寧波耀華電氣科技有限責(zé)任公司 呂恩林 朱慶荷 王競?cè)?劉曉穎 劉堅(jiān)鋼

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們對于10kV常壓密封空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)創(chuàng)新也從未止步，針對其中真空開關(guān)相關(guān)所包含的操動(dòng)機(jī)構(gòu)也作出各方面的技術(shù)改進(jìn)，以滿足現(xiàn)代配電網(wǎng)的各種要求。真空開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理是：當(dāng)動(dòng)、靜觸頭在操動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下分閘時(shí)，觸頭間產(chǎn)生電弧，由于觸頭處在真空滅弧室的真空環(huán)境下，其電弧容易熄滅；按照功能型式不同、采用的操作機(jī)構(gòu)不同，常用的操作機(jī)構(gòu)有電磁操作機(jī)構(gòu)、彈簧操作機(jī)構(gòu)、永磁操作機(jī)構(gòu)等。

在當(dāng)前10kV配網(wǎng)新建與升級改造工程中，10kV常壓密封空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜配網(wǎng)自動(dòng)化成套設(shè)備是不可或缺的重要組成部分，其屬于一種新型的智能電網(wǎng)配網(wǎng)設(shè)備，相對傳統(tǒng)的KYN環(huán)網(wǎng)柜和六氟化硫環(huán)網(wǎng)柜，具有體積小無六氟化硫氣體、采用常壓密封真空滅弧技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)備不僅環(huán)保性且穩(wěn)定性和可靠性高。因此，要想進(jìn)一步促進(jìn)該配電系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，就要對其自動(dòng)化成套裝置驅(qū)動(dòng)裝置功能的有效提升給予相應(yīng)的重視，尤其是要加強(qiáng)雙回路永磁驅(qū)動(dòng)模塊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

1 常用的操作機(jī)構(gòu)介紹

1.1 電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)

電磁操作機(jī)構(gòu)完全依靠合閘電流流過合閘線圈產(chǎn)生的電磁吸力來合閘，同時(shí)壓緊跳閘彈簧，跳閘時(shí)主要依靠跳閘彈簧來提供能量。電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)在真空斷路器發(fā)展初期得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)笨重、動(dòng)作時(shí)間較長，在沒有電源情況下無法進(jìn)行合閘操作[2]。

1.2 彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)

該類型機(jī)構(gòu)是目前最常用的機(jī)構(gòu)，其合閘分閘都依靠彈簧來提供能量，跳合閘線圈只是提供能量來拔出彈簧的定位卡銷，所以跳合閘電流一般都不大。彈簧儲(chǔ)能通過儲(chǔ)能電機(jī)壓緊彈簧儲(chǔ)能，合閘母線主要給儲(chǔ)能電機(jī)供電，電流也不大，所以合母、控母區(qū)別不太大。

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是真空斷路器最常用的一類操動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是不需要大功率的直流電源，只需要一個(gè)小功率的交直流兩用的儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)，并且在沒有電源情況下進(jìn)行合分閘操作[3]。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件數(shù)量多，且要求加工精度高、故障率較高。并且彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的出力特性與真空斷路器的負(fù)載特性不相匹配，要在輪廓曲線和連桿結(jié)構(gòu)上進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

1.3 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)

永磁操作機(jī)構(gòu)是最近才應(yīng)用到國內(nèi)市場的一種新機(jī)構(gòu)，它的原理同電磁型大體有點(diǎn)類似，主動(dòng)軸為永磁材料制成，永磁體周圍有電磁線圈。正常情況下電磁線圈不帶電，當(dāng)開關(guān)要分閘或合閘時(shí)，通過改變線圈的極性利用磁力相吸或排斥的原理驅(qū)動(dòng)分閘或合閘。雖然這個(gè)電流也不小，但開關(guān)是通過一個(gè)大容量電容來“儲(chǔ)能”，動(dòng)作時(shí)通過電容放電來提供大電流。這種結(jié)構(gòu)工作時(shí)主要運(yùn)動(dòng)部件只有一個(gè)，無需機(jī)械脫、鎖扣裝置，體積小、故障源少、可靠性較高，且使用壽命長，一般達(dá)十萬次以上，同時(shí)控制分合閘相位，實(shí)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(hù)的投入，提高系統(tǒng)整體壽命。

永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種發(fā)展時(shí)間較短的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，它使用永磁體取代了傳統(tǒng)的鎖扣裝置實(shí)現(xiàn)真空斷路器分、合閘位置的保持，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)主要運(yùn)動(dòng)部件只有一個(gè)，分、合閘電流小，對操作電源的要求較低，其噪音也低。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)比較簡單，動(dòng)作可靠性高，機(jī)械壽命長、體積小、重量輕。目前，10kV常壓密封永磁空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜真空開關(guān)雙回路永磁驅(qū)動(dòng)是一種比較先進(jìn)可靠的技術(shù)。

