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一種伺服電機驅動的斷路器操動（dòng）機構

2017-7-31 來源：國網湖北省電（diàn）力公司電力科學研究院作者：朱世明，陳（chén）雋，夏天，唐誠

摘要:介紹了高壓斷路器驅動技術與智能化技術的發展（zhǎn）現狀，提（tí）出（chū）了一種由伺服電機驅（qū）動高壓斷路器的操動機構型式，其具有傳動（dòng）部（bù）件少、結構簡單可靠（kào）、可以（yǐ）預（yù）先設置動觸頭行（háng）程-時間曲線等優點，滿足真正（zhèng）意（yì）義上的智能化斷路器的需求。

關鍵詞:伺服電機；斷路器；操動機構

0.引言

高壓斷（duàn）路器在電力係統中承擔著控製和保護（hù）的雙重重要任務，而其主要功能體現在動（dòng）觸頭的（de）分合閘操作上，分（fèn）合閘操作又是通過操動（dòng）機構來實現的。因（yīn）此，操動機構的工作性能和質量的優劣，對高壓斷路器的工作性（xìng）能和可靠（kào）性起著重要的作用（yòng）[1]。目前比較（jiào）常（cháng）用的操動機構主要有電磁操動機構、彈簧操動機構[2]、氣動操（cāo）動機構和（hé）液壓操動機（jī）構[3]等。傳統高壓（yā）斷路器目前存在著以下幾類問題：（1）固有機械特性，在不同的應用場合（如同（tóng）期合閘、容性負載開（kāi）斷等）和不同應用工況（開斷（duàn）額定短路（lù）電流、額定電流和空載操作等）下無（wú）法進行運動特性的過程控製，隻能以單一的速度特性進行分閘和合閘的操作控製，靈活（huó）性差；（2）現場實際應用中，長期靜置的高壓斷路器還存在（zài）因機構粘滯、卡澀造成的動作時間分散性大（dà），難以滿足運行標準要求的問題，傳統操動機（jī）構對（duì）此類（lèi）問題缺乏有效的防範措施和補償手段[4]；（3）傳統機構運動（dòng）特性離線（xiàn）調（diào）整範圍有限，調整過程較（jiào）為（wéi）複雜，當麵對部分（fèn）特（tè）殊場合時，往往需要（yào）更（gèng）換（huàn）操動機構才能滿足應用（yòng）需求（qiú），造成產品線過長，不（bú）利生產和維護；（4）傳統機（jī）構進（jìn）行分合閘操作，多次操作過後（hòu）機構會產生應力（lì）鬆弛[5]；（5）此外，從檢修（xiū）安全性考慮，傳統操動機（jī）構（gòu）均采用機械儲（chǔ）能方式，因機械儲能釋放異常引起的（de）故障（zhàng）往往存在人身（shēn）安全風（fēng）險。為滿足生（shēng）產、維護和應用的需求（qiú），有必要積極展開具有在線補償能力、結構簡單、可靠性高、動作衝擊小、運行維護安全（quán）等特點的新型操動機構研究。

通信技術應用到高壓開關設備上，實現設備外圍的測量與控製。受操動機構限製，現行高壓斷路器尚無法（fǎ）對高壓斷路器的核心（xīn）控製功（gōng）能進行智能化；此外，目前智能（néng）開關（guān）設備（bèi）中的關鍵機械狀態參量隻能在（zài）分合閘操作過程中量測，難以（yǐ）滿足“狀態維護（hù）”所需要的預（yù）判性要求。為（wéi）滿足堅（jiān）強智能電（diàn）網建設要求，有（yǒu）必要積（jī）極開展具有柔（róu）性控製能力的新型操動機構研究。

國內外對電（diàn）機驅動斷路器已開展了（le）大量研究，20 世紀 40 年代 ABB 就曾經提出應用電機驅動斷路器運動的概念，但（dàn）受電（diàn）機功率密度、瞬時加速能力和控製技術的限製，這一想法始終難以實行。隨（suí）著現代（dài）稀土永磁電機技術、電力電子技術、電機矢量（liàng）控製技術和機械設計技（jì）術的快速發展，新型伺（sì）服電機及其控製係統在轉矩輸出能力（lì）、轉子慣量、響應時間和隨動能（néng）力（lì）上（shàng）越（yuè）來越接近斷路器操動的要求，輸出轉角、轉速和能量的控製性（xìng）能越（yuè）來（lái）越高，這（zhè）就為應用於高壓（yā）斷路器的新型電動機操動機構奠定了基礎。由於其內在的行程（chéng）控製能力和反饋能力，基於電機操動機構的新一代智（zhì）能斷路器可以補足智能控製上的短板，實現真正（zhèng）意義上的智（zhì）能化斷路器。

