智能選相真空斷路器的分析

方 彥

（西安鐵路職業技術學院 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展的方向，這就要求牽引供電系統為電力機車提供更安全、經濟、可靠和高質量的電能，自動過分相技術應運而生，但由于換相過程中極易產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的發展。

自動過分相轉換裝置的核心部件是真空負荷開關，而真空負荷開關的長壽命和可靠性是急需解決的問題。從技術上講[1]，真空滅弧室技術的發展，使其電壽命大大增加。其機械壽命從傳統的兩千次躍增為幾萬次，因此，與其配合的操動機構的機械壽命及可靠性成為較突出的問題。傳統的彈簧操動機構，結構復雜，零件數量多，且加工精度要求高；電磁機構雖然機構相對簡單，零件數量少，但電源電壓波動對合閘速度影響較大，操作電流大，無法調控分合閘速度和相位；使用壽命沒有根本突破，對電力系統操作的過電壓和合閘涌流的控制更無從談起。永磁機構采用一種全新的工作原理和結構，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，實現同步控制，從而減少過電壓和涌流對系統的沖擊，減少系統保護的投入，提高系統整體壽命。因此永磁操作機構是智能選相真空開關的必然選擇[2]。

1 永磁機構工作原理

單穩態永磁機構的工作原理[3]如圖1所示。當該機構處于合閘位時，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，實現分閘。當處于分閘位置，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生與永磁體磁場方向相同的磁場，在動鐵心下部產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，實現合閘。

圖1 單穩態永磁機構工作原理示意圖

2 智能選相原理

智能選相（同步關合技術）就是開關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定性是實現同步開斷的基本要求[4-5]。由于永磁機構的機構簡單，傳動部件少，相對彈簧機構而言，其分合閘時間的分散性較小，有利于發展為同步關合的斷路器。關合相位控制方式如圖2和圖3所示。斷路器在進行關合之前，因發生預擊穿而使回路導通，即實現合閘，所以必須考慮預擊穿對同步關合的影響，關合目標相位的選擇應按一定的計算方法，根據斷路器的關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，當同步控制器在時刻tcom接到合閘指令后，此時，預測出斷路器的合閘時間Tclosing，根據斷路器的關合速度，關合回路的電壓以及關合時的預擊穿，按照一定的計算方法，計算觸頭預期關合的最佳時刻tclose，為了使斷路器在tclose點合閘 ，即在tcc點對斷路器發出合閘指令，需計算出輸出關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，經延遲時間Tcont后，控制器在時刻tcc輸出關合控制信號。斷路器在經Tmaking時間后，在時刻tmake關合電路。

為了計算出延遲時間Tcont，關合時，將斷口間電壓零點作為基準，使用距關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的關系式：

計算目標相位合閘，其關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為系統頻率；n為一個整數值，且 Tcont≥0，且 Tcont為最小的整數值。

當輸入操作指令后，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(同步關合)技術的關鍵是操作精確性問題[6]，影響開關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的措施如下：

1）機械部分的合閘時間離散性主要由傳動環節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。傳動環節過多使能量損耗和機構運動速度的影響因素增多，進而影響開關的關合速度離散性；觸頭燒損引起合閘時觸頭間距離發生變化導致合閘時間變化；永磁機構在使用中，永磁體的矯頑力隨溫度升高而降低，保持力相應由大變小，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、永磁機構與真空滅弧室直線布置的操動方式，減少傳動環節，降低運動部件動能損耗的離散性，使開關每相均具有較好的機械合閘特性；②在永磁機構控制模塊中加入一組自動校正單元，自動測量每一次操作，并依據這一測量結果，自動調整下一次操作的相關數據，使得開關的關合精度始終保持最佳狀態。③由于永磁機構合閘時，永磁體的吸力只有在機構靜鐵芯間距極小時起作用，對關合時末速度的影響很小，如采用單穩態機構，永磁體矯頑力的變化對關合起始速度無影響，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生影響。控制電路的設計方案和環境溫度變化均造成控制電壓的波動。不合理的電路設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合理設置穩壓電路，使電解電容兩端電壓有效值穩定在設計值；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成。

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

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

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

4 結論

智能選相真空斷路器是為電氣化鐵路27.5 kV牽引變電所系統的要求而研制的，它采用永磁作機構，具有全新的工作原理和結構，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，實現同步控制，減少過電壓和涌流對系統的沖擊，減少系統保護的投入，提高系統整機壽命。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、過流對電器設備的危害等貼近現場運行的實際需要為基本設計原則，為電氣化鐵路電容隨機補償，相分段自動轉換技術，饋線智能保護提供設備基礎。

[1]林 莘.現代高壓電器技術[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]李建基.高中壓開關設備實用技術[M].北京：機械工業出版社，2002.

[3]林 莘.永磁機構與真空斷路器[M].北京：機械工業出版社，2003.

[4]李 利，徐建源.同步關合控制的研究[C].中國電工技術學會第五屆全國智能化電器及其應用研討會，西安，2001.

[5]李 利，徐建源.真空斷路器的同步關合控制[C].全國電工理論與新技術2001年學術年會,保定，2001.

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