陳亞彬，顧偉康，柳慶東

(東南大學電氣工程學院,江蘇 南京 210000)

永磁真空斷路器的同步關合技術(shù)研究與仿真

陳亞彬，顧偉康，柳慶東

(東南大學電氣工程學院,江蘇 南京 210000)

從同步關合技術(shù)的意義和原理入手，從理論上分析了關合電容器的相位選擇策略，并通過Matlab仿真加以證實。然后分析了永磁機構(gòu)同步關合的影響因素，包括真空斷路器的預擊穿特性、控制電壓對合閘時間的影響、環(huán)境溫度對合閘時間的影響以及老化與磨損對合閘時間的影響，通過對這些影響因素的分析，研究了同步分合閘控制的關鍵技術(shù)，并利用FIR濾波的方法提取參考信號的過零點，應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡和自適應算法預測永磁機構(gòu)真空斷路器分合閘時間。

永磁機構(gòu)；同步關合技術(shù)；神經(jīng)網(wǎng)絡

1 引言

電網(wǎng)電壓的初相角在電力系統(tǒng)中的斷路器開斷和關合的瞬間完全是一個隨機數(shù)，因此會產(chǎn)生一個較大的過電壓和涌流。當用于投切容性負載(如電容器組、空載輸電線路等)或感性負載(如空載變壓器、電抗器組、大容量電動機等)時，其產(chǎn)生的涌流和過電壓不僅會對系統(tǒng)產(chǎn)生各種干擾，對電網(wǎng)中的電力設備不利，還可能引起繼電保護誤動作，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成威脅。同步關合技術(shù)是一種有效解決以上問題的智能控制技術(shù)，它是指利用智能控制系統(tǒng)，使斷路器在電網(wǎng)電壓指定相角處關合，從而使得電力系統(tǒng)中的容性負載和感性負載在對系統(tǒng)沖擊最小的時刻投入或切斷。同步關合技術(shù)可以降低合閘操作暫態(tài)過程中的過電壓和過電流，從而可以提高電力系統(tǒng)設備的壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]?？偨Y(jié)下來采用同步關合技術(shù)有如下意義：(1)減小合閘操作的涌流和過電壓；(2)提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性；(3)延長了電器的使用壽命和檢修周期，降低了成本；(4)采用同步技術(shù)可以使系統(tǒng)的瞬態(tài)過程縮短；(5)斷路器的同步分斷可以大大提高其分斷能力。然而傳統(tǒng)的操動機構(gòu)如電磁機構(gòu)和彈簧機構(gòu)等是由復雜的機械傳動系統(tǒng)組成的，具有動作時間較長、制造工藝復雜、動作時間分散性大的缺點，因而難以實現(xiàn)操動機構(gòu)的準確控制。而同步技術(shù)的關鍵正是要操動精確，達到毫秒級，傳統(tǒng)的操動機構(gòu)很難勝任。永磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的機械可靠性，動作時運動部件少且連接緊密，使得配永磁機構(gòu)的真空斷路器的分合閘時間比較短而且穩(wěn)定，分合閘時間的分散性可以控制在±1 ms內(nèi)，在動作時間的精確度方面能滿足同步關合的要求，永磁機構(gòu)的出現(xiàn)為開關的同步關合技術(shù)的實現(xiàn)提供了很好的物質(zhì)基礎[2]。

2 同步關合的原理與分析

2.1 電容器的同步關合分析

電容器常用于高低壓電力系統(tǒng)并聯(lián)補償無功功率，可減少線路能量損耗，減少線路電壓降，改善電壓質(zhì)量，提高系統(tǒng)供電能力，因此其對電容器的投切就比較頻繁。當電容器從電力系統(tǒng)中投切時，會產(chǎn)生一個較大的涌流，其后果可能會損壞斷路器的觸頭，破壞電力設備的絕緣等。圖1為關合電容器的原理圖。其中U為10kV電壓源；QF為斷路器；R為0.2Ω的線路電阻；L為1.5mH的線路電感；C為355μF的負載電容器。

圖1 關合電容器原理圖

其回路方程如式(1)所示：

(1)

對上式方程兩邊同時微分得：

(2)

對上式求解，得：

(3)

