高壓斷路器操作智能化的研究現狀

王曉波 馬鳳寶 董笑飛（大慶石化建設公司，黑龍江 大慶 163714）

1 引言

智能電網的發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發展的重要技術基礎之一。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測與控制，逐步發展到狀態信號采集技術、再到后來的狀態監測與故障診斷、二次控制系統智能化等，這其中的一個重要環節便是斷路器的智能化操作，其中更為關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重要方面，實現操作智能化具有多方面的優越性。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，從而減小開斷時的沖擊力和磨損，減少機械故障、提高機械使用壽命[2]。與此同時又能夠實現普通高壓開關設備的智能化操作，如檢測、保護、控制等[3]。在實現定向合閘，減小合閘過電壓，取消合閘電阻等方面能夠進一步提高穩定性及可靠性。另外，還可以實施選相分閘，對燃弧時間進行設計，控制斷路器起弧時間，使其位于最有利于燃弧的相位角，不受限于系統燃弧時差，大大改善斷路器的實際開斷能力[4]。

開發具有穩定性、好的可控性及快速性的操動機構，對于不同的電網工況下自動調整操動機構及滅弧室的較優工作狀況具有極大的意義。電磁操動機構具備簡單的數學模型，同時又能夠方便的利用電力電子技術來控制運動過程，這就使得機構的響應時間具備完全的可控性，可以在期望相位上執行可靠動作，對于斷路器同步分斷及選相合閘具有極其重要的應用意義。另外，以電力電子器件為主放電拓撲的控制系統易與數字電路接口，具備一系列優點，如能夠精確執行計算機信號，驅動電路簡單，消耗功率小等。這些具備快速性與可控性的操動機構，在開發斷路器智能化操作領域具備極好的發展前景及重大的實際意義，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展進行總結，并提出一種能夠有助于斷路器操作智能化的操動機構的設想。

2 操作智能化的原理

2.1 操作智能化的意義和作用

在電力系統實際運行的過程中，有不同的工作狀態，例如無載、空載、負載、短路故障等等，因此斷路器需要開斷的電路參數在不同狀態下相差非常大，不同狀態對斷路器的開斷能力的要求是不同的。傳統斷路器為了滿足電網各種工作狀態下均能順利開斷以及可靠性的要求，在設計斷路器時都是按照最嚴酷的電氣和機械性能要求的，但這些受到機械強度、耐機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現：智能化分合速度；同步分斷與選相合閘；零電壓關合。

2.2 操作智能化的實現原理

高壓斷路器的操作智能化的實現可以通過在現有斷路器的基礎上增加一個智能控制單元構成，這種實現方式不需要改變斷路器本身的拓撲結構和動作特性，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系統的結構，也不改變系統的其他功能。但是這種方式并沒有改變斷路器本身的結構和特性，具有很大的局限性。還有另外一種實現方式，這種方式需要對斷路器本身的結構進行改進，主要是對斷路器的操動機構和動作特性進行了一系列的改造，同時這種實現方式也需要增加部分智能控制單元。下面介紹這種實現方式的原理和過程。

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：當數據采集系統檢測到系統故障需要分閘或者操作人員發出分閘指令時，智能識別模塊對當前的系統狀態進行分析，根據分析的結果對執行機構發出相應的控制信號，執行機構再對斷路器的操動機構的動作參數進行調節，就可以獲得最佳的動作特性。

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

3 操作智能化的發展現狀

國際大電網會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步，但是相對于斷路器外圍檢測控制方面所取得的進展，操作智能化還有很大的差距。目前，能夠實現操作智能化的產品并不多見，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施方案。

斷路器可根據電網不同工作狀態 (例如無載、空載、負載、短路故障等)自動調整操動機構和選擇滅弧室合理的工作條件。目前在中高壓斷路器中，只能做到操動機構動作速度的分級調節，即按照大量額定電流以下的操作實現慢速開斷, 而次數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現速度分級可控調節，但是該操作過程亦不能實現全過程可控調節。

就動作過程而言，目前大部分斷路器都采取開環控制，且不能準確跟蹤觸頭動作速度或位移，這使得實現智能斷路器基礎的前提條件（動作過程完全可控）幾乎不能實現。為此，國內外有學者分別針對不同的操動機構實現了部分控制。如針對永磁操動機構提出利用電力電子開關器件實現運動過程分階段控制得到較好結果，但是其控制系統仍為開環控制，并不能實現給定預期動作曲線的準確跟蹤。

針對液壓操動機構提出利用開關閥實現液壓操動機構動作速度的分級調節即按照大量額定電流以下的操作實現慢速開斷, 而次數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現速度分級可控調節取得一定進展。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構，其開端特性由操動機構和滅弧室共同決定[5]。根據反應其相互作用的分閘運動特性方程和實際試驗驗證得知，液壓操動機構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，以獲取預期的分閘速度特性[6]。在目前的實際產品中，基本都采用改變定徑孔直徑來調整分閘運動特性。也有學者提出了可以通過使用快速開關閥來代替定徑孔，以改變管道綜合損失系數，達到改變空載分閘運動特性的目的。這兩種方法的原理是相似的，快速開關閥是此類方法的發展方向，它不僅切實可行，而且經濟可靠。但是該操作過程亦不能實現全過程可控調節。

