10KV真空高壓斷路器的運(yùn)行特性及操作機(jī)構(gòu)的動作特點(diǎn)

馬晟，趙小平，馬小榮

（神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西神木，719300）

0 前言

目前所使用的真空開關(guān)主要是以一種極為稀少的氣體分析和有著較高絕緣強(qiáng)度的真空空間作為熄弧介質(zhì)的新型開關(guān)。在密封真空的滅弧室內(nèi)分合電路和切斷電源時，其觸頭僅有金屬蒸汽離子所形成的電弧，且沒有任何氣體發(fā)生碰撞和游離。因?yàn)榻饘僬羝x子有著十分快速的擴(kuò)散和復(fù)合過程，進(jìn)而可以快速實(shí)現(xiàn)滅弧操作，以此恢復(fù)原有的真空度，能夠承受住多次的分、合閘動作，而不會降低其開斷的能力，且不會產(chǎn)生高壓氣體和有毒氣體。因此基于其多種優(yōu)勢的組合，在現(xiàn)有的城市供電所中真空高壓斷路器的使用十分常見。

1 10kV高壓真空開關(guān)基本運(yùn)維需求

1.1 定檢

真空開關(guān)結(jié)合其用途和結(jié)構(gòu)可以分為兩種形式，分別為真空斷路器和接觸器。其中真空短路其本身經(jīng)常存在真空泡慢性的漏氣和絕緣件擊穿等缺陷，并且目前還不能實(shí)現(xiàn)開關(guān)運(yùn)行期間的在線監(jiān)測作業(yè)，因此實(shí)施開關(guān)的定檢動作十分必要[1]。一般對于真空開關(guān)的定檢作業(yè)需要結(jié)合表1內(nèi)部執(zhí)行，并且對所檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄。如果遭遇特殊天氣或者是設(shè)備新投運(yùn)的情況，則需要以特殊檢查的方式保障開關(guān)運(yùn)行的可靠性。

表1 真空開關(guān)的定檢標(biāo)準(zhǔn)

1.2 巡視

在開關(guān)操作過程中，需要對其進(jìn)行巡視操作，以便于發(fā)現(xiàn)異常的情況，減少故障發(fā)生概率。

(1)在進(jìn)行分閘操作時當(dāng)真空開關(guān)斷開以后，需要對電纜頭進(jìn)行巡視，觀察其裝置的帶電顯示設(shè)備是否正常[2]。

(2)在對母線的側(cè)刀閘拉開時需要對刀口進(jìn)行巡視，觀察其是否存在火花或者是真空泡是否存在閃光等問題。

1.3 維護(hù)

對于剛投產(chǎn)不久并且有著較多次數(shù)的拒動開關(guān)而言，一般需要在一段時間之后全面維護(hù)一次整體的操作機(jī)構(gòu)，如對開關(guān)分合閘期間線圈動作電壓進(jìn)行重新測量等操作，保障真空開關(guān)運(yùn)行的安全與可靠性[3]。

2 高壓斷路器電機(jī)操縱機(jī)構(gòu)特征與設(shè)計特點(diǎn)

2.1 高壓斷路器與電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特征

基于高壓斷路器的無刷直流電機(jī)操動機(jī)構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

圖1 高壓斷路器的無刷直流電機(jī)操動機(jī)構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)的基本原理圖示

