方 彥

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

隨著電氣化鐵路運營里程的增長，高速、重載已成為電氣化鐵路發(fā)展的方向，這就要求牽引供電系統(tǒng)為電力機車提供更安全、經(jīng)濟、可靠和高質(zhì)量的電能，自動過分相技術(shù)應(yīng)運而生，但由于換相過程中極易產(chǎn)生過電壓和合閘涌流，對牽引變壓器的沖擊很大，極大制約自動過分相技術(shù)的發(fā)展。

自動過分相轉(zhuǎn)換裝置的核心部件是真空負荷開關(guān)，而真空負荷開關(guān)的長壽命和可靠性是急需解決的問題。從技術(shù)上講[1]，真空滅弧室技術(shù)的發(fā)展，使其電壽命大大增加。其機械壽命從傳統(tǒng)的兩千次躍增為幾萬次，因此，與其配合的操動機構(gòu)的機械壽命及可靠性成為較突出的問題。傳統(tǒng)的彈簧操動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)量多，且加工精度要求高；電磁機構(gòu)雖然機構(gòu)相對簡單，零件數(shù)量少，但電源電壓波動對合閘速度影響較大，操作電流大，無法調(diào)控分合閘速度和相位；使用壽命沒有根本突破，對電力系統(tǒng)操作的過電壓和合閘涌流的控制更無從談起。永磁機構(gòu)采用一種全新的工作原理和結(jié)構(gòu)，工作時主要運動部件只有一個，無需機械脫、鎖扣裝置，故障源少，可靠性較高，且使用壽命長，一般達十萬次以上，同時控制分合閘相位，實現(xiàn)同步控制，從而減少過電壓和涌流對系統(tǒng)的沖擊，減少系統(tǒng)保護的投入，提高系統(tǒng)整體壽命。因此永磁操作機構(gòu)是智能選相真空開關(guān)的必然選擇[2]。

1 永磁機構(gòu)工作原理

單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的工作原理[3]如圖1所示。當(dāng)該機構(gòu)處于合閘位時，如圖1（a）所示，線圈中無電流通過，由永磁作用保持動鐵心在上端。分閘時，特定方向的電流通過操作線圈，該電流在動鐵心上端產(chǎn)生與永磁體磁場相反的磁場，使動鐵心受到的磁吸力減小，當(dāng)動鐵心受到的向上的合力小于彈簧的拉力時，動鐵心向下運動，實現(xiàn)分閘。當(dāng)處于分閘位置，如圖1（c）所示，操作線圈中通過與分閘操作相反的電流。該電流在靜鐵心上部產(chǎn)生與永磁體磁場方向相同的磁場，在動鐵心下部產(chǎn)生與永磁體磁場相反的磁場，使動鐵心下端所受到的磁吸力減小。當(dāng)操作電流增大到一定值時，向上的電磁合力大于下端的吸力與彈簧的反力，動鐵心向上運動，實現(xiàn)合閘。

圖1 單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)工作原理示意圖

2 智能選相原理

智能選相（同步關(guān)合技術(shù)）就是開關(guān)在電流或電壓的過零點進行分、合閘操作，斷路器分合閘時間的穩(wěn)定性是實現(xiàn)同步開斷的基本要求[4-5]。由于永磁機構(gòu)的機構(gòu)簡單，傳動部件少，相對彈簧機構(gòu)而言，其分合閘時間的分散性較小，有利于發(fā)展為同步關(guān)合的斷路器。關(guān)合相位控制方式如圖2和圖3所示。斷路器在進行關(guān)合之前，因發(fā)生預(yù)擊穿而使回路導(dǎo)通，即實現(xiàn)合閘，所以必須考慮預(yù)擊穿對同步關(guān)合的影響，關(guān)合目標相位的選擇應(yīng)按一定的計算方法，根據(jù)斷路器的關(guān)合速度進行確定斷口間電壓。

