李 洪 ，顏 睿

0 引言

目前國(guó)內(nèi)鐵路牽引供電系統(tǒng)所使用的27.5 kV斷路器大多采用彈簧操作機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由于零件多，可靠性差，故障率高，不具備調(diào)速控制、在線監(jiān)測(cè)等智能化功能，難以滿(mǎn)足鐵道系統(tǒng)對(duì)于斷路器提高可靠性，減少維修停電時(shí)間，提高運(yùn)輸效率的要求。因此需要開(kāi)發(fā)出新一代的全智能電氣化鐵道專(zhuān)用斷路器，適應(yīng)鐵路發(fā)展的需求。

1 智能鐵道真空斷路器的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 相控合分閘技術(shù)

1.1.1 真空斷路器在牽引供電系統(tǒng)中遇到的問(wèn)題

目前牽引供電系統(tǒng)中使用的27.5 kV 真空斷路器普遍采用彈簧操作機(jī)構(gòu)，由于斷路器的輔助開(kāi)關(guān)、真空滅弧室、外絕緣爬距等設(shè)備缺陷頻繁暴露，

真空斷路器的電氣、機(jī)械壽命與實(shí)際運(yùn)行要求差距較大。人員的檢修、維護(hù)頻繁。同時(shí)，由于彈簧斷路器合閘相位角的隨機(jī)性，造成斷路器在關(guān)合過(guò)程中，頻繁產(chǎn)生涌流或過(guò)電壓，將導(dǎo)致變電所跳閘，并會(huì)加速牽引變壓器和電網(wǎng)設(shè)備的絕緣老化。采用相控合閘永磁真空斷路器完全可以解決該類(lèi)問(wèn)題。

1.1.2 相控關(guān)合原理及理論分析

相控關(guān)合技術(shù)是指在指定的系統(tǒng)電壓相位角關(guān)合電路，使電動(dòng)機(jī)、空載變壓器、空載線路等感性設(shè)備和電容器等容性設(shè)備，在對(duì)自身和系統(tǒng)沖擊最小的情況下投入的一種智能控制技術(shù)。如采用相控關(guān)合技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，在系統(tǒng)電壓為峰值及其附近接通電源，大大減小涌流的幅值和對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)，提高設(shè)備壽命和系統(tǒng)穩(wěn)定性。在關(guān)合容性負(fù)載時(shí)如果在電壓零點(diǎn)投入，可以限制合閘涌流，縮短暫態(tài)過(guò)程，大幅度提高電容器壽命和系統(tǒng)穩(wěn)定性。對(duì)于27.5 kV 鐵道饋線斷路器所應(yīng)用工況，關(guān)合和切除之負(fù)載多呈現(xiàn)感性。

關(guān)合電感性負(fù)載時(shí)的相位選擇原理：

變壓器有載合閘模型如圖1，參數(shù)假定如下，系統(tǒng)側(cè)為一正弦電壓源u1= U1msin(ωt +α)，R1+jωL1為變壓器及系統(tǒng)阻抗，流過(guò)電流為i1，勵(lì)磁阻抗為純電感Lm，流過(guò)的勵(lì)磁電流為im，負(fù)荷阻抗為R2+ jωL2，電流為i2。CB1為高壓側(cè)斷路器，CB2為低壓側(cè)斷路器。

變壓器有載合閘是指變壓器低壓側(cè)接負(fù)載的狀況下利用CB1關(guān)合變壓器。根據(jù)霍爾基夫電流定律，可列出方程：

圖1 變壓器有載合閘的電路模型示意圖

為分析有載合閘的負(fù)載電流變化情況，假定變壓器二次側(cè)負(fù)荷極重，亦即負(fù)荷阻抗極??；另一方面，即使由于磁飽和造成勵(lì)磁支路的電抗急劇下降，但由于磁滯回線的客觀存在，該電抗總有一大于零的最小值；如果令負(fù)荷阻抗遠(yuǎn)小于該最小勵(lì)磁電抗，則當(dāng)列寫(xiě)回路方程求取負(fù)荷電流時(shí)，勵(lì)磁支路的分流效果可以忽略（僅相對(duì)負(fù)荷電流而言，實(shí)際上，該勵(lì)磁涌流可以達(dá)到較大的實(shí)際值，只是遠(yuǎn)小于二次電流而已），得到i1≈i2，則流過(guò)負(fù)載的電流為