2 雙回路永磁驅(qū)動(dòng)模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

2016～2019年3月之前，廣東地區(qū)使用的永磁開關(guān)本體驅(qū)動(dòng)模塊，均為單驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)模式（即驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部只有一路驅(qū)動(dòng)出口），永磁驅(qū)動(dòng)模塊安裝在一次機(jī)構(gòu)室，作為永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的一個(gè)附件。當(dāng)時(shí)的永磁開關(guān)技術(shù)處于萌芽期，各項(xiàng)技術(shù)都在發(fā)展與驗(yàn)證階段，因此在運(yùn)行中暴露出較多的問題。如永磁開關(guān)需求的能量較高，驅(qū)動(dòng)電流過大，導(dǎo)致合閘困難且容易因過流過熱燒毀線圈，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成觸電爆炸等風(fēng)險(xiǎn)。

在2年多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為解決上述問題，佛山地區(qū)先行試用雙回路永磁本體驅(qū)動(dòng)模塊，并對永磁驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行了一些技術(shù)要求：首先，集成小型化設(shè)計(jì)，2U機(jī)箱高度內(nèi)部集成電容；其次，可安裝在二次柜頂，與永磁開關(guān)的連接采用標(biāo)準(zhǔn)定義的航插頭與航插座，且線序均有明確唯一定義；第三，永磁驅(qū)動(dòng)模塊采用雙回路獨(dú)立設(shè)計(jì)，通過硬壓板切換與開關(guān)的連接，人工可在現(xiàn)場隨時(shí)切換驅(qū)動(dòng)回路；最后，永磁驅(qū)動(dòng)模塊自帶后備儲(chǔ)能電池，方便現(xiàn)場無電時(shí)調(diào)試。雙回路驅(qū)動(dòng)模塊工作原理示意圖大致如圖1。

雙回路驅(qū)動(dòng)模塊的出現(xiàn)，解決了前期驅(qū)動(dòng)模塊的大部分問題，有效的推進(jìn)了永磁開關(guān)技術(shù)的發(fā)展。但在整體運(yùn)行中，也伴隨著發(fā)現(xiàn)了不少新問題。

3 雙回路永磁驅(qū)動(dòng)模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的不足

3.1 備用回路電氣性能靜置失效

按照技術(shù)要求，雙回路驅(qū)動(dòng)獨(dú)立設(shè)計(jì)互不影響。部分廠家設(shè)計(jì)時(shí)，將不在運(yùn)行態(tài)的回路（例如備回路）不帶電運(yùn)行，僅運(yùn)行態(tài)（例如主回路）的回路帶電運(yùn)行。而電子元器件及電容有個(gè)特點(diǎn)：在其被生產(chǎn)后，長期不帶電運(yùn)行、其性能下降速度加快，損壞率較高。例如電解電容在長時(shí)間放置過程中，氧化膜的絕緣性能下降，會(huì)導(dǎo)致電解電容漏電流增大的現(xiàn)象。如果放置的時(shí)間足夠長，漏電流足夠大，再次使用通電時(shí)，大電流會(huì)產(chǎn)生很大的熱量使得電解電容鼓底或爆漿。實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，主回路損壞后，切換到備回路，而備回路由于長期不帶電靜置其內(nèi)部元器件已經(jīng)失效，備用回路一起損壞無法運(yùn)行，失去了主備互為備用的作用[4]。

3.2 瞬間功率匹配失衡

最初技術(shù)規(guī)范制定時(shí)，考慮到現(xiàn)場取電PT功率、直流屏功率，對永磁驅(qū)動(dòng)模塊的輸入功率進(jìn)行了約束，不超過100W；又考慮到重合閘的充電時(shí)序，對儲(chǔ)能充電時(shí)間進(jìn)行了約束，不允許超過5s。這兩個(gè)指標(biāo)是沖突的，充電越快意味著要求輸入功率越大越好；而輸入功率又限制了最大功率的獲取值。為了解決靜置失效問題，兩個(gè)回路（主、備）都要帶電運(yùn)行，因此存在一定的時(shí)刻兩個(gè)回路的電容同時(shí)儲(chǔ)能，而同時(shí)儲(chǔ)能時(shí)兩個(gè)回路同時(shí)會(huì)向外部電源索取較大功率。

如果此時(shí)滿足儲(chǔ)能時(shí)間要求，則瞬間功率會(huì)超過需求功率，引起的結(jié)果就是外部電源輸出過載，從而引起電源打嗝甚至自保護(hù)（如直流屏，在出現(xiàn)上述瞬間過載的情況時(shí)就會(huì)不停的出現(xiàn)輸出、失電、保護(hù)、輸出、失電、保護(hù)），嚴(yán)重的會(huì)拖死外部電源進(jìn)入到一個(gè)異常態(tài)，使整柜或整站其余設(shè)備失電；如此時(shí)滿足功率要求則儲(chǔ)能功率受限，內(nèi)部主備回路各自的電源系統(tǒng)會(huì)互相競爭功率，易引起兩個(gè)回路電源系統(tǒng)功率瞬間失衡，輕則引起內(nèi)部電容儲(chǔ)能時(shí)間變長（如從5s變到10s），重則引起內(nèi)部電源系統(tǒng)互鎖進(jìn)入到異常態(tài)使得驅(qū)動(dòng)模塊短時(shí)失效[5]。