圖2 相位控制原理圖

圖3 相位控制流程圖

圖3中，當(dāng)同步控制器在時刻tcom接到合閘指令后，此時，預(yù)測出斷路器的合閘時間Tclosing，根據(jù)斷路器的關(guān)合速度，關(guān)合回路的電壓以及關(guān)合時的預(yù)擊穿，按照一定的計算方法，計算觸頭預(yù)期關(guān)合的最佳時刻tclose，為了使斷路器在tclose點合閘 ，即在tcc點對斷路器發(fā)出合閘指令，需計算出輸出關(guān)合控制信號所需的延遲時間。微處理器的計算時間和檢測到零點的時間為tw，經(jīng)延遲時間Tcont后，控制器在時刻tcc輸出關(guān)合控制信號。斷路器在經(jīng)Tmaking時間后，在時刻tmake關(guān)合電路。

為了計算出延遲時間Tcont，關(guān)合時，將斷口間電壓零點作為基準，使用距關(guān)合指令最近的零點時刻tzero計算延遲時間Tcont。零點時間tzero、指令輸入時間tcom、關(guān)合控制信號輸出時間tcc以及測量零點與計算所需時間Tw的關(guān)系式：

計算目標相位合閘，其關(guān)合控制信號輸出時間tcc和零點時間tzero的差值須滿足

將式（1）代入式（2）得：

式中，f為系統(tǒng)頻率；n為一個整數(shù)值，且 Tcont≥0，且 Tcont為最小的整數(shù)值。

當(dāng)輸入操作指令后，檢測下一零點，并以此為基準，讓延遲時間變化進行相位控制延遲時間變化。

3 影響智能選相的因素及解決措施

智能選相(同步關(guān)合)技術(shù)的關(guān)鍵是操作精確性問題[6]，影響開關(guān)操作精度的主要因素為合閘相位角精度。合閘相位角精度主要取決于合閘時間的離散性、合閘控制信號的離散性和預(yù)擊穿的影響，其中合閘時間的離散性又分為機械和電氣兩部分，具體原因分析和對應(yīng)的措施如下：

1）機械部分的合閘時間離散性主要由傳動環(huán)節(jié)的能量損耗的離散性，多次開斷后觸頭表面燒損和溫度變化引起永磁體矯頑力變化造成。傳動環(huán)節(jié)過多使能量損耗和機構(gòu)運動速度的影響因素增多，進而影響開關(guān)的關(guān)合速度離散性；觸頭燒損引起合閘時觸頭間距離發(fā)生變化導(dǎo)致合閘時間變化；永磁機構(gòu)在使用中，永磁體的矯頑力隨溫度升高而降低，保持力相應(yīng)由大變小，進而影響合閘起動時間和合閘速度。

解決措施：①采用獨立操動、永磁機構(gòu)與真空滅弧室直線布置的操動方式，減少傳動環(huán)節(jié)，降低運動部件動能損耗的離散性，使開關(guān)每相均具有較好的機械合閘特性；②在永磁機構(gòu)控制模塊中加入一組自動校正單元，自動測量每一次操作，并依據(jù)這一測量結(jié)果，自動調(diào)整下一次操作的相關(guān)數(shù)據(jù)，使得開關(guān)的關(guān)合精度始終保持最佳狀態(tài)。③由于永磁機構(gòu)合閘時，永磁體的吸力只有在機構(gòu)靜鐵芯間距極小時起作用，對關(guān)合時末速度的影響很小，如采用單穩(wěn)態(tài)機構(gòu)，永磁體矯頑力的變化對關(guān)合起始速度無影響，故可降低至忽略不計。

2）電氣部分的合閘時間離散性由控制電壓變化造成。永磁機構(gòu)所采用的控制電壓通常是電解電容充電后的電壓，其大小直接影響合閘線圈中放電電流，因此必然對合閘時間產(chǎn)生影響?？刂齐娐返脑O(shè)計方案和環(huán)境溫度變化均造成控制電壓的波動。不合理的電路設(shè)計使控制電壓隨電源電壓的變化而波動；溫度變化也將使電容器的電容量發(fā)生變化。