1.目前行業內電機驅動研究進展

電機驅動斷路器的原理即（jí）將電動機與高壓斷路器直（zhí）接連接，從而控製斷路器動（dòng）觸（chù）頭分合閘操作。目前國內（nèi）尚未生產配有電動（dòng）機（jī）操動機構的高壓斷路器投入運（yùn）行，但（dàn）ABB公司已有成套產品（LTB-D 係列 72.5~145 k V 單相操動或者三相機械聯動斷路器）投放市（shì）場。ABB 公司從 2000 年起應用於單相（xiàng）操作和三相操作（zuò）瓷柱式斷路器、罐式斷路器、PASS 緊湊型開關設備、GIS 及發電機斷路器。截至2005 年，已有 100 多（duō）台配電動機操動機構的（de）高壓斷路器在瑞典、丹麥（mài）、意大利、澳大利、新（xīn）西（xī）蘭、阿根（gēn）廷等 17 個國家投入使用（見圖 1）。

2007 年，泰國購買了一台 ABB 生產的配電動機操動機構的高壓斷路器（qì），也是亞洲實際運行的第一（yī）台電（diàn）機驅動高壓斷路器（qì）（見圖 2）。國內方麵，盡管沒有 72.5 k V 及以上電壓（yā）等級（jí）的電機驅動高壓斷路通過器投（tóu）運，但各大廠商都積極投入研究。目前，國內已有 40.5 k V 和 126 k V 電壓等級的電（diàn）機驅動（dòng）斷路器樣（yàng）機研製成功。其中，平高集團研製的LW0-126 電機驅動斷路器分（fèn）閘速度已達到（dào） 5.2 m/s 並順（shùn）利通過短路開斷型式試驗（yàn），是國內首個（gè）在 126 k V電（diàn）壓等級上通過型式試（shì）驗的電驅（qū）斷路器，代表國內在該領域內的（de）領先水平。

圖 1 ABB 電動機操動機（jī）構的應用情（qíng）況

圖 2 ABB 配電動機操動機構的高壓斷路器在泰國（guó）的應（yīng）用（yòng）

電機驅動斷路器雖然目前通過了型（xíng）式試驗，但仍存在一（yī）定問題，具體體現在以下幾個方麵：（1）該斷路器伺服係統所用的核心設備分別是歐洲生產的伺服驅動器和永磁（cí）同（tóng）步電機，尚未實現國產化；（2）該伺服（fú）係統是（shì）風電、光（guāng）伏專用設備，與斷路器驅動應用差異較大，由（yóu）於不掌（zhǎng）握底層核心技術（shù），設備不能從底層（céng）進行二次開發，僅從應用層麵去適配斷路器驅動需求（qiú）非常困難；（3）該伺服係統價格昂（áng）貴，影響電機驅動斷（duàn）路器的推廣應用；（4）係統性能還需進一步提高，瞬時轉矩輸出能力需（xū）進一步（bù）提升（shēng），以實（shí）現（xiàn） 126 k V SF6高壓斷路器分閘操作的靈活控製與係列化應（yīng）用；（5）該操動（dòng）機（jī）構輔助控製功（gōng）能和可靠性（xìng）設計尚不完善，難以適應智能開關設備係統集成要求。

2.伺服電（diàn）機驅動的斷路器操動機構（gòu）

及其優勢由於電機的機械特性具備可控性，因此電機驅動操動機構（gòu）為不同速度特性的斷路器分合（hé）閘操作（zuò）提供了技術條件。電動機直接驅動高壓斷路器原理圖如圖 3 所示，係統由交（直）流電（diàn）源、儲能（néng）電容器、逆變電路、控製電路、永磁式同步電動機組（zǔ）成。

圖 3 電動機直接驅動 SF6高壓斷路器控製原理圖

電容器作為電動機操動機構中（zhōng）的儲能（néng）元（yuán）件。斷路器在進行分（fèn）合閘操作時，驅動係統需要（yào）較大的瞬時電流，這時電動機所需能量將由（yóu）電容器提供（gòng），不（bú）會對電源產生大的（de）衝擊；當電容器電壓下降到某（mǒu）一值時，由交（直）流電源對其進行充電。