3.3 某一回路狀態(tài)異常影響另一回路

雖然主備回路的電氣回路完全互相獨(dú)立設(shè)計(jì)，但其輸入電源、驅(qū)動(dòng)輸出接口、開入信號、信號出口均為同一個(gè)。兩套回路無法徹底斷開，一個(gè)回路的異常會(huì)有可能影響至另一個(gè)回路。即當(dāng)主回路升壓電源出現(xiàn)異常短路情況，拖累輸入電源輸出側(cè)短路從而無法啟動(dòng)，使得備用回路升壓電源無法工作。另外，主回路在位檢測失效，其始終認(rèn)為主回路在線，不釋放信號控制權(quán)給備回路，從而備回路工作狀態(tài)無法正確上送。如圖2所示，當(dāng)回路1在位檢測異常時(shí)，回路1的已儲(chǔ)能狀態(tài)就能輸出至驅(qū)動(dòng)模塊整機(jī)儲(chǔ)能信號處，即使此時(shí)回路2是未儲(chǔ)能狀態(tài)，但對外輸出的儲(chǔ)能信號也是回路1的已儲(chǔ)能狀態(tài)。

圖2 回路的狀態(tài)

4 提高永磁雙驅(qū)動(dòng)模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)化措施

現(xiàn)今，10kV常壓密封永磁空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜真空開關(guān)雙回路永磁驅(qū)動(dòng)模塊經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量不穩(wěn)定情況，一定程度上不僅會(huì)給整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行造成很大影響，而且還會(huì)降低配網(wǎng)工程的運(yùn)行安全。因此，要想避免這種情況的發(fā)生，就應(yīng)對雙回路永磁驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對其雙回路永磁驅(qū)動(dòng)模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析，以便找出具體缺陷和不足，并采取針對性的措施加以全面完善，這樣才能提高模塊設(shè)計(jì)質(zhì)量，滿足設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行需求。

4.1 各驅(qū)動(dòng)回路、儲(chǔ)能回路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用通用型對插接口與主殼體板件進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了良好的即插即用功能；當(dāng)需要進(jìn)行更換時(shí)，在現(xiàn)場無需停電、無需拆換整體驅(qū)動(dòng)模塊，僅需將模組元件直接拔出更換為全新模組即可；也可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，任意配置驅(qū)動(dòng)回路的回路，給用戶和使用人員提供了較大的配置靈活性,概念示意圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)裝置概念示意圖

4.2 驅(qū)動(dòng)回路儲(chǔ)能電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)

當(dāng)多路驅(qū)動(dòng)回路模組同時(shí)在線時(shí)，驅(qū)動(dòng)回路能夠自動(dòng)智能識(shí)別在線回路，輸入電源功率會(huì)優(yōu)先將儲(chǔ)能輸出至在線儲(chǔ)能回路，在空閑時(shí)再將功率分配至其他備用儲(chǔ)能回路；同時(shí)增加電源之間防鎖死功能，在一路電源持續(xù)異常的情況下，硬件能夠自動(dòng)隔離異常回路，當(dāng)修復(fù)或者更換完新的回路時(shí)，重啟后又能夠自動(dòng)接入。另外要開發(fā)可靠性、安全性更高的驅(qū)動(dòng)回路，使其自帶全面的運(yùn)行自檢功能，能夠在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)對回路的硬件情況進(jìn)行自檢，出現(xiàn)問題時(shí)可及時(shí)報(bào)警[3]。

4.3 主、備回路優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)回路、儲(chǔ)能回路為模組元件化設(shè)計(jì)，因此在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各模組之間的無縫切換、熱備用功能，即在任一回路異?；蚨虝r(shí)間無法出口時(shí)，無需人工參與（當(dāng)前方案需人工去現(xiàn)場切換回路），自動(dòng)實(shí)現(xiàn)戶口回路之間的切換，從而實(shí)現(xiàn)多路驅(qū)動(dòng)熱備用的功能。這不僅帶來更高的可靠性，也極大降低人員運(yùn)維的工作量。

5 結(jié)語

隨著我國配網(wǎng)工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，10kV常壓密封永磁空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜自動(dòng)化成套裝置技術(shù)體系也越發(fā)成熟，為了使其整體應(yīng)用性能發(fā)揮到最大化，就要在現(xiàn)有技術(shù)條件基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的優(yōu)化創(chuàng)新，尤其是要結(jié)合現(xiàn)階段智能配網(wǎng)建設(shè)要求對永磁驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面優(yōu)化，使其智能自動(dòng)化控制功能得到進(jìn)一步的提升，這樣才能切實(shí)滿足配網(wǎng)工程長期穩(wěn)定運(yùn)行需求。