李少華,張一茗,張文濤,庚振新,李得祥

（1．平高集團有限公司，河南平頂山 467001；2．沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧沈陽 110870）

1 引言

智能電網(wǎng)研究不僅能使電網(wǎng)高效運行，電能合理分配，更能夠降低電網(wǎng)的安全事故，已經(jīng)越來越受到國家的支持[1-2]。高壓斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的保護設備，必然受到廣大電網(wǎng)科研工作者的關(guān)注[3-5]。本文屬于平高集團有限公司科技項目《126kV 電機驅(qū)動斷路器伺服控制系統(tǒng)深化研究》中斷路器電機操動機構(gòu)的研究內(nèi)容，針對傳統(tǒng)儲能式操動機構(gòu)分、合閘操作過程中運動不可控的缺陷，提出了基于電磁原理可實現(xiàn)智能操作的新型電機操動機構(gòu)，對現(xiàn)有電機控制策略進行優(yōu)化，使其能夠按照設定的特性曲線進行動作。通過電力電子器件搭建電機操動機構(gòu)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化操作[6-13]。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力系統(tǒng)帶電設備對直流電壓等級要求越來越高，高增益的電壓變換器受到了越來越多的關(guān)注[14-18]。多個級聯(lián)Boost變換器能夠滿足升壓功能，但是電壓增益比過高降低了升壓變換器的工作效率[19]。Z 源變換器克服了傳統(tǒng)電壓源和電流源變換器的缺點，但升壓能力不足，級聯(lián)準Z源阻抗網(wǎng)絡方法可以提高電壓增益和轉(zhuǎn)換效率，但主電路拓撲和控制復雜，難以保證級聯(lián)Z 源阻抗網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行。Cuk 和Sepic 轉(zhuǎn)換器采用電容電壓自舉技術(shù)來實現(xiàn)電壓變換，雖然輸入電流和輸出電壓紋波小，控制電路簡單，但升壓能力有限通過使用耦合電感來構(gòu)造高增益轉(zhuǎn)換器，可以獲得更好的升壓效果，但是耦合電感的增加了電壓應力，增加了轉(zhuǎn)換器的工作損耗，降低了效率[20-22]，針對高壓斷路器電機操動機構(gòu)控制系統(tǒng)，提出了一種基于開關(guān)電容網(wǎng)絡的升壓電路，該電路可控性高，無電壓不平衡現(xiàn)象，在能量守恒情況下，得到獲得最大驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩，有效降低了電機操動機構(gòu)的響應時間。

2 開關(guān)電容網(wǎng)絡原理分析

高壓真空電路器電機操動機構(gòu)控制裝置原理圖如圖1所示，包括整流器、開關(guān)電容網(wǎng)絡和逆變器。開關(guān)電容網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，其基本原理是通過改變電容器組的串聯(lián)或并聯(lián)方式，來實現(xiàn)逆變器直流端電壓等級的變換，控制方式上，配合驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子位置反饋和電壓反饋，使得開關(guān)電容網(wǎng)絡中電容器組串聯(lián)和并聯(lián)方式更加靈活多變，可靠性更高。

圖1 斷路器開關(guān)電容網(wǎng)絡原理

圖2 開關(guān)電容網(wǎng)絡

在開關(guān)電容網(wǎng)絡中采用規(guī)格相同的電容器元件，來克服電容器兩端電壓不平衡的缺陷，兩個電容器交叉連接，在兩組電容器陽極和陰極之間各自串聯(lián)一個二極管，防止電容器網(wǎng)絡向高壓斷路器電機操動機構(gòu)釋放能量時，能量在電容器之間互相充能，降低電能的使用效率。在給電容器組充電時開關(guān)VD8 關(guān)斷，兩組電容器以并聯(lián)的形式并聯(lián)在整流器兩端，電容兩端并聯(lián)了電容傳感器，當檢測到充電到目標電壓時，停止充電，等接受到合閘或分閘指令時，開關(guān)管VD8打開，兩組電容以串聯(lián)的形式給高壓斷路器電機操動機構(gòu)釋放能量，逆變器兩端的直流電壓提升一倍，根據(jù)電壓等級要求不同，可以來電路中電容的個數(shù)，本文中兩組電容即可以實現(xiàn)操作要求。直流電機轉(zhuǎn)速與直流電壓有關(guān)，提升電壓可以提升驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，降低高壓斷路器電機操動機構(gòu)的響應時間，能有效的降低過電壓，提高電力系統(tǒng)的安全性。電容網(wǎng)絡的拓撲如圖3所示。