解決措施：①選擇電容量隨溫度變化小的電解電容器；②合理設(shè)置穩(wěn)壓電路，使電解電容兩端電壓有效值穩(wěn)定在設(shè)計值；③選擇合適的大容量充電電容，以增大其放電電量，減小起始運動時放電電流的波動造成的起始運動時刻的波動。

3）控制信號的離散性是由測量誤差和運算誤差等因素構(gòu)成。

解決措施：①在設(shè)計永磁機構(gòu)控制單元時采用全電子智能化控制，由主開關(guān)電源、控制電源、電容器組、推挽驅(qū)動MOSFET開關(guān)器件、分合閘位置檢測器、光隔離器、開關(guān)電壓檢測器等組成。②控制單元根據(jù)斷口電壓信號的采樣，通過邏輯計算后發(fā)出分合閘指令。③通過高性能的電子元器件選用、嚴格的工藝和調(diào)試控制、合理的測量電路及運算電路設(shè)計來減小控制信號的離散。

4）預(yù)擊穿的影響對于低壓真空開關(guān)來說，在關(guān)合容性負載和感性負載時觸頭的預(yù)擊穿時間均忽略不計。對于高壓真空開關(guān)來說，在關(guān)合容性負載時，關(guān)合相位選在系統(tǒng)電壓零點，由于在電壓零點附近，電壓較低，預(yù)擊穿時間也可忽略不計；僅考慮高壓時關(guān)合感性負載觸頭間預(yù)擊穿的影響。

解決措施：①采用高絕緣性能真空滅弧室，使滅弧室內(nèi)電場分布均勻合理，提高其耐壓水平，減小滅弧室預(yù)擊穿時觸頭間的距離；②高壓真空開關(guān)在關(guān)合感性負載時，合閘相位選擇在電壓峰值后某一時刻，使觸頭發(fā)生預(yù)擊穿時，即電路導(dǎo)通時電壓正好處于峰值。

4 結(jié)論

智能選相真空斷路器是為電氣化鐵路27.5 kV牽引變電所系統(tǒng)的要求而研制的，它采用永磁作機構(gòu)，具有全新的工作原理和結(jié)構(gòu)，工作時主要運動部件只有一個，無需機械脫、鎖扣裝置，故障源少，可靠性較高和長使用壽命，一般機械壽命達十萬次以上，同時可以控制分合閘相位，實現(xiàn)同步控制，減少過電壓和涌流對系統(tǒng)的沖擊，減少系統(tǒng)保護的投入，提高系統(tǒng)整機壽命。面向牽引變電所的新一代真空斷路器，它以體積小、長壽命、免維護等特點，并通過選相投切來抑制過壓、過流對電器設(shè)備的危害等貼近現(xiàn)場運行的實際需要為基本設(shè)計原則，為電氣化鐵路電容隨機補償，相分段自動轉(zhuǎn)換技術(shù)，饋線智能保護提供設(shè)備基礎(chǔ)。

[1]林 莘.現(xiàn)代高壓電器技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]李建基.高中壓開關(guān)設(shè)備實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[3]林 莘.永磁機構(gòu)與真空斷路器[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[4]李 利，徐建源.同步關(guān)合控制的研究[C].中國電工技術(shù)學(xué)會第五屆全國智能化電器及其應(yīng)用研討會，西安，2001.

[5]李 利，徐建源.真空斷路器的同步關(guān)合控制[C].全國電工理論與新技術(shù)2001年學(xué)術(shù)年會,保定，2001.

[6]段雄英，鄒積巖，方春恩，等.相控真空開關(guān)同步電容器組控制策略及其實現(xiàn)[J].大連理工大學(xué)學(xué)報,2003，43（4）：457-460.