其中左側(cè)為分閘狀態(tài)；中間為剛合狀態(tài)；右側(cè)為合閘狀態(tài)。在合閘期間，驅(qū)動電機(jī)的主軸a以旋轉(zhuǎn)方式的角度θ推動拐臂ab繞a點(diǎn)以逆時針的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，連桿bc在拐臂ab的作用下，以直線移動并且旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行運(yùn)動，這時的絕緣拉桿cde在連桿bc的作用下以直線方式進(jìn)行移動，其位移可被表示為dy，動觸頭ef在絕緣拉桿cd的作用下以直線方式運(yùn)動，其位移為S[4]。此時當(dāng)S=S0時，真空滅弧室和動、靜觸頭閉合，這時的真空卡關(guān)正好處于剛和的位置。隨后驅(qū)動電機(jī)的主軸a繼續(xù)轉(zhuǎn)角θ，此時由于動、靜觸頭和真空滅弧室均已閉合，觸頭彈簧組件de上的彈簧開始壓縮，這時當(dāng)θ=θ0時，驅(qū)動電機(jī)的主軸a轉(zhuǎn)動結(jié)束，這時的真空開關(guān)則處于合閘的狀態(tài)，觸頭彈簧的組件de上的彈簧壓縮量為C，也就是接觸的行程。同樣分閘的過程正好與其相反，該傳統(tǒng)系統(tǒng)的形式也是由轉(zhuǎn)歐東變?yōu)橹眲印＿@時考慮到真空滅弧室在剛合閘時會由于滅弧室觸頭壓縮彈簧的作用造成反力突然增加的問題，這樣利用連桿的死點(diǎn)能夠有效減少反力的作用，且也可降低合閘的保持力。

2.2 高壓斷路器與電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動反力特征

在電機(jī)操動機(jī)構(gòu)運(yùn)行期間，其各個部件的質(zhì)量全部要?dú)w結(jié)到f位置的等效質(zhì)量Mf上，結(jié)合能量守恒原理，可以得到機(jī)構(gòu)操作力和觸頭速度特征之間的動態(tài)關(guān)系：

在運(yùn)動期間機(jī)構(gòu)出力F和斷路器側(cè)負(fù)載的反力Fz都是變量，因此公式（1）可以被改為：

當(dāng)初始速度v0=0時，行程s位置的觸頭速度v和機(jī)構(gòu)的受力關(guān)系為：

此時系統(tǒng)的運(yùn)動方程為：

其中iF為結(jié)構(gòu)的操作力；Fj為真空斷路器的反力；Ml為各軸銷位置的摩擦力矩。而由于軸銷位置的摩擦力矩相比于操作力和斷路器反力來講相對較小，并且動觸桿行程的復(fù)雜函數(shù)，因此在工程上一般不對各個軸銷位置的摩擦損耗進(jìn)行計算，而是利用連桿機(jī)構(gòu)的效率來對該損耗對于整個運(yùn)動系統(tǒng)影響進(jìn)行表示，因此公式（4）則可以改寫為：

其中η表示為運(yùn)動系統(tǒng)的機(jī)械效率。并且考慮到觸頭速度曲線情況下的機(jī)構(gòu)所需要的出力曲線如圖2，圖3所示。

圖2 合閘過程

圖3 分閘過程

而在分閘的初始階段，分閘力做的是正功，其能夠提供一部分分閘的能量，加上觸頭的彈簧可以提供一定的能量，保障觸頭的速度能夠迅速提升，滿足其剛分速度的實(shí)際要求[5]。在分閘時機(jī)構(gòu)出力為負(fù)值，觸頭所做的為減速運(yùn)動，分閘力做負(fù)功，進(jìn)而減少在分閘結(jié)束期間對于機(jī)構(gòu)的沖擊力，充當(dāng)整個傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的減速裝置，這也是電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的特征。

2.3 高壓斷路器電機(jī)操動結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點(diǎn)

電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的本體主要是由驅(qū)動電機(jī)（定子與轉(zhuǎn)子）、轉(zhuǎn)子限位保持裝置和增量式的光電編碼器所組成，為了保持驅(qū)動電機(jī)的合閘位置，機(jī)構(gòu)需要設(shè)置分合閘限位保持裝置。其中的增量式光電編碼器其可提供機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的測量功能。