C1=Bsinφ

通過Matlab仿真計算得到不同合閘初相角下電容器涌流的波形。圖2分別是α為0°、45°、90°時的涌流波形。

圖2 同相角下關合電容器的涌流仿真分析

從圖2中可以看出，當α為0°時，涌流的幅值大約為穩(wěn)態(tài)值的1.5倍，同時關合時的暫態(tài)過程較短；當α為45°時，涌流的幅值有明顯的增大，大約為穩(wěn)態(tài)值的3.2倍；當α為90°時，涌流的幅值進一步增大，達到穩(wěn)態(tài)值的4.2倍左右，且暫態(tài)持續(xù)過程較長，對電力設備造成的危害較大。當α在0°～90°范圍內(nèi)，涌流的幅值隨著α的增大而增大；當α在90°～180°范圍內(nèi)，隨著α的增加，涌流幅值隨之減小。因此，若能控制斷路器在0°或180°附近關合電容器，就能極大地減少涌流及其對設備和系統(tǒng)的沖擊，從而能夠比較理想的達到保護電力設備的效果[3]。

2.2 同步關合的動作過程

圖3描述了同步關合的動作過程。

圖3 同步關合過程

選擇系統(tǒng)電壓初相角為0°時進行同步關合。其中，T0為總共所需的合閘時間；Td為合閘指令發(fā)出后的延遲時間；T0為斷路器觸頭動作時間。在合閘指令發(fā)出后后，處理器根據(jù)一定的算法計算出斷路器合閘所需要的時間，然后根據(jù)零點的位置計算出合閘指令需要延時的時間Td，從而保證在指定的相角處能可靠關合。

同步關合技術(shù)成功的關鍵就在于精確的控制合閘和分閘時的相位。相位控制的精確度受到很多因素的影響，如主控芯片的數(shù)據(jù)處理速度、操動機構(gòu)動作的時間分散性、斷路器觸頭的預擊穿等。因此同步控制技術(shù)的關鍵就在于能夠準確的計算出電壓及電流的過零點。

3 永磁機構(gòu)同步關合的影響因素

3.1 控制電壓對合閘時間的影響

永磁機構(gòu)的同步控制是通過其配備的分合閘線圈的通斷實現(xiàn)的，因此控制電壓的大小會對分合閘線圈電流的大小和鐵心運動速度的變化造成直接影響。合閘線圈的放電電流的表達式為：

i=Imsinωt

(4)

(5)

(6)

U為電容電壓，即控制電壓的大小對合閘線圈的放電電流具有直接的影響。合閘時，合閘線圈的電感是隨鐵芯位移而不斷發(fā)生變化的，因此，控制電壓的大小與斷路器操動機構(gòu)合閘時間之間的關系是很復雜的，并且可以肯定的是，合閘時間必然受到控制電壓大小的影響[4]。在經(jīng)過反復試驗后，擬合出了控制電壓大小與操動機構(gòu)合閘時間之間的關系曲線圖，如圖4所示。從圖中可以看出，控制電壓越大，合閘時間越短，且二者之間近似呈線性關系。由圖中可知，合閘時間的變化率在控制電壓為166V左右發(fā)生了變化，綜合來看，其隨控制電壓的變化率在0.244ms/V左右。

3.2 環(huán)境溫度對合閘時間的影響

從圖4中可以看出，環(huán)境溫度同樣對合閘時間有著不可忽略的影響，溫度越低則操動機構(gòu)合閘時間越長。其對斷路器合閘時間的影響具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

圖4 控制電壓與合閘時間的關系曲線

(2)溫度變化對永磁體性能的影響。永磁體磁性能會隨著溫度的變化而變化，以釹鐵硼為例，其矯頑磁力會隨溫度的上升而降低，這種變化可由溫度系數(shù)來描述，溫度是指當溫度變化1度時，剩磁感應強度，矯頑力，內(nèi)稟矯頑力可逆變化的百分率。矯頑磁力的降低會導致永磁體的吸合力減小，對斷路器的合閘時間和合閘速度造成影響[5]。

(3)溫度變化對運動阻尼的影響。在斷路器永磁機構(gòu)動作的過程中會遇到摩擦阻尼、粘滯阻尼以及空氣阻尼的影響，當溫度發(fā)生變化時，會引起相應阻尼系數(shù)的變化，使永磁機構(gòu)的反力特性發(fā)生改變，從而影響斷路器的合閘速度與時間。

3.3 預擊穿的影響

在真空電極間隙施加電壓，隨著間隙電壓的不斷升高，真空間隙擊穿前，電極間出現(xiàn)微小的預擊穿電流，如果真空間隙上的電壓進一步提高，間隙間就會突然發(fā)生火花放電，也就是真空間隙的完全擊穿。真空間隙中的電流會隨著預擊穿到完全擊穿的過程而迅速增大，其電流值可以在幾十毫秒的時間內(nèi)從毫安級別迅速增大到數(shù)百上千安，同時，真空間隙中的電壓值會迅速降低到數(shù)十伏。