由式（4）可知，高壓側(cè)帶載合閘后，流過(guò)負(fù)載的電流包含穩(wěn)態(tài)分量和自由分量部分，見(jiàn)圖2。

圖2 有載合閘負(fù)荷電流變化曲線圖

圖2 中自由分量與合閘瞬間電壓的初相角有關(guān)，按時(shí)間常數(shù)T 衰減，一般在幾個(gè)交流周期內(nèi)衰減完成。當(dāng)合閘初相角α = φk時(shí)，自由分量為零，流過(guò)負(fù)載的電流只有穩(wěn)態(tài)分量。特別當(dāng)ω(L1+L2)＞＞(R1+ R2)時(shí)，即合閘于電壓峰值時(shí)刻時(shí)，電流直接達(dá)到穩(wěn)態(tài)；時(shí)自由分量具有最大值，負(fù)荷電流最大為近2 倍的穩(wěn)態(tài)電流。

1.2 閉環(huán)控制技術(shù)

永磁機(jī)構(gòu)的應(yīng)用使真空斷路器的相控合閘操作成為可能，但由于相控?cái)嗦菲鲗?duì)環(huán)境溫度、壽命期的不同階段和使用現(xiàn)場(chǎng)的操作頻度等因素的敏感性，有可能使合閘時(shí)間精度超出規(guī)定的范圍，從而影響其使用。為了解決該問(wèn)題，在智能控制系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，由位移傳感器實(shí)時(shí)采集斷路器各極的位移曲線，和設(shè)定的位移曲線作實(shí)時(shí)比較，應(yīng)用模糊控制算法，根據(jù)位移差值及其變化率由模糊規(guī)則來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整控制器輸出電壓的PWM 占空比，以調(diào)節(jié)線圈通電電流大小，進(jìn)而控制機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)速度，在全工況工作條件下保證斷路器合閘時(shí)間穩(wěn)定。

結(jié)合PID 控制良好地穩(wěn)態(tài)誤差及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，可以構(gòu)成模糊自適應(yīng)PID 控制，其為一種更好的控制策略。模糊自適應(yīng)PID 控制器的輸入為位置誤差e 及位置誤差變化率，其根據(jù)不同時(shí)刻的e 和ec，利用模糊控制規(guī)則對(duì)PID 3 個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿(mǎn)足不同e 和ec對(duì)PID 控制參數(shù)的不同要求，從而改善被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)性能，控制結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

1.3 真空度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

真空開(kāi)關(guān)在工作時(shí)，其真空滅弧室屏蔽罩上的電位是由高壓部分-屏蔽罩、屏蔽罩-接地電極之間分別具有的靜電電容的分壓而決定，當(dāng)真空滅弧室在正常的工作電壓和內(nèi)部氣體壓力下運(yùn)行時(shí)，滅弧室屏蔽罩上不帶有靜電荷；而當(dāng)真空滅弧室的內(nèi)部氣體壓力升高，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低，觸頭與屏蔽罩間會(huì)發(fā)生局部放電，從而使滅弧室的屏蔽罩上帶有一定的靜電荷。因此，中間屏蔽罩與大地之間的交流電場(chǎng)將發(fā)生變化，將電場(chǎng)探頭置于其間（距離滅弧室外壁150 mm），就可以在不改變滅弧室和斷路器結(jié)構(gòu)的前提下，探測(cè)屏蔽罩的電位變化，從而檢測(cè)到真空滅弧室內(nèi)氣體壓力的變化。電場(chǎng)探頭的安裝圖如圖4 所示。應(yīng)用自制的電場(chǎng)探頭經(jīng)過(guò)反復(fù)的模擬試驗(yàn)，可以找到屏蔽罩的交流電位有效值與真空度之間的關(guān)系曲線，如圖5 所示。

