歐志新

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市軌道交通與信息工程系，安徽 合肥 230051)

高壓斷路器是電網(wǎng)構(gòu)成不可缺少的組件，在電力生產(chǎn)中至關(guān)重要，當其出現(xiàn)故障，必然給電力系統(tǒng)造成影響，威脅電網(wǎng)安全運行[1]。真空斷路器實現(xiàn)快速分合閘需要計算行程來檢測智能脫扣機構(gòu)的靈敏度，在機械設(shè)計中確保斷路器最大分合閘時間，電磁脫扣機構(gòu)在分合閘狀態(tài)保持時會自動記錄分閘和合閘時間，一旦電機儲能結(jié)束觸發(fā)電磁鐵線圈得電，控制電路完成合閘和分閘。同時狀態(tài)被鎖閉，信號顯示電路會顯示合閘位和分閘位[2]。滅弧罩材質(zhì)和安裝位置不當(真空泄露)會造成動靜觸頭動作快速切斷電弧，否則會燒毀觸頭和延遲電路控制分合閘時間延緩。主保護和備用保護會同時動作，一般不用備用，如果時間響應(yīng)不夠，主保護不動作，斷路器無法完成分合閘。

斷路器實際操作過程中，出現(xiàn)的問題：斷路器的實際操作中，由于每次操作斷路器分合閘，傳動機構(gòu)和能量存儲都會相互作用而影響操動系統(tǒng)，長時間比如會造成真空滅弧能力的緩慢和不足，必須定時進行檢測和參數(shù)測試，保持斷路器一定的開斷電流值和斷開容量。

本研究利用電機吸熱釋放多余能量被極性電容儲存，而在過電壓出現(xiàn)會保護電機的特點，而過電流出現(xiàn)時，分合閘電磁線圈會被二極管反向擊穿而得到保護[3]。

利用改進智能脫扣裝置的目的就是啟動能量儲存，合閘完成再閉鎖，釋能后解鎖再分閘，完成后再鎖閉分閘位狀態(tài)在安全可靠性操作方面具有自動存儲數(shù)據(jù)和行程計算與響應(yīng)記錄優(yōu)化等優(yōu)點[4]，從觸頭接通到電弧完全熄滅的行程控制在預(yù)設(shè)時間段內(nèi)，智能脫扣器都會自動記錄并反饋至遠程監(jiān)控上位機系統(tǒng)。

1 真空斷路器的結(jié)構(gòu)與功能

真空斷路器具備很強的滅弧和切斷短路電流的能力被廣泛應(yīng)用于電路中起到控制和保護的作用[5]。因采用真空作為滅弧介質(zhì)，無論在操作還是維護上都簡單方便。

配合斷路器進行倒閘操作和故障檢修等，是變配電系統(tǒng)中重要的線路與負荷控制的開關(guān)，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 斷路器結(jié)構(gòu)組成單元框圖

其功能主要是單元1控制模式的選擇確定后，單元2電機電動儲能或手動遙柄對分合閘彈簧進行存儲，要求在規(guī)定時間內(nèi)完成，否則電機造成接觸器觸點發(fā)熱而燒毀電磁線圈[6]。單元1進行分合閘控制，單元3通過主軸和凸輪機構(gòu)將單元2能量固定進行傳遞，作用在單元4觸頭系統(tǒng)并將其反饋至單元1。

2 斷路器的電路原理

1.1 電路原理分析

如斷路器分合閘電磁鐵線圈通電時間過長，會導(dǎo)致線圈燒毀而電路斷開觸及開關(guān)五防失效，事故或故障發(fā)生幾率更大[7]。因此需要處理過電流瞬間吸收電機未釋放的能量。

所示圖2中電氣控制原則：(1)斷路器原始狀態(tài)(未儲能時)斷開狀態(tài)，斷路器處于斷開狀態(tài)，此時GN紅燈亮，所有輔助開關(guān)SBT觸點和接觸器KM觸點全部斷開；(2)開始有分到合過程：第一次計算開關(guān)觸頭行程。

圖2 斷路器分合閘控制與信號回路示意圖

2.2 過電流保護與行程檢測

系統(tǒng)中的暫態(tài)電流包含衰減性非周期分量及小于N次諧波的各種整次倍頻諧波分量，則有如下表達式

(1)

也可以近似地線性化表示為

(2)

式中：I0為直流分量在t=0時的值；In為第n次諧波分量的幅值；λ為直流分量的衰減時間常數(shù)τ的倒數(shù)，λ=1/τ；φn為第n次諧波分量的幅角；ω1為基波角頻率。

