王曉波 馬鳳寶 董笑飛（大慶石化建設(shè)公司，黑龍江 大慶 163714）

1 引言

智能電網(wǎng)的發(fā)展涉及到諸多方面的問題，其中斷路器的智能化是支撐智能電網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一。斷路器的智能化概念在近些年變得越來越清晰，從開始的斷路器外圍監(jiān)測與控制，逐步發(fā)展到狀態(tài)信號(hào)采集技術(shù)、再到后來的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、二次控制系統(tǒng)智能化等，這其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)便是斷路器的智能化操作，其中更為關(guān)鍵的是斷路器的可控操作[1]。

操作智能化是高壓斷路器性能智能化的一個(gè)重要方面，實(shí)現(xiàn)操作智能化具有多方面的優(yōu)越性。首先操作智能化可以使斷路器的操作大多是在較低速度下完成，從而減小開斷時(shí)的沖擊力和磨損，減少機(jī)械故障、提高機(jī)械使用壽命[2]。與此同時(shí)又能夠?qū)崿F(xiàn)普通高壓開關(guān)設(shè)備的智能化操作，如檢測、保護(hù)、控制等[3]。在實(shí)現(xiàn)定向合閘，減小合閘過電壓，取消合閘電阻等方面能夠進(jìn)一步提高穩(wěn)定性及可靠性。另外，還可以實(shí)施選相分閘，對燃弧時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制斷路器起弧時(shí)間，使其位于最有利于燃弧的相位角，不受限于系統(tǒng)燃弧時(shí)差，大大改善斷路器的實(shí)際開斷能力[4]。

開發(fā)具有穩(wěn)定性、好的可控性及快速性的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，對于不同的電網(wǎng)工況下自動(dòng)調(diào)整操動(dòng)機(jī)構(gòu)及滅弧室的較優(yōu)工作狀況具有極大的意義。電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)具備簡單的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)又能夠方便的利用電力電子技術(shù)來控制運(yùn)動(dòng)過程，這就使得機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間具備完全的可控性，可以在期望相位上執(zhí)行可靠動(dòng)作，對于斷路器同步分?jǐn)嗉斑x相合閘具有極其重要的應(yīng)用意義。另外，以電力電子器件為主放電拓?fù)涞目刂葡到y(tǒng)易與數(shù)字電路接口，具備一系列優(yōu)點(diǎn)，如能夠精確執(zhí)行計(jì)算機(jī)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路簡單，消耗功率小等。這些具備快速性與可控性的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，在開發(fā)斷路器智能化操作領(lǐng)域具備極好的發(fā)展前景及重大的實(shí)際意義，值得深入探索與研究。

本文將對高壓斷路器操作智能化的發(fā)展進(jìn)行總結(jié)，并提出一種能夠有助于斷路器操作智能化的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)想。

2 操作智能化的原理

2.1 操作智能化的意義和作用

在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的過程中，有不同的工作狀態(tài)，例如無載、空載、負(fù)載、短路故障等等，因此斷路器需要開斷的電路參數(shù)在不同狀態(tài)下相差非常大，不同狀態(tài)對斷路器的開斷能力的要求是不同的。傳統(tǒng)斷路器為了滿足電網(wǎng)各種工作狀態(tài)下均能順利開斷以及可靠性的要求，在設(shè)計(jì)斷路器時(shí)都是按照最嚴(yán)酷的電氣和機(jī)械性能要求的，但這些受到機(jī)械強(qiáng)度、耐機(jī)械沖擊性能和磨損等因素的制約，使斷路器的壽命和可靠性受到影響，因此高壓斷路器的操作智能化研究迫在眉睫。

高壓斷路器的操作智能化主要通過以下幾方面實(shí)現(xiàn)：智能化分合速度；同步分?jǐn)嗯c選相合閘；零電壓關(guān)合。

2.2 操作智能化的實(shí)現(xiàn)原理

高壓斷路器的操作智能化的實(shí)現(xiàn)可以通過在現(xiàn)有斷路器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)智能控制單元構(gòu)成，這種實(shí)現(xiàn)方式不需要改變斷路器本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和動(dòng)作特性，有較好的兼容性。這種改造方式不需要改變原來變電站和繼電保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，也不改變系統(tǒng)的其他功能。但是這種方式并沒有改變斷路器本身的結(jié)構(gòu)和特性，具有很大的局限性。還有另外一種實(shí)現(xiàn)方式，這種方式需要對斷路器本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，主要是對斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)和動(dòng)作特性進(jìn)行了一系列的改造，同時(shí)這種實(shí)現(xiàn)方式也需要增加部分智能控制單元。下面介紹這種實(shí)現(xiàn)方式的原理和過程。

圖1 智能操作斷路器工作原理框圖

圖1為斷路器操作智能化工作原理框圖。高壓斷路器智能化操作的過程可概括為：當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測到系統(tǒng)故障需要分閘或者操作人員發(fā)出分閘指令時(shí)，智能識(shí)別模塊對當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)分析的結(jié)果對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)再對斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以獲得最佳的動(dòng)作特性。