圖4 電場(chǎng)探頭的安裝圖

圖5 屏蔽罩交流電位有效值與真空度關(guān)系圖

表1 真空開(kāi)關(guān)真空度非正常趨勢(shì)典型判據(jù)一覽表

1.4 其他狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

狀態(tài)檢修是對(duì)斷路器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和評(píng)估，可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)獲得斷路器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。據(jù)以制定更加經(jīng)濟(jì)、有效的斷路器維修計(jì)劃，確保生產(chǎn)安全，同時(shí)節(jié)省時(shí)間和維修成本。應(yīng)用在線檢測(cè)技術(shù)，采集運(yùn)行中的斷路器有關(guān)信息，具備開(kāi)關(guān)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)功能，開(kāi)關(guān)機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)，當(dāng)開(kāi)關(guān)特性變化超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)及時(shí)報(bào)警，同時(shí)信息數(shù)字化，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過(guò)各種通訊接口及協(xié)議，與上級(jí)通訊。智能真空斷路器本身具有數(shù)字信息與信息處理能力，就可在開(kāi)關(guān)每次操作后對(duì)其特性數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)，如通過(guò)對(duì)觸頭運(yùn)動(dòng)速度和合、分閘時(shí)間等參量的測(cè)量，并與標(biāo)準(zhǔn)要求和前次數(shù)據(jù)比對(duì)，即可判定開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性是否處于正常狀態(tài)，并可記錄和儲(chǔ)存系統(tǒng)參數(shù)。

2 智能斷路器的一次和二次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 智能斷路器的一次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能電氣化鐵路斷路器開(kāi)關(guān)一次系統(tǒng)主要由絕緣筒、真空滅弧室、絕緣拉桿、永磁操作機(jī)構(gòu)、電流互感器、L 型支架組成（圖6）。采用永磁操作機(jī)構(gòu)，無(wú)鎖扣、機(jī)構(gòu)與滅弧室直接相連，無(wú)拐臂，運(yùn)動(dòng)便捷，傳動(dòng)效率高，動(dòng)作精度高、磨損小。

圖6 斷路器一次結(jié)構(gòu)圖

2.2 智能斷路器的二次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能斷路器的二次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，按照各自功能，系統(tǒng)共分為3 個(gè)模塊：真空度在線監(jiān)測(cè)模塊，機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制模塊，無(wú)線測(cè)溫模塊，如圖7 所示。

圖7 斷路器二次結(jié)構(gòu)圖

上述3 個(gè)模塊構(gòu)成了智能鐵道開(kāi)關(guān)的二次系統(tǒng)，這些模塊所收集的狀態(tài)及運(yùn)行參量全部通過(guò)通訊方式，上報(bào)給智能IED，用于顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警。通過(guò)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，從而使得斷路器成為一個(gè)智能化的饋線斷路器：它可以控制在電壓相位的任意角度關(guān)合或開(kāi)斷；同時(shí)采用閉環(huán)控制算法，保證在整個(gè)壽命期間內(nèi)開(kāi)關(guān)相控操作的精度和穩(wěn)定性。具備開(kāi)關(guān)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)功能：開(kāi)關(guān)機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)，當(dāng)開(kāi)關(guān)特性變化超程過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，及時(shí)報(bào)警；溫度在線監(jiān)測(cè)；真空度在線監(jiān)測(cè)；信息數(shù)字化，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過(guò)各種通訊接口及協(xié)議，與上級(jí)通訊。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的鐵道真空斷路器均為電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其零件多，故障率高，調(diào)試維護(hù)不便，給現(xiàn)場(chǎng)使用帶來(lái)很多麻煩，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響鐵道的正常運(yùn)營(yíng)。而智能27.5 kV 鐵道斷路器真空斷路器可大大減少現(xiàn)場(chǎng)的工作量，提高供電的可靠性，實(shí)現(xiàn)了真正免維護(hù)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，它解決了目前鐵路系統(tǒng)應(yīng)用的饋線斷路器故障率較高，不能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的難題，它必將成為高壓開(kāi)關(guān)的主流方向。

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