假設(shè)某一相的電流在故障發(fā)生后的某一時間段內(nèi)有N個采樣數(shù)據(jù)，則可使用最小二乘法對這N個數(shù)據(jù)進行擬合[8]。

(3)

式中：Q為表達式的極值；y電流實際值；t為抽樣時間，取值為1，2，…，N，s；y(t)為實際值；i(t)為擬合表達式。

根據(jù)式(2)、式(3)確定出系數(shù)I0、λ、Insinφn、Incosφn后，可以將此時間段以后的p個預(yù)測值求解出來[9]。然后，把預(yù)測值與實際值相減并求其絕對值，可求出p個畸變量值

(4)

式(2)和式(3)中，預(yù)測值和測量值利用比較誤差電流大小突變，解釋電流瞬時會造成電機長時間運轉(zhuǎn)燒毀，和分合閘電磁線圈反響擊穿?？刂祈憫?yīng)在表述中橫坐標為動作時間，縱坐標為電流值峰值大小。

3 電磁脫扣器的結(jié)構(gòu)與功能

脫扣器與脫扣裝置本身聯(lián)作一體用于斷路器機械聯(lián)動，是斷路器組成結(jié)構(gòu)中操動機構(gòu)的重要部分，包括能量存儲裝置、保持與脫扣機構(gòu)、緩沖機構(gòu)與控制聯(lián)鎖機構(gòu)、時間延遲報警系統(tǒng)等組成[10]。

其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，增加了分合閘狀態(tài)閉鎖和時間響應(yīng)等機械閉鎖功能，快速計算與檢測分合閘操作顯示。

圖3 電磁脫扣裝置結(jié)構(gòu)組成框圖

斷路器在進行分合閘的過程中，也是動靜觸頭行程計算的過程，要求快速熄滅電弧并完成觸頭從接觸到超行程的全部距離。既要保持合閘和分閘具備解鎖功能，又要實現(xiàn)機構(gòu)在完全分合閘后不產(chǎn)生嚴重的機構(gòu)零件碰撞和變形，不影響下一次分合閘再操作。

電磁脫扣器主要釋放斷路器保持狀態(tài)時接收斷開指令后的響應(yīng)。分合閘電磁線圈在電機儲能后，保持在動作命令狀態(tài)，一旦接受分合閘指令，首先進行脫扣解鎖，釋放合閘線圈能量后才可實現(xiàn)斷路器合閘操作，并在脫扣器中顯示合閘時間。此時合閘狀態(tài)被保持，鎖扣自動閉合[11]。等待下一次分閘指令，再一次完整的分合閘操作過程中，有二次閉鎖和解鎖過程實現(xiàn)動作時間不能超過觸發(fā)脫扣器動作值，否則會造成電弧增大而觸頭燒損，影響下次分合閘操作行程的控制時間和狀態(tài)。

4 改進后IGBT模塊與電路原理

4.1 電路結(jié)構(gòu)分析

圖示4為改進后增加IGBT模塊的斷路器分合閘控制與信號回路圖。 (增加了IGBT模塊1-2，分別對應(yīng)斷路器合閘和分閘。包括元器件：IGBT晶體管和電容C)

圖4 IGBT投入斷路器控制與信號回路結(jié)構(gòu)圖

二極管具有保護分合閘電磁鐵反向擊穿的特性，一旦過電流，分合閘控制回路HQ，TQ線圈等得到有效保護，不會危害信號反饋回路，保障正常的操作和信號指示功能。

如圖5所示，未儲能，合閘指示燈RD不亮，分閘指示燈GN亮，合閘輔助開關(guān)SBT5-6斷開，分閘輔助開關(guān)SBT7-8閉合。

SP33-4常開接點斷開，SBT1-2常閉接點閉合，SBT3-4常開接點斷開，KM1不得電，KM2不得電，合閘時間繼電器SJ1斷開，分閘時間繼電器SJ2斷開。

圖5 改進后IGBT檢測斷路器分合閘控制與信號回路示意圖

4.2 電路系統(tǒng)檢測原理

1.斷路器未接通電路時，其工作狀態(tài)是電機M無能量，斷路器閘刀處于斷開位，接地刀閉合[13]。2.開始儲能，完成斷路器由分閘到合閘的操作。合閘已經(jīng)完成并保持狀態(tài)，模塊4中SJ時間繼電器線圈得電，觸發(fā)常開接點閉合，自延遲3S后自動切換故障點。保障合閘控制回路安全。