短路故障開斷要求斷路器分閘的時(shí)間盡可能短，不能因智能操作所增加的控制和調(diào)節(jié)裝置而人為地使斷路器的分閘時(shí)間延長。這完全可從智能控制單元的硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序上解決, 使因增加控制和調(diào)節(jié)裝置而延長的時(shí)間約束在可接受的和可忽略的程度。

3 操作智能化的發(fā)展現(xiàn)狀

國際大電網(wǎng)會(huì)議提出智能斷路器以來，高壓斷路器的操作智能化也有了長足的進(jìn)步，但是相對于斷路器外圍檢測控制方面所取得的進(jìn)展，操作智能化還有很大的差距。目前，能夠?qū)崿F(xiàn)操作智能化的產(chǎn)品并不多見，這主要是由于操作智能化理論并不是很清晰，也沒有提出確切可行的實(shí)施方案。

斷路器可根據(jù)電網(wǎng)不同工作狀態(tài) (例如無載、空載、負(fù)載、短路故障等)自動(dòng)調(diào)整操動(dòng)機(jī)構(gòu)和選擇滅弧室合理的工作條件。目前在中高壓斷路器中，只能做到操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作速度的分級調(diào)節(jié)，即按照大量額定電流以下的操作實(shí)現(xiàn)慢速開斷, 而次數(shù)不多的故障電流和電容電流的開斷以快速開斷的分級方案實(shí)現(xiàn)速度分級可控調(diào)節(jié)，但是該操作過程亦不能實(shí)現(xiàn)全過程可控調(diào)節(jié)。

就動(dòng)作過程而言，目前大部分?jǐn)嗦菲鞫疾扇￠_環(huán)控制，且不能準(zhǔn)確跟蹤觸頭動(dòng)作速度或位移，這使得實(shí)現(xiàn)智能斷路器基礎(chǔ)的前提條件（動(dòng)作過程完全可控）幾乎不能實(shí)現(xiàn)。為此，國內(nèi)外有學(xué)者分別針對不同的操動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了部分控制。如針對永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)提出利用電力電子開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程分階段控制得到較好結(jié)果，但是其控制系統(tǒng)仍為開環(huán)控制，并不能實(shí)現(xiàn)給定預(yù)期動(dòng)作曲線的準(zhǔn)確跟蹤。

針對液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)提出利用開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作速度的分級調(diào)節(jié)即按照大量額定電流以下的操作實(shí)現(xiàn)慢速開斷, 而次數(shù)不多的故障電流和電容電流的開斷以快速開斷的分級方案實(shí)現(xiàn)速度分級可控調(diào)節(jié)取得一定進(jìn)展。其中比較有代表性的有SF6智能操作斷路器。SF6高壓斷路器多采用壓氣式結(jié)構(gòu)，其開端特性由操動(dòng)機(jī)構(gòu)和滅弧室共同決定[5]。根據(jù)反應(yīng)其相互作用的分閘運(yùn)動(dòng)特性方程和實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證得知，液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的定徑孔直徑對分閘速度的影響很大，因此SF6智能操作斷路器把定徑孔直徑作為控制對象，以獲取預(yù)期的分閘速度特性[6]。在目前的實(shí)際產(chǎn)品中，基本都采用改變定徑孔直徑來調(diào)整分閘運(yùn)動(dòng)特性。也有學(xué)者提出了可以通過使用快速開關(guān)閥來代替定徑孔，以改變管道綜合損失系數(shù)，達(dá)到改變空載分閘運(yùn)動(dòng)特性的目的。這兩種方法的原理是相似的，快速開關(guān)閥是此類方法的發(fā)展方向，它不僅切實(shí)可行，而且經(jīng)濟(jì)可靠。但是該操作過程亦不能實(shí)現(xiàn)全過程可控調(diào)節(jié)。

未來高壓斷路器的發(fā)展將涉及斷路器本身的操作，則是智能化斷路器的關(guān)鍵所在，具體而言就是實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘操作的智能化，能夠?qū)Ω邏簲嗦菲饔|頭的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行更加完全的檢測和控制。研制一種適應(yīng)不同應(yīng)用場合且兼具可靠性、快速性和可控性的智能斷路器已成為必然趨勢。

4 脈沖電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)在操作智能化中的應(yīng)用

4.1 脈沖電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特性

脈沖電磁推力機(jī)構(gòu)的一般工作原理為：通過充電的電容器向合閘或分閘線圈放電產(chǎn)生持續(xù)幾毫秒的脈沖電流，與開關(guān)操作連桿固定在一起的銅盤中因感應(yīng)渦流而受到脈沖電磁推力作用，從而帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的快速關(guān)合或分?jǐn)?，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電磁推力機(jī)構(gòu)示意圖