3 高壓斷路器驅(qū)動電機(jī)的控制方法研究

3.1 無位置傳感器控制技術(shù)研究與分析

一般所使用的無刷電機(jī)都是利用位置傳感器來定位轉(zhuǎn)子的位置，但是由于該傳感器的存在，也增加了電機(jī)本身的尺寸和外圍硬件電路的復(fù)雜程度，由此也減少了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性[6]。我國近些年為了解決該項(xiàng)問題，逐漸就開始對無位置傳感器直流電機(jī)的控制策略進(jìn)行研究。無位置傳感器其本身有著性能穩(wěn)定、成本較低的反電動勢檢測法支撐，因此在相關(guān)領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

另外斷路器驅(qū)動電機(jī)采取的是兩相導(dǎo)通型三相六狀態(tài)工作運(yùn)行方式，在同一時刻由兩相繞組導(dǎo)通，每一想導(dǎo)通60°，且每相隔30°換相一次，其順序?yàn)锳/B-A/C-B/C-B/A-C/A-C/B，將驅(qū)動電機(jī)的初始位置進(jìn)行調(diào)整，促使電機(jī)剛啟動期間的位置為剛換相的位置。而由三相無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)可以明確：

其中ω表示轉(zhuǎn)子的角速度，p表示電機(jī)的極對數(shù)，α表示極弧系數(shù)，k為換相系數(shù)，W表示每一相繞組串聯(lián)的匝數(shù)，φ表示每一極的磁通量。

在真空電路其電機(jī)操縱機(jī)構(gòu)分、合閘期間，電機(jī)的繞組端電壓u和繞組等效電阻R與等效電感L均為已知量，結(jié)合數(shù)字信號處理器（DSP）檢測出不同時刻的繞組電流值，結(jié)合上述公式能夠得到反電動勢e，我們假設(shè)此時的換相系數(shù)k為已知，進(jìn)而可以得到轉(zhuǎn)子的角速度ω。對于轉(zhuǎn)子的角速度ω積分可以得到轉(zhuǎn)角θ，隨后根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角所實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動電機(jī)換相的操作判斷得到其實(shí)際的轉(zhuǎn)角數(shù)值。所以當(dāng)k已知時，可以結(jié)合繞組的電路之來對轉(zhuǎn)子的角度進(jìn)行確定，以此來實(shí)現(xiàn)換相操作[7]。且在斷路器分合閘操作期間，驅(qū)動電機(jī)正在起動階段運(yùn)行，內(nèi)部磁場還沒有建立穩(wěn)定，由此在其電機(jī)的操作階段換相系數(shù)k則為變量。隨后由電機(jī)動力學(xué)方程可以了解到：

本公式中Te與TL(θ)分別表示電磁與負(fù)載的轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；而J(θ)則表示轉(zhuǎn)子及負(fù)載的總轉(zhuǎn)動慣量，單位為kg·m2；θ為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，單位為rad。結(jié)合上述兩個公式的聯(lián)合可以得出：

電機(jī)操動機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載的總轉(zhuǎn)動慣量J(θ)和負(fù)載的轉(zhuǎn)矩TL(θ)是關(guān)于轉(zhuǎn)角θ的函數(shù)，也就是在斷路器分、合閘的過程中當(dāng)轉(zhuǎn)角為θ時，其所對應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量J(θ)和負(fù)載的轉(zhuǎn)矩TL是固定的，并且由公式（8）可以明確的是，該轉(zhuǎn)角下的系數(shù)k值和繞組電路i與轉(zhuǎn)角θ有關(guān)，也就是換相系數(shù) k=f(θ,i)。結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)可以得到系數(shù)k的關(guān)系式，也就是可以根據(jù)對繞組電流值的采集來計算轉(zhuǎn)子的角度，再去結(jié)合轉(zhuǎn)子角度的大小來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相操作。

4 結(jié)語

本文基于10kV真空斷路器和其操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特征與控制措施的詳細(xì)分析，具體研究其電機(jī)操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特點(diǎn)，最后以微分、積分和比例實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)控制，減少機(jī)構(gòu)反應(yīng)出現(xiàn)的誤差，保障斷路器的反應(yīng)可靠性與高速性，減少供電系統(tǒng)的故障，以為城市提供更加高質(zhì)量的供電服務(wù)。