模塊2電機勵磁線圈W得電，剛好KM2接點閉合與KM1得電運行方向相反，電機反轉(zhuǎn)。完成電機分閘操作需要的能量存儲要求。模塊4中分閘電磁鐵線圈TQ得電，分閘控制完成[15]。此時分閘接觸器線圈KM2得電，觸發(fā)模塊2中KM2接點斷開，防止電機長時間帶電燒毀。

此時，模塊3中，SBT7-8閉合信號燈GN綠燈亮，表示處于分閘狀態(tài)。SBT5-6斷開紅燈RD熄滅。

4.3 IGBT晶體管檢測原理

主要工作原理：IGBT具有三極管和電壓觸發(fā)的雙重特性，既可以當開關(guān)通斷電路，也可以作為電壓繼電器保護設(shè)備[16]。對過電流影響范圍可控，只要電壓不高于觸發(fā)值，就不會燒斷電路。

電容具有能量吸收與存儲二次利用的特點，一旦出現(xiàn)電機儲能中斷或過電流諧波，電容C將多余的能量吸收，平穩(wěn)電機兩側(cè)的電壓，控制電流的大小，保護電機。

圖6 斷路器分合閘控制與信號反饋行程檢測(未加IGBT保護)

圖7 斷路器分合閘控制與信號反饋行程檢測(投入IGBT晶體管保護)

增加的IGBT模塊，主要實現(xiàn)二個方面的功能：如果只是正常的規(guī)范操作，沒有出現(xiàn)電路故障。增加的IGBT只要起到保護電磁鐵線圈模塊4和檢測信號模塊3的功能。IGBT模塊包括二個方面的理論運用，一是二極管保護電磁分合閘線圈，防止過電流反向擊穿[17]。二是極性電容吸收過電壓多余能量，保護電機存儲，并反饋給信號系統(tǒng)。因為IGBT晶閘管主要對電壓值增大響應(yīng)快速，而電流值影響很小。

IGBT模塊作用如上圖所述：① 在正常運行時，二極管D導(dǎo)通，電容C斷開。起到保護分合閘電磁鐵線圈HQ，TQ和信號指示燈RD，GN反饋作用；② 一旦出現(xiàn)短路過電流，電機能量存儲未完成被自動中斷和二極管D被擊穿。此時，電容C和IGBT分別作用于合閘控制回路和信號反饋回路中，有效的保護電機和防止諧波干擾信號系統(tǒng)。如果信號抑制和電壓過大，會直接觸發(fā)繼電保護，并將預(yù)警信號反饋至上位機監(jiān)控系統(tǒng)。操作人員根據(jù)智能脫扣裝置修正參數(shù)快速斷開控制回路，確保時間響應(yīng)和行程計算一致。

如果一旦電機燒毀所有的電路系統(tǒng)都會中斷，模塊1開關(guān)控制和信號反饋都會失靈，模塊3信號系統(tǒng)和模塊4控制線圈和傳動機構(gòu)，觸頭系統(tǒng)都停止運行。

5 結(jié)論

變電所智能化與網(wǎng)絡(luò)化遠程監(jiān)控系統(tǒng)在故障檢測和繼電保護等方面都具備完善的保護措施，真空斷路器運行的能量存儲是分合閘的前提，繼電器受電接通分合閘電磁線圈和觸點吸合，因此電機和電磁線圈防止被擊穿和燒毀具有重要的保護功能。結(jié)論從二個方面進行闡述突出重點：(1)應(yīng)用特征是在變電所實驗室具體設(shè)備操作與記錄過程中出現(xiàn)的問題，如果有操作順序錯誤或者電路端子線接觸不良，出現(xiàn)短時過電流，會造成跳閘和線圈燒毀，增加二極管和IGBT會保護電磁線圈和電機，也可抑制過電壓與信號抑制濾波的發(fā)生。

(2)本研究利用電機吸熱釋放多余能量被極性電容儲存，而在過電壓出現(xiàn)會保護電機的特點，而過電流出現(xiàn)時，分合閘電磁線圈會被二極管反向擊穿而得到保護。所以利用改進智能脫扣裝置的目的就是啟動能量儲存，合閘完成再閉鎖，釋能后解鎖再分閘，完成后再鎖閉分閘位狀態(tài)。

改進后的控制與信號電路與遠程監(jiān)控系統(tǒng)平臺配套，完成真空斷路器設(shè)備分合閘時間響應(yīng)記錄和行程計算可控，在故障檢測與IGBT模塊抑制過電流與保護方面應(yīng)用效果良好。