逆變電路由智能功率模塊（IPM）構成，電動機的電流信號通過霍爾傳感器進行測（cè）量（liàng），反饋給控製電路。電動機的轉速和（hé）轉子位置（zhì）由安裝在轉軸上的傳感器測出，斷路器動觸頭的行程可由電動機轉子（zǐ）位置間接獲得。永磁式同步電動機結構簡單、體積小（xiǎo）、重量（liàng）輕、損耗小（xiǎo）、效率（lǜ）高（gāo），和直流電機相比，它沒有直（zhí）流電機的換（huàn）向器和電刷等（děng）缺點。和異步電動（dòng）機相比，它由於不需要無功勵磁電流，因而（ér）效率高，功率因數高，力矩慣量比大，定子電流和（hé）定子電阻（zǔ）損耗（hào）減（jiǎn）小，且轉子（zǐ）參數可測、控製性能好；但（dàn）它與異步電機相比，也有成本高、起動困難等缺（quē）點。和普通同步（bù）電動（dòng）機相比，它省去了勵磁裝置，簡化（huà）了結構，提高了效率。永（yǒng）磁同步電機矢量控製係統能夠實現高精度、高動態性能、大範圍的調速或定（dìng）位控製，因此永磁同（tóng）步電機矢量控製係統可以滿足高壓斷路器的動作控製。驅動器作為電機（jī）驅動操（cāo）動機構的核心部件，由於斷路器分合閘操作的特殊工況，要求其（qí）驅動單元要有（yǒu）大的輸出（chū）功率，不同於一般的小功率伺服驅動器。驅動器（qì）采用短時工作製，一次開（kāi）斷隻需要幾十毫秒的時間（jiān）。驅動器要求短時（shí）輸出大功率，因此對於控製算法有特殊要求，屬（shǔ）於特殊定製型，驅動器控製采用高性能數字（zì）信號處理器，功率（lǜ）回路采用PWM 控製（zhì）的（de）逆變器，控製策略采用矢量控製。交流電機伺服（fú）控製器硬件上大體上可以分為控製電路和（hé）功率逆變電路兩大部分。驅動器整體功能框圖如圖 4 所（suǒ）示。

圖 4 驅動器整體功能框圖

電動機操動機構與傳統操動機構相比，具有以下優點：（1）傳動部件（jiàn）少，結構簡單可靠；（2）可以預先設置理想的動觸頭行程-時間（jiān）曲線；（3）動觸頭的動作特（tè）性和斷路器的老化、環（huán）境溫度的變化無關；（4）本身具備狀（zhuàng）態監測的條件，不需要額外的傳感器；（5）對（duì）電源要求低，不會引入大的暫（zàn）態載荷，適（shì）用於交流或直流電源。

3.電機驅動的難（nán）點

高（gāo）壓斷路器的分（fèn）合閘（zhá）操作，是在短（duǎn）時內進行一個大操作功釋放的過程，實現分、合閘的（de）過（guò）程極短，僅為幾十毫秒。應用伺服電（diàn）機驅動斷路器分合閘，（1）首先需要（yào）電（diàn）機具備高速下的大功率輸出能力和高瞬時轉矩輸出能力；（2）為使電機出力盡可（kě）能的作用於推動（dòng）斷路器（qì）負載（zǎi），電機本身轉子慣量應當盡（jìn）可能小；（3）驅動電機直接（jiē）連接斷路器的轉軸，驅動電機處於（yú）剛起動即製動的暫態過程，需要電（diàn）機具有極快（kuài）的動態響應能力；（4）驅動電機需要實現對動（dòng）觸頭運動過程的精確控製，需具備良好的伺服性能；這些要求對（duì）電（diàn）機設計提出（chū）了挑戰（zhàn）。設計出適合高壓斷路器驅動應（yīng）用的具有響應速度快、轉動（dòng）慣量小、動態時（shí）間短（duǎn）、瞬時輸出力矩大等特點的伺服電機，是電機驅動斷路器操動（dòng）機構的關鍵點和核心難（nán）點。

4.結論（lùn）

（1）隨著（zhe）電網的快速發展、斷路器的裝用（yòng）量（liàng）越來越大，傳統操動機構的（de）斷路器在生產、運維、操作和檢修環節中存在一些固有的問題，迫切需要一種新型的、具有智能（néng）化操動機構型式的（de）高壓（yā）斷（duàn）路器。

（2）目前國內、外（wài）的伺（sì）服驅（qū）動係統暫不適合斷路器的分合閘操作要求。針對高壓斷路器的驅動需求，研（yán）製具有高動態（tài）響應能力、高（gāo）精度控製（zhì）方法的伺服係統，是實現高壓斷路（lù）器電機驅動智能操（cāo）動機（jī）構的難點（diǎn）和關鍵。

（3）本文介紹的（de）采用伺服電機驅動斷路器（qì）的操動機構，可以預先設置理想的動觸頭行程-時間曲線；滿足（zú）狀態監測要求，不（bú）需（xū）要配置額外的傳（chuán）感器；對電源要求低，廣泛（fàn）適用於交流或直流電源。對（duì）提升一次設備智能化水平、提高斷路器的技術經濟水（shuǐ）平具有重要意義，有實際應用前景。

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