同步關合初始相角的選擇與真空斷路器的預擊穿特性有關。如圖5所示，預擊穿特性可以由系統(tǒng)電壓的絕對值來考慮，同時，斷口耐壓與合閘速度密切相關，較低的關合速度會使斷口耐受電壓對時間的特性曲線斜率較低，如圖中直線簇A所示，當斷路器的關合速度較低時，斷路器中的真空間隙會在預定合閘相位之前導通，從而導致較大的瞬態(tài)電壓；而較高的關合速度會使該斜率較高，從而保證合閘過程中不會發(fā)生預擊穿，如圖中直線簇B所示。所以，只有達到一定的關合速度才能夠?qū)崿F(xiàn)同步關合[6]。

圖5 預擊穿特性圖

由圖5可知，當耐受電壓對時間的特性曲線與系統(tǒng)電壓過零點處相切且關合速度較高時，即可實現(xiàn)斷路器的同步關合，并且不會發(fā)生預擊穿的現(xiàn)象。保持同樣的關合速度，當特性曲線的合閘相位滯后于零點相位時，在關合的瞬間會產(chǎn)生一個較高的過電壓；反之，當特性曲線的合閘相位超前于零點相位時，在關合的瞬間則會產(chǎn)生相對較低的過電壓。在實際操作中，如圖6所示，斷口電壓對時間的特性曲線一般都介于B1與B2之間，由于但斷路器合閘動作時間具有分散性，一般選擇在電網(wǎng)電壓波形過零點1ms左右關合，以減小預擊穿發(fā)生的可能性，保證較好的關合效果。

圖6 預擊穿的統(tǒng)計特性圖

3.4 老化與磨損對合閘時間的影響

斷路器的操動機構(gòu)每次開斷時都會對觸頭產(chǎn)生碰撞，尤其是關合速度較快時，觸頭的碰撞更為強烈，從而導致斷路器在開斷一定次數(shù)后，觸頭會產(chǎn)生一定程度的磨損與老化，進而影響操動機構(gòu)的開斷行程，導致合閘時間發(fā)生一定程度的變化[7]。

4 斷路器同步關合技術(shù)的實現(xiàn)

4.1 電壓電流信號過零點的提取

同步關合系統(tǒng)必須能獲取電網(wǎng)電壓或電流過零點的準確時刻，才能以此為基準預測出電壓、電流的同步關合點時刻，并進一步確定永磁機構(gòu)分合閘信號的發(fā)出時刻。但由于實際的電壓電流信號中成分復雜，還包含各次諧波分量及噪聲，會大大影響信號的測量精度，因此，在獲取電壓電流過零點前，必須先去除信號中的噪聲，我們可以將電力系統(tǒng)中的噪聲看作是隨機性最強的白噪聲，并采用FIR數(shù)字濾波器對原始采樣信號進行濾波，通過線性插值的方法來提取基波電壓或電流的零點。

FIR 的突出優(yōu)點是：系統(tǒng)穩(wěn)定，易于實現(xiàn)線性相位，允許設計多通帶(或多阻帶) 濾波器[8]，其差分方程為：

(7)

其中x(n)為輸入序列，y(n)為輸出序列，h(k)為濾波器系數(shù)，N為濾波器的階數(shù)。

本文選用窗函數(shù)法設計線性相位FIR帶通濾波器，選用具有較好頻譜分辨率的海明窗(hamming)。設計濾波器階數(shù)N為64，帶通上下截止頻率為55、45Hz，采樣頻率fs為3.2kHz，利用Matlab軟件中的fdatool工具箱設計FIR濾波器，設置好相應參數(shù)后進行仿真，得到如圖7和8所示的FIR濾波器的幅頻響應和相頻響應，從圖中可得此濾波器具有較好的幅頻與相頻特性,符合零點檢測的要求。

圖7 FIR濾波器的幅頻響應

圖8 FIR濾波器的相頻響應

在設計完成數(shù)字FIR濾波器以后，利用matlab仿真軟件進行仿真測試，測試結(jié)果如圖9所示。其中Uf為基波信號，Ui為混入諧波噪聲后的輸入信號，通過FIR濾波器對輸入信號Ui進行濾波處理，結(jié)果如Uo所示，從圖中可以看出，濾波效果明顯且相位延遲180°，可以很好地進行電壓電流零點信號的提取，其中相位延遲是由濾波器的延時作用造成的，可由如下公式計算延時時間：

