電力電子技術(shù)在智能高壓開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用

李良權(quán) 宋亞凱

摘 要：智能高壓開關(guān)設(shè)備已經(jīng)成為智能電網(wǎng)不可或缺的組成部分，得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹了電力電子技術(shù)在智能高壓開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用，用于各監(jiān)測(cè)控制單元電源模塊、用于新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)及用于新型開斷技術(shù)。

關(guān)鍵詞：智能高壓開關(guān)；電力電子技術(shù)；操動(dòng)機(jī)構(gòu)；開斷技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）22-0055-02

Application of Power Electronics Technology in Intelligent

High Voltage Switchgear

LI Liangquan SONG Yakai

（Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

Abstract： Intelligent high voltage switchgear has become an indispensable part of smart grid， and it has been applied more and more widely. This paper introduced main applications of power electronics in the intelligent high voltage switch equipment， which was used in the power module of the monitoring control unit， the new operating mechanism and the new open breaking technology.

Keywords： intelligent high voltage switch；power electronic technology；actuating mechanism；breaking technology

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，智能高壓開關(guān)設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，相關(guān)技術(shù)也不斷發(fā)展。電力電子技術(shù)以其獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)成為當(dāng)前電網(wǎng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前的智能高壓開關(guān)技術(shù)中也應(yīng)用了一部分電力電子技術(shù)。而這些技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高智能高壓開關(guān)設(shè)備性能具有重要影響。

電力電子技術(shù)在智能高壓開關(guān)設(shè)備中主要有以下幾方面用途：①作為監(jiān)測(cè)單元和控制單元的電源模塊；②作為控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的接口；③電力電子電路與機(jī)械觸點(diǎn)電路并聯(lián)，轉(zhuǎn)移開關(guān)分閘操作時(shí)的電流，能實(shí)現(xiàn)無弧開斷。

1 電力電子技術(shù)在智能高壓開關(guān)電源技術(shù)中的應(yīng)用

智能高壓開關(guān)的監(jiān)測(cè)單元和控制單元的電源模塊電路配置取決于對(duì)監(jiān)測(cè)和控制器中各功能模塊工作電壓的要求、電源模塊的供電方式和電源模塊的成本。其中，以直流電源應(yīng)用居多，常用的有DC220V、DC24V、DC12V、DC5V等。

圖1的監(jiān)控電源結(jié)構(gòu)采用電力電子開關(guān)電源模塊可以方便地實(shí)現(xiàn)幾組相互隔離、不同電壓幅值或極性的輸出直流電壓，且輸入電壓可調(diào)范圍較寬，可以與電壓互感器二次側(cè)輸出電壓或低壓電網(wǎng)的220V交流電壓兼容，功耗小、溫升低、穩(wěn)壓性能更好，可以有效地簡(jiǎn)化電源電路的設(shè)計(jì)。

電源模塊作為高壓電器的一部分，電磁兼容性能要求高。與傳統(tǒng)模擬穩(wěn)壓器相比，采用電力電子電源模塊能使用更少的電路元件，簡(jiǎn)化了相關(guān)配置結(jié)構(gòu)，且開關(guān)電源在硬件電路和外觀設(shè)計(jì)方面可進(jìn)行完善的電磁屏蔽設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)方面，多采用智能程序控制，有效降低外部電磁場(chǎng)干擾，有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，有利于電源部分的EMC（電磁兼容）設(shè)計(jì)。

2 電力電子技術(shù)在智能高壓開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用

在電網(wǎng)中，高壓開關(guān)設(shè)備通過對(duì)電路的接通和分?jǐn)嗖僮魍瓿呻娔軅鬏敗⒎峙浜凸┙o，并對(duì)各負(fù)載進(jìn)行保護(hù)和控制。在實(shí)際應(yīng)用過程中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，并結(jié)合控制程序算法實(shí)時(shí)計(jì)算出是否需要進(jìn)行分合閘操作。若需要進(jìn)行開關(guān)分合閘操作，就要通過控制系統(tǒng)發(fā)出指令，調(diào)節(jié)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)的分合閘控制。

相控開關(guān)技術(shù)（Phase-Controlled Switching，PCS）是根據(jù)線路電壓或電流的相位來合理控制高壓斷路器的合分時(shí)刻，從而抑制電網(wǎng)中的操作過電壓和涌流的一種技術(shù)，在電能質(zhì)量和特高壓輸電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相控開關(guān)技術(shù)要求高壓斷路器具備較高的可控性與可靠性。傳統(tǒng)的高壓開關(guān)設(shè)備，操動(dòng)機(jī)構(gòu)以彈簧機(jī)構(gòu)和液壓機(jī)構(gòu)為主，其傳動(dòng)部分多為機(jī)械零部件，動(dòng)作特性的分散性較大，非常不利于實(shí)現(xiàn)分合閘操作的精確控制。此外，由于需要承受瞬間較大的沖擊，對(duì)機(jī)械零件較多的傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)方面也存在許多問題。如果采用基于電力電子技術(shù)新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)，可減少機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)和機(jī)械零部件數(shù)量，有效提高高壓開關(guān)設(shè)備的可控性和可靠性，便于實(shí)現(xiàn)相控技術(shù)的應(yīng)用。新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)

