淺談新型永磁機構真空斷路器同步關合技術

張健

【摘要】本文對永磁機構真空斷路器同步關合技術的發(fā)展過程、研究重點、研究意義和經(jīng)濟效益，做詳細的分析與闡述，為進一步研究工作做好準備。

【關鍵詞】永磁機構 真空斷路器 同步關合技術

一、新型永磁機構真空斷路器同步關合技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀

同步關合技術自20世紀70年代提出，至今己經(jīng)30多年了，但限于當時的技術水平，這種方法還停留在理論研究的水平上。到了20世紀90年代，斷路器制造水平的提高和基于微處理器、微電子測控技術的提高，用戶對供電質量要求提高，同步關合技術自90年代中期迅速走向實用化，并得到了相當普遍的應用。國外在這方面研究成果較為突出的有ABB、西門子、Alstom ，富士等，他們在各領域的分布主要如下， ABB推出的VMI型智能真空斷路器也在中壓領域得到較好的應用，富士公司推出的智能真空斷路器在中壓領域得到了很好的應用。而高壓領域非常典型的有東芝公司的推出的CGIS和ABB公司推出的EXK型智能化GIS，它們共同的特點是采用先進的傳感技術和微型計算機處理技術，將整個電器的在線檢測與二次系統(tǒng)組合在一個計算機控制平臺上。智能化技術在開關領域中的應用，勢必大大降低開關本身的故障率，提高開關運行的可靠性，并在一定程度上提高整個電力系統(tǒng)的自動化監(jiān)控、調度水平以及供電安全性和可靠性，尤其會使中、高壓開關在智能化方面取得重大進步。

作為新型開關電器的主流研究方向，國內的一些生產(chǎn)廠家和研究機構都致力于電器智能化的研究。在智能控制的研究方面也取得了可喜的進展。但是，研究和開發(fā)相控開關還處于起步階段，其產(chǎn)品的質量穩(wěn)定性和可靠性與國外相比尚有一定差距。國內一些高校和科研機構，對斷路器智能控制技術的理論研究主要集中在分合閘時間自適應控制方面，系統(tǒng)信號狀態(tài)的處理與智能識別，同步投切控制策略等。這些工作有力地促進了斷路器智能控制技術的推廣及應用。

二、新型永磁機構真空斷路器同步關合技術研究意義

相控開關技術對提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性意義深遠，而且應用前景廣闊。但是，目前沒有在大范圍內推廣的主要原因還是應用中可靠性等若干技術難題尚在研究中。在國民經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，電力對社會發(fā)展的作用，愈來愈突出。與此同時，提供安全、經(jīng)濟、可靠和高質量的，是供電部門最基本的要求。隨著對電能質量要求的提高，對電力系統(tǒng)的可靠性及自動化程度要求也越來越高，從發(fā)電，輸電到配電領域，對電氣設備的自動化和智能化都提出了更高的要求。

斷路器在中、高壓配電系統(tǒng)中有著非常重要的作用，它既能在正常的工作情況下接通或分斷負載電流，而且當系統(tǒng)由于故障處于過載、短路、欠壓等不正常的狀態(tài)情況下時也能夠及時自動切斷故障電路，進而實現(xiàn)保護系統(tǒng)的用電設備和電纜等的作用。當系統(tǒng)故障被排除后，斷路器又可以迅速地恢復正常供電。另外斷路器既可以近距離的就地操作，也可以實現(xiàn)遠距離的操作。上述斷路器所具有的各種優(yōu)點，使斷路器在低壓電氣裝置中得到了愈來愈廣泛的應用。但是，傳統(tǒng)開關的動作相位是隨機的，在接通和分斷電力系統(tǒng)時容易產(chǎn)生很大的浪涌電流和很高的感應過電壓，這導致降低開關設備的使用壽命和電力系統(tǒng)的供電質量。研究斷路器的智能控制技術既對保證供電可靠性，穩(wěn)定性，及提高電能質量，且對切實提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和設備的使用壽命有著重要意義。真空斷路器具有不易爆炸，低噪聲，體積小，高可靠性，檢修周期長等優(yōu)點，在35KV及以下電壓等級中占主導地位，廣泛用于配電系統(tǒng)。而配永磁機構的真空斷路器是將永久磁鐵引入操動機構，利用永久磁鐵的能量作為合閘和分閘操作時動鐵芯運動及保持分合閘位置所需能量的一部分，無需傳統(tǒng)的機械脫扣及鎖扣裝置，這大大減少了動作時間的分散性和不可控性，因此永磁機構的出現(xiàn)為斷路器的智能控制提供了條件。斷路器的智能化又是電力系統(tǒng)高可靠性及智能化的先決條件。 同步控制控制技術是指用配永磁機構的真空開關在智能控制單元的控制下，在指定的系統(tǒng)相位角關合或分斷電路，使電動機、空載變壓器、空載線路等感性設備和電容器等容性設備，在對自身和系統(tǒng)沖擊最小的情況下投入的一種智能控制技術。可以提高供電的可靠性、穩(wěn)定性，改善供電質量。采用同步關合技術可以達到以下效果：