(8)

圖9 濾波器濾波前后波形比較

在濾波結(jié)束后可用線性插值法計算過零點，在采樣過程中，當采樣到的相鄰兩個數(shù)據(jù)異號時，則該兩點之間必包含過零點。當采樣頻率足夠高時，過零點處的采樣曲線可近似看作直線。設第n+1個采樣點y(n+1)和第n個采樣點y(n)異號，則過零點時刻tz的計算公式可由線性插值公式表示為：

(9)

式中，tz為過零點時刻，tn為第n個采樣點的時刻，fs為采樣頻率。

4.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的分合閘時間預測

在計算出電網(wǎng)電壓過零點以后，還需要能夠準確計算斷路器分合閘所需要的時間，以求出準確的延時時間，實現(xiàn)斷路器的同步控制。由第二節(jié)的分析可知，真空斷路器的分合閘時間由多種因素決定，其中最重要的兩個因素是環(huán)境溫度和控制電壓，再結(jié)合斷路器的機械磨損和老化，這些因素綜合起來對斷路器分合閘時間的影響非常復雜，很難用數(shù)學解析的方法建立它們之間的聯(lián)系，應該通過進行大量實驗確定這些運行變化的影響，然后對這些實驗數(shù)據(jù)進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡建模建立環(huán)境溫度、控制電壓與合閘時間的關系，實現(xiàn)操動機構(gòu)動作時間的自適應計算[9]。

目前在人工神經(jīng)網(wǎng)絡的實際應用中，絕大部分網(wǎng)絡模型是一種無反饋多層前向網(wǎng)絡-BP網(wǎng)絡和它的變化形式。BP神經(jīng)網(wǎng)絡通常具有多層結(jié)構(gòu)，包括輸入層、輸出層和隱含層。為簡化BP 網(wǎng)絡的設計、減少網(wǎng)絡的訓練時間，這里采用3 層BP 網(wǎng)絡。輸入信號有控制電壓和環(huán)境溫度，輸出為動作時間。從而可確定輸入層節(jié)點數(shù)為2，輸出層節(jié)點數(shù)為1，隱含層節(jié)點數(shù)在訓練過程中確定。

從圖4所示的曲線中采集訓練樣本數(shù)據(jù)，選取不同的隱層數(shù)對BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練。由于動作時間的取值范圍較大，故輸出層采用線性神經(jīng)元，隱含層采用S形神經(jīng)元。為了提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡的收斂速度，采用L_M算法訓練網(wǎng)絡[10]。通過訓練發(fā)現(xiàn)，隱含層層數(shù)選擇6比較合適，此時既有好的訓練精度，又有較快的收斂速度，其BP網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 BP網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

本文論述了同步關合技術(shù)的意義和在永磁機構(gòu)上實現(xiàn)的可能性，通過對切斷電容器的同步關合仿真，驗證了同步關合的重要性及理論正確性，再經(jīng)過分析影響同步關合技術(shù)的關鍵因素，分別對其分析并給出解決方案，為智能斷路器的設計提供依據(jù)，提高斷路器的操作精確性。

綜合以上分析，同步關合控制系統(tǒng)應該包括電壓電流過零點檢測、合閘時間計算、內(nèi)部延時計算等綜合功能，其原理框圖如圖11所示。

圖11 同步關合控制系統(tǒng)原理圖

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Research and Simnlation on the Synchro Switching Technology of Permanent-magnet Vacuum Circuit Breakers

CHENYa-bin,GUWei-kang,LIUQing-dong

(School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 210000,China)

This paper start with the significance and principle of the synchronous closing technology,theoretical analyzed the phaseselectionstrategies of closing capacitors,and verify through the Matlab simulation.Then the factors effectingthe synchronous switching of PMA has been analyzed,including the prebreakdown characteristics ofvacuum circuit breaker,and the influence of control voltage and environment temperature and aging and wearingon closing time,through the analysis of these effect factors,the key technology of PMA based synchronousswitching has been researched,and using FIR filter to detect the zero-crossing of the reference signal,adopting BP neural network and adaptive algorithm topredict the closing and opening time of vacuum circuit breaker.

permanent magnetic actuator;synchronous control technology;BP neural network

1004-289X(2015)03-0076-06

TM56

B

2014-04-09

陳亞彬(1990-)，男，碩士研究生。