归纳为配电电器和控制电器。国外从20世纪80年代，我国从20世纪90年代开始在低压终端用电系统中逐步发展了一批外形、结构、安装等具有共同特征并自成体系的低压电器，通常称为终端电器。无论是配电电器、控制电器，还是终端电器，电磁开关都是用量最大的一类。其由电磁系统、触头系统和操作机构组成。传统电磁开关存在以下缺点：

（1）动态性能受交流相角的影响

电磁机构合闸相角的随机性导致了吸合过程中激磁电流、铁心速度等均随机变化，在某些相角下将出现合闸困难的现象，影响开关工作的可靠性；而在另一些相角下虽能可靠合闸，但会造成动静铁心冲击能量过大，产生严重的触头弹跳，影响其电寿命。

（2）工作电压范围窄，抗电压跌落能力差

电磁电器的工作电压国标规定为（85%～110%）的额定电压，在临界吸合电压时易产生持续的铁心振动，造成触头熔焊；同时电压过高或过低都有可能引起线圈及铁心的温升上升，功耗增加，甚至导致线圈烧损。无法适应新能源和车载运行等领域。

电力系统在运行过程中，由于雷击、短路故障重合闸、企业外部或内部电网故障、大型设备起动等原因，造成供电电压快速下降到额定值的90%～10%，持续时间为10ms到1min，这种现象称为“电压跌落”，俗称“晃电”。如果线圈电压低于最低释放值5～10ms即可引起触头分闸，会使企业设备非计划停工，造成巨大的经济损失。对石油、矿山等连续运行的领域影响巨大。

（3）存在交流运行噪声

交流电磁电器线圈电压周期性的正弦变化，导致电磁机构中的磁通、吸力也周期性的正弦变化，当吸力小于反力时，铁心就会产生振动和噪声；分磁环是目前解决交流电磁系统闭合状态下振动与噪声的主要措施，但同时分磁环的加入会给电磁系统的设计和分析带来困难；分磁环的存在会给线圈和铁心带来附加损耗和附加温升；分磁环易断裂，影响机械寿命。

（4）电磁系统温升较高

电磁系统磁化过程中会发生磁滞现象，产生磁滞损耗，在交流激励时存在正反向的反复交替磁化，导致不可忽略的周期性磁滞损耗；铁心中周期性变化的磁通还会感应涡流，产生涡流损耗；采用硅钢片的铁心结构是目前降低磁滞、涡流损耗的主要措施。大容量电磁电器虽采取以上措施，但大部分的保持功耗仍损失在磁滞、涡流及短路环损耗上，使电磁系统温升较高，影响工作安全性及节能效果。因此，直流起动、直流吸持的电磁系统工作状态是智能控制普遍采用的控制模式。

（5）存在线圈操作过电压

交流电磁电器在进行自动控制时，多采用继电器控制其线圈进行远程分合闸，由于线圈负载强感性的特点，在分断时将产生严重的过电压。随着工控自动化水平的提高，配电电路中存在越来越多的电子电路，线圈过电压可能干扰这些电路的正常工作，甚至造成永久性损坏。

由此可见，电磁开关在运行过程中，吸合阶段、吸持阶段、分断阶段所需能量有很大差别，对于频繁操作的电磁开关，其吸合阶段需要较大的能量，克服系统反力，带动触头系统闭合，而吸持阶段只需要一个很小的能量，维持开关处于吸持状态，在分断阶段，开关需要针对正常分断电路和故障分断电路情况选择不同的分断模式。