（1）幅值很大的涌流將導致斷路器觸點受損，變壓器繞組產(chǎn)生機械應力，保護繼電器誤動作。過電壓可能導致設備局部放電。采用同步合閘可以減小涌流的幅值和電壓的擾動，從限制瞬態(tài)電壓的效果和經(jīng)濟性等方面考慮，都比通常所用的預置合閘電阻和避雷器要好得多。

（2）提高電能質量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在日益競爭激烈的能源市場中，電能質量正在成為一個重要的性能指標。開關操作的暫態(tài)過程對配電系統(tǒng)會產(chǎn)生各種干擾，它們包括惡劣的電能質量導致的保護不按時動作和不可接受的過電壓導致的嚴重危害和早期故障。同步關合技術可以減小在對負載進行合閘操作時電網(wǎng)設備所承受的過電流和過電壓的作用，有效的改善了電能質量并提高了系統(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。同步關合技術的應用使斷路器和電力系統(tǒng)中的其它電器在合閘操作中承受的過電流和過電壓大大減小，從而延長了使用壽命和檢修周期。

（4）提高設備分斷能力。高壓斷路器在合閘操作中，由于相位角是隨機的。這樣將會產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象，將觸頭由面接觸逐步變成點接觸。產(chǎn)生的火花、拉弧現(xiàn)象，極大地縮短了斷路器的使用壽命。采用同步關合技術在電壓過零點閉合電路，在電流過零點分斷電路，可以提高設備分斷電流能力。

三、新型永磁機構真空斷路器同步關合技術經(jīng)濟及社會效益分析

傳統(tǒng)的斷路器開關投切的暫態(tài)過程會帶來不同程度的負面效應，而傳統(tǒng)抑制暫態(tài)過程的方法又存在諸多的不足。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電力用戶對電能質量要求及供電可靠性要求越來越高，必須從根本上解決斷路器操作的暫態(tài)過程所引發(fā)的問題。同步關合技術是解決問題的方向，也是開關智能化的方向。開關智能化能夠減少設備成本，延長設備維修周期，減少諧波污染，提高供電質量及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在成本上，同步關合技術較傳統(tǒng)方法相比，維修費用可節(jié)省60%以上，資金總額可節(jié)省30%以上，而且在抑制重擊穿現(xiàn)象方面更有效。

雖然同步斷路器具有以上優(yōu)點，但是還存在若干難題尚在研究中。從目前的研究情況來看，在已投入使用的同步斷路器中，其智能化功能還有待進一步提高，包括在斷路器上完成測量、保護、通信和智能操作等功能。人工智能技術（模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等）在智能斷路器中的應用有待深入研究。同步斷路器主要應用于同步關合方面，比如無功補償電容器的同步關合、電抗器的同步關合等，對于同步分斷的研究和應用相對較少；而且同步斷路器在我國還沒有實際生產(chǎn)。永磁機構作為一種新型的斷路器操動機構，當前還只用于較低電壓等級的斷路器操作中，對配永磁機構的真空斷路器的狀態(tài)監(jiān)測方面作的工作也不多。開發(fā)用于更高電壓等級的永磁機構，實現(xiàn)更高電壓等級斷路器的同步操作尚在研究之中。

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