圖3 開關(guān)電容網(wǎng)絡電路

3 電機操動機構(gòu)控制系統(tǒng)組成

高壓真空斷路器電機操動裝置包括：控制裝置，驅(qū)動電機、傳動機構(gòu)和斷路器四部分組成，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。當電機操動機構(gòu)控制器接收到控制指令時，驅(qū)動電機開始動作，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)帶動傳動機構(gòu)使得絕緣拉桿直線運動，完成斷路器的分閘或合閘過程。在驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子側(cè)安裝有光電編碼器檢測實時檢測轉(zhuǎn)置，逆變器根據(jù)光電編碼器反饋的位置信息，實現(xiàn)位置換相。

圖4 高壓斷路器電機操動機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)簡圖

為了克服傳統(tǒng)操動機構(gòu)不可控的缺點，在高壓斷路器電機操動機構(gòu)中引入了智能化軟硬件控制系統(tǒng)。為了提高控制精度和處理速度，MCU 采用DSP28335 為控制芯片。硬件裝置包括：主要包括整流器、開關(guān)電容網(wǎng)絡、電壓傳感器、PWM 隔離驅(qū)動器、DSP28335 處理器、霍爾電流傳感器、光電編碼器、低壓直流電源、ADC采集和通信單元等，軟件部分采用驅(qū)動電機分閘或合閘控制轉(zhuǎn)速和電流雙反饋的控制方式。高壓真空斷路器控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的硬件組成

電機操動機構(gòu)系統(tǒng)的工作過程是上位機發(fā)送充電指令，控制器開啟開關(guān)VD7，整流裝置開始工作，市電經(jīng)過整流器給電容充電，電壓傳感器檢測到電壓值到達目標時關(guān)斷開關(guān)VD7，等待斷路器動作指令。當接收合閘指令時，開關(guān)VD8 開啟，逆變器端電壓翻倍，兩組電容以串聯(lián)的方式給電機操動機構(gòu)供電。分閘時，由于電機操動機構(gòu)受到合力矩對分閘過程有助力作用，因此不需要開啟VD8 來降低分閘機械碰撞沖擊。DSP 控制器通過PWM隔離驅(qū)動單元控制逆變器功率管導通，驅(qū)動電機工作帶動傳動機構(gòu)完成分合閘操作，光電編碼器采集轉(zhuǎn)子位置信息反饋給控制器，霍爾電流傳感器采集繞組電流，經(jīng)過位置、速度和電流反饋，構(gòu)成了高壓斷路器電機操動機構(gòu)三反饋控制系統(tǒng)。由于合閘過程中，直流電壓提高了一倍，合閘速度提高，降低了電機操動機構(gòu)的響應時間，大大提高了電力系統(tǒng)的安全可靠性。

4 開關(guān)電容網(wǎng)絡的聯(lián)機實驗

文章從兩方面開展研究，首先驗證電壓不同對高壓斷路器動觸頭分閘或合閘速度影響，對不同直流電壓下所采集的角位移信息和剛合信號進行采集分析。表1顯示了斷路器的主要參數(shù)。

表1 斷路器動作參數(shù)

4.1 不同儲能電壓的開斷實驗分析

實驗對所設計的高壓斷路器電機操動機構(gòu)控制系統(tǒng)的實用性進行了驗證，分析使用開關(guān)電容器網(wǎng)絡后對斷路器動觸頭分閘和合閘過程中的速度影響。分別在200V和220V的操動電壓下開展高壓斷路器分合閘實驗。圖6所示為不同儲能電壓下的合閘特性曲線。