（1）電磁力和線圈電流分析

將電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)化簡，等效為雙單砸線圈，為求得一般規(guī)律，進(jìn)行一個(gè)假設(shè)，見文[6]。由此假設(shè)可以得出電磁力和線圈電流隨時(shí)間變化的曲線，如圖3所示，i0與 i1分別為通電線圈的電流和銅盤的渦流。由圖可知，這種操動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于線圈圈數(shù)極少，又無鐵芯等原因，電流上升速度極快，電流幅值高，這就為斷路器的快速動(dòng)作提供了條件。

圖3 線圈電流和電磁力

（2）電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特性[6]

隨著電流的快速上升，電磁力在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)很大的值，可以使觸頭獲得較大的初始加速度，因此，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作速度較快。但是，電磁力上升速度快導(dǎo)致其很快達(dá)到峰值，達(dá)到峰值后又迅速下降，這就使得觸頭運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后加速度明顯減小，這導(dǎo)致電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)行程較短。

4.2 一種電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)在操作智能化中的應(yīng)用設(shè)想

電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源于通電線圈和銅盤之間的作用力，其作用特性與線圈電流的特性有著直接的關(guān)系。由圖3中線圈電流和電磁力的關(guān)系可知，電磁力與線圈電流關(guān)系密切，因此，要改變電磁力的作用特性，可以通過改變線圈電流來實(shí)現(xiàn)，下面介紹一種新方案。

4.2.1 采用多個(gè)電容配合放電

傳統(tǒng)電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，電容放電過程只有一次，在一次放電過程中，線圈電流和電磁力在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，但之后迅速下降，不能對操作智能化有所幫助，行程也較短。可以采用如圖4所示的方法對電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。在圖4中，由原來的單一電容放電變成多個(gè)電容相互配合放電，每個(gè)電容都由各自的可控開關(guān)控制。這種模式既可以實(shí)現(xiàn)操作智能化，又可以增加電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程。

圖4 多個(gè)電容相互配合放電

4.2.2 操作智能化的實(shí)現(xiàn)原理

這種高壓斷路器通過外圍檢測裝置，實(shí)時(shí)的檢測電網(wǎng)和斷路器本身的狀態(tài)，把所測得的狀態(tài)傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，從而決定操動(dòng)機(jī)構(gòu)的開斷動(dòng)作。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，高壓斷路器需要以最快的速度將線路斷開。首先由一個(gè)充電電容器C1放電，觸頭將會(huì)獲得很大的加速度，這樣就使得觸頭可以迅速把速度提高。當(dāng)電磁力達(dá)到極大值以后，開始迅速下降，加速度隨之降低，逐漸不能滿足快速性的要求。此時(shí)，在控制開關(guān)的作用下，第一個(gè)電容的開關(guān)關(guān)閉，第二個(gè)電容開關(guān)打開，電容C2開始放電，通電線圈又獲得了較大的電流，從而使電磁力再次上升。可以采用多個(gè)電容器配合使用的方法，依次使各個(gè)電容放電，始終給觸頭一個(gè)較大的加速度，滿足開斷的快速性要求。

當(dāng)系統(tǒng)空載時(shí)，系統(tǒng)允許以較低的速度開斷，此時(shí)可以僅使用電容C1進(jìn)行放電，動(dòng)作過程如前面所示，觸頭開始時(shí)獲得很大的加速度，但是當(dāng)速度增加到一定值后，加速度明顯減小，可以使觸頭以較低的速度分合閘，減小了機(jī)械磨損和震蕩。

4.3.3 關(guān)鍵問題

首先是各個(gè)電容器之間的放電配合問題?？煽亻_關(guān)何時(shí)動(dòng)作，使電容C2代替電容C1開始放電是其中一個(gè)很重要的問題，這將影響到操動(dòng)機(jī)構(gòu)能否獲得最優(yōu)的加速度。各電容之間以及電容替換前后電容與電路之間的相互作用關(guān)系也需要進(jìn)一步的研究驗(yàn)證。

其次是對電網(wǎng)狀態(tài)的檢測和對操動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行在不同的狀態(tài)時(shí)，需要高壓斷路器的動(dòng)作特性也是不一樣的，因此需要對電網(wǎng)和高壓斷路器本身的狀態(tài)進(jìn)行檢測，當(dāng)需要開斷時(shí)，根據(jù)檢測到的情況，準(zhǔn)確判斷需要高壓斷路器以什么速度開斷，達(dá)到最優(yōu)開斷效果。

5 結(jié)論

（1）智能化高壓斷路器是未來高壓斷路器的發(fā)展趨勢，它已經(jīng)不在是單一的一門技術(shù)，而是綜合了電子技術(shù)，電網(wǎng)技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科。操作智能化將是智能化高壓斷路器發(fā)展中很重要的一個(gè)部分，它將隨著斷路器技術(shù)的不斷改進(jìn)而更加成熟實(shí)用，必將發(fā)揮更大的作用。

（2）電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)作為斷路器的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、電磁力較大、調(diào)節(jié)相對靈活的特點(diǎn)，必將成為高壓斷路器操作智能化的一種非常有效的方式。

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