現(xiàn)在多采用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，并利用電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)完善控制單元[1]。如果圖2所示的斷路器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電磁鐵線圈，則電路的工作原理如下：控制器監(jiān)測(cè)和分析現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)，根據(jù)分析結(jié)果選擇合適的電壓或者電流相角，適時(shí)發(fā)出分、合閘操作指令，按照實(shí)際工作要求接通、分閘操作電磁線圈。

對(duì)于智能控制的斷路器，在電磁線圈接通期間，控制器需要合理地調(diào)節(jié)線圈電壓，以得到要求的操動(dòng)機(jī)構(gòu)出力特性。當(dāng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)主電路電力電子裝置采用IGBT、MOSFET等全控型開關(guān)器件時(shí)，可以在斷路器進(jìn)行合、分閘操作，使開關(guān)器件以較高頻率接通和分?jǐn)啵刂破鞲鶕?jù)出力特性控制通斷占空比，即可方便調(diào)節(jié)電磁鐵線圈的工作電壓。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理的操動(dòng)機(jī)構(gòu)

原有的操動(dòng)機(jī)構(gòu)多為液壓、氣動(dòng)、彈簧及液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，而新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)利用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)和電力電子技術(shù)并且與電動(dòng)機(jī)相結(jié)合，在滿足斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的所有核心要求的同時(shí)，在性能和功能方面具有許多新優(yōu)勢(shì)。如圖2所示，控制單元采用基于DSP的電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制策略；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是可控性較高的伺服電機(jī)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元采用電力電子裝置，方便地利用DSP等運(yùn)算處理單元發(fā)出的控制信號(hào)來改變電力電子開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)可以較為方便地實(shí)現(xiàn)操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性的控制，降低機(jī)構(gòu)動(dòng)作分散性，完全實(shí)現(xiàn)斷路器開斷和關(guān)合過程的智能控制，提高斷路器運(yùn)行的可靠性和機(jī)械壽命[2]。

3 電力電子技術(shù)在新型開斷技術(shù)上的應(yīng)用

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子器件在電器設(shè)備上逐漸得到廣泛應(yīng)用，為研究和解決滅弧問題提供了新的思路。由電力電子開關(guān)器件構(gòu)成的固態(tài)高壓開關(guān)，是一種無觸點(diǎn)開關(guān)，在通斷過程中不產(chǎn)生電弧，動(dòng)態(tài)開關(guān)特性非常優(yōu)越。

在中低壓的直流系統(tǒng)中，利用電力電子開關(guān)器件IGBT作為無觸點(diǎn)開關(guān)與直流接觸器的觸點(diǎn)并聯(lián)，接通負(fù)載時(shí)無觸點(diǎn)開關(guān)IGBT先動(dòng)作閉合電路，然后接觸器觸頭閉合電路，IGBT退出運(yùn)行。在負(fù)載電路斷開時(shí)，無觸點(diǎn)開關(guān)IGBT先導(dǎo)通，然后接觸器觸頭斷開，電流再瞬間轉(zhuǎn)移到IGBT中，接觸器觸頭實(shí)現(xiàn)無弧斷開，整個(gè)電路可以實(shí)現(xiàn)無電弧開斷。

由于直流系統(tǒng)中不存在過零點(diǎn)，給直流電流開斷帶來了較大困難。目前，在高壓直流開斷技術(shù)領(lǐng)域有兩種開斷思路，這兩種思路均以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)。一種思路是采用混合式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如，混合式直流斷路器，采用機(jī)械斷口與電力電子電路并聯(lián)的混合式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既解決了電力電子器件長期通流損壞大的問題，又實(shí)現(xiàn)了無電弧開斷。另一種思路是，利用電力電子電路與電容電感電路相結(jié)合，制造出電路過零點(diǎn)，通過機(jī)械斷口實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)的開斷。

參考文獻(xiàn)：

[1]張忠蕾，李慶民，婁杰.電力電子控制電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)分閘運(yùn)動(dòng)特性的仿真分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006（18）：58-59.

[2]鐘建英，郭煜敬，林莘，等.高壓真空斷路器用無刷直流電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)研究[J].高壓電器，2014（7）：63-69.