圖6 不同操作電壓下的合閘曲線

圖6(a)為操作電壓200V 時的實驗曲線，斷路器合閘時間為86．4ms，重合閘時間為56ms，響應時間為18ms，電機轉(zhuǎn)動距離為38ms，第一個1/3行程為20mm，時間為10．2ms 平均速度為1．96m/s。圖6(b)為操作電壓220V時的實驗曲線，總合閘時間為80ms，行程時間52ms，機構(gòu)響應時間為15ms，觸頭行程為37ms，平均速度2．19m/s。

斷路器分閘時，由于受到彈簧彈力和重力的作用，總分閘轉(zhuǎn)矩對電機操動機構(gòu)分閘起動力的作用，因此分閘不需要太多的能量。本文在140V和150V的操作電壓下進行分閘試驗，圖7為不同儲能電壓下的分閘特性曲線。

圖7 不同電壓下的分閘曲線

圖7(a)為斷路器在140V操作電壓下的分閘特性曲線，斷路器分閘時間為82．3ms，平均分閘為1．50m/s，圖7(b)為斷路器在150V操作電壓下分閘實驗曲線，總分閘分閘時間76ms，行程時間為40ms，3/4平均分閘速度1．6m/s。

4.2 開關(guān)電容網(wǎng)絡升壓實驗

開展200V 操作電壓下開關(guān)電容器網(wǎng)絡的分合閘實驗，并對斷路器動觸頭分合閘動態(tài)特性進行了研究，圖8為200V電壓下不同放電方式下的合閘特性曲線。圖8(a)為斷路器合閘時間為86．3ms，行程時間為56ms，電機操動機構(gòu)響應時間為18ms，開距階段驅(qū)動電機作用時間為38ms，平均合閘速度為2m/s。圖8(b)開關(guān)電容網(wǎng)絡下關(guān)合實驗曲線，合閘時間75．2ms，超程時間為36ms，行程階段驅(qū)動電機作用時間31ms，平均合閘速度2．7m/s。

圖8 不同電壓下的合閘特性曲線

開展150V操作電壓下開關(guān)電容器網(wǎng)絡的分閘實驗，并對斷路器動觸頭分閘動態(tài)特性進行了研究，圖9為150V電壓下不同放電方式下的分閘特性曲線。圖9(a)為斷路器合閘時間為76ms，行程時間為40ms，平均合閘速度為1．6m/s。圖9(b)開關(guān)電容網(wǎng)絡下分閘實驗曲線，分閘時間51ms，超程時間為30ms，平均合閘速度3．3m/s。

圖9 150V電壓下的分閘曲線

5 結(jié)束語

本文以高壓斷路器電機操動機構(gòu)為研究對象，搭建了高壓斷路器電機操動機構(gòu)的開關(guān)電容網(wǎng)絡升壓裝置，開展了不同電壓等級下的斷路器分合閘實驗和開關(guān)電容網(wǎng)絡實驗。并對得到的高壓斷路器電機操動機構(gòu)動態(tài)特性曲線進行分析，結(jié)論如下：

驗證了操作電壓對高壓斷路器電機操動機構(gòu)動態(tài)特性影響，操作電壓由200V 提升到220V，斷路器合閘時間降低6．3ms，合閘速度提升0．24m/s；斷路器分閘時，操作電壓由140V 提升到150V，分閘時間降低6．5ms，分閘速度提高0．12m/s。

開展了開關(guān)電容網(wǎng)絡下分合閘實驗，單個電容電壓為200V，合閘時電容以傳亮方式供電，操作電壓為400V，與普通合閘實驗相比，合閘時間減少了12ms，合閘速度提高0．7m/s。與普通的分閘實驗相比，開關(guān)電容網(wǎng)絡的分閘時間降低26ms，分閘速度提高了1．7m/s，在能量一定的情況下，開關(guān)電容網(wǎng)絡能明顯降低斷路器分、合閘時間，提升斷路器的分合閘速度，驗證了開關(guān)電容網(wǎng)絡裝置對高壓斷路器電機操動機構(gòu)有明顯積極的影響。