未來高壓斷路器的發展將涉及斷路器本身的操作，則是智能化斷路器的關鍵所在，具體而言就是實現斷路器分合閘操作的智能化，能夠對高壓斷路器觸頭的運動特性進行更加完全的檢測和控制。研制一種適應不同應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 脈沖電磁操動機構在操作智能化中的應用

4.1 脈沖電磁操動機構的動作特性

脈沖電磁推力機構的一般工作原理為：通過充電的電容器向合閘或分閘線圈放電產生持續幾毫秒的脈沖電流，與開關操作連桿固定在一起的銅盤中因感應渦流而受到脈沖電磁推力作用，從而帶動連桿運動，實現開關的快速關合或分斷，其基本結構如圖2所示。

圖2 電磁推力機構示意圖

（1）電磁力和線圈電流分析

將電磁操動機構化簡，等效為雙單砸線圈，為求得一般規律，進行一個假設，見文[6]。由此假設可以得出電磁力和線圈電流隨時間變化的曲線，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，這種操動機構，由于線圈圈數極少，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作提供了條件。

圖3 線圈電流和電磁力

（2）電磁操動機構的動作特性[6]

隨著電流的快速上升，電磁力在短時間內達到一個很大的值，可以使觸頭獲得較大的初始加速度，因此，電磁操動機構動作速度較快。但是，電磁力上升速度快導致其很快達到峰值，達到峰值后又迅速下降，這就使得觸頭運動一段時間后加速度明顯減小，這導致電磁操動機構行程較短。

4.2 一種電磁操動機構在操作智能化中的應用設想

電磁操動機構的動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系。由圖3中線圈電流和電磁力的關系可知，電磁力與線圈電流關系密切，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現，下面介紹一種新方案。

4.2.1 采用多個電容配合放電

傳統電磁操動機構中，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間內達到峰值，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機構進行改進。在圖4中，由原來的單一電容放電變成多個電容相互配合放電，每個電容都由各自的可控開關控制。這種模式既可以實現操作智能化，又可以增加電磁操動機構的行程。

圖4 多個電容相互配合放電

4.2.2 操作智能化的實現原理

這種高壓斷路器通過外圍檢測裝置，實時的檢測電網和斷路器本身的狀態，把所測得的狀態傳送到計算機系統，并由計算機系統進行處理，從而決定操動機構的開斷動作。

當系統出現短路故障時，高壓斷路器需要以最快的速度將線路斷開。首先由一個充電電容器C1放電，觸頭將會獲得很大的加速度，這樣就使得觸頭可以迅速把速度提高。當電磁力達到極大值以后，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，在控制開關的作用下，第一個電容的開關關閉，第二個電容開關打開，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。可以采用多個電容器配合使用的方法，依次使各個電容放電，始終給觸頭一個較大的加速度，滿足開斷的快速性要求。

當系統空載時，系統允許以較低的速度開斷，此時可以僅使用電容C1進行放電，動作過程如前面所示，觸頭開始時獲得很大的加速度，但是當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，減小了機械磨損和震蕩。

4.3.3 關鍵問題

首先是各個電容器之間的放電配合問題。可控開關何時動作，使電容C2代替電容C1開始放電是其中一個很重要的問題，這將影響到操動機構能否獲得最優的加速度。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系也需要進一步的研究驗證。

其次是對電網狀態的檢測和對操動機構的控制。當電網運行在不同的狀態時，需要高壓斷路器的動作特性也是不一樣的，因此需要對電網和高壓斷路器本身的狀態進行檢測，當需要開斷時，根據檢測到的情況，準確判斷需要高壓斷路器以什么速度開斷，達到最優開斷效果。

5 結論

（1）智能化高壓斷路器是未來高壓斷路器的發展趨勢，它已經不在是單一的一門技術，而是綜合了電子技術，電網技術，計算機技術等學科。操作智能化將是智能化高壓斷路器發展中很重要的一個部分，它將隨著斷路器技術的不斷改進而更加成熟實用，必將發揮更大的作用。

（2）電磁操動機構作為斷路器的動力機構，具有結構簡單、電磁力較大、調節相對靈活的特點，必將成為高壓斷路器操作智能化的一種非常有效的方式。

[1] 婁杰. 新型電磁機構的拓撲設計與優化方法研究[D]. 濟南: 山東大學, 2009.

[2] 馬志瀛, 陳曉寧等. 超高壓SF6斷路器的智能操作[J]. 中國電機工程學報,1999, 19 (7) : 38~42.

[3] 劉寶忠, 王永清. 智能斷路器的現狀與發展[J]. 中國電力教育, 2010, (10) :258-259.

[4] 劉幼林. 基于DSP的相控開關智能控制裝置研究[D]. 西安: 西北工業大學,2004.

[5] 孫弋, 馬志瀛, 金立軍. 應用電磁開關閥實現斷路器智能操作分閘速度調節[J]. 電網技術, 2000, 19 (7) : 17~20.

[6] 李慶民, 劉衛東, 錢家驪. 電磁推力機構的一種分析方法[J]. 中國電機工程學報, 2004, 19 (2) : 20~25.