智能型VDT同步真空斷路器

摘要：真空斷路器是電力系統(tǒng)中壓開關(guān)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，快速電磁推力致動機構(gòu)是一種用于真空斷路器的新型操動機構(gòu)，該產(chǎn)品的研發(fā)主要為提高斷路器的可靠性，進(jìn)而實現(xiàn)同步操作智能化提供了條件?？焖匐姶磐屏χ聞訖C構(gòu)的同步控制技術(shù)是斷路器智能化領(lǐng)域的前沿課題，對于減小合閘涌流和過電壓、提高斷路器的分?jǐn)嗄芰Α崿F(xiàn)配電終端的智能化同步控制系統(tǒng)，

以及改善電網(wǎng)電能質(zhì)量和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，切實提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，具有重大的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：真空斷路器 快速電磁推力致動機構(gòu) 智能化同步控制

1 概述

真空斷路器在電網(wǎng)中的基本任務(wù)是：第一，根據(jù)電網(wǎng)運行的需要，將一部分線路或電力設(shè)備投入或退出運行，以此對電網(wǎng)的運行方式進(jìn)行控制，在這種情況下，真空斷路器的觸頭承載的是負(fù)荷電流；第二，當(dāng)線路或電力設(shè)備發(fā)生故障時，開關(guān)可將故障部分從電網(wǎng)中快速切除，以保證無故障部分正常運行，保護(hù)電網(wǎng)的安全，此時，真空斷路器的觸頭承載的是故障電流或短路電流。

短路電流的最大峰值往往出現(xiàn)在第一個周波內(nèi)，而且非周期分量很大，通常幾個周波內(nèi)不過零。同時，真空斷路器的動作時間相對于故障發(fā)生的時刻有一定的滯后，再加上繼電保護(hù)所形成的時間差，在開斷時間內(nèi)短路電流的峰值已經(jīng)數(shù)次沖擊發(fā)電機、斷路器和變壓器等被保護(hù)設(shè)備，經(jīng)過幾次重大事故，就有可能造成設(shè)備的損壞，進(jìn)而增加運行維護(hù)和檢修的成本。

另外，真空斷路器正常工作時的額定電流與發(fā)生短路故障時的短路電流相差過大，尤其是現(xiàn)代電力系統(tǒng)容量的不斷增大，短路電流值也不斷上升，強大的短路電流產(chǎn)生的電動力破壞性更大，真空斷路器必須按照開斷短路電流進(jìn)行選擇，設(shè)備、線路及斷路器本身就要求設(shè)計有足夠的熱穩(wěn)定、動穩(wěn)定裕度，但設(shè)備的投資就會加大，造價過高。

因此，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，越來越需要斷路器能夠在故障瞬時就發(fā)現(xiàn)并以最快的速度切斷短路電流，避免被保護(hù)設(shè)備及開關(guān)本身受到巨大的熱沖擊和電動力作用，同時，隨著真空斷路器的普及應(yīng)用，真空斷路器操作過電壓的問題將進(jìn)一步突出。

因此，真空斷路器勢必朝著小型化、智能化、系列化的趨勢發(fā)展，開發(fā)應(yīng)用智能同步開關(guān)(相控開關(guān))技術(shù)能有效減少高壓開關(guān)合閘涌流和過電壓，消除分閘重燃過電壓，提高開關(guān)的開斷能力和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，改善用戶電能質(zhì)量，成為了近年來開關(guān)智能化的研究熱點之一。

安徽菲邁斯電氣有限公司科研技術(shù)人員經(jīng)過不懈的努力終于研制出了新一代智能型VDT同步真空斷路器，它具有快速、相控、智能化特點，并已通過了國家高壓電器實驗室的型式試驗。

2 智能型VDT同步真空斷路器的應(yīng)用范圍

智能型VDT同步真空斷路器可使用在對電網(wǎng)電壓質(zhì)量要求苛刻的場所，可以在解決敏感性負(fù)荷的電壓質(zhì)量方面發(fā)揮重要作用，是國家重點扶持，屬機電技術(shù)結(jié)合的邊緣學(xué)科。智能型VDT同步真空斷路器采用全數(shù)字的智能控制單元，由主開關(guān)、控制電源、電容器組、大功率電力電子器件、手動(自動)控制、先進(jìn)的電子傳感器等組成。

匹配快速電磁推力致動機構(gòu)的智能型VDT同步真空斷路器可達(dá)到分、合閘時間的最大誤差分別為±0.5ms和±1ms以內(nèi)，因此，使這種斷路器可以應(yīng)用在如下特殊場合：

(1)綜合式超導(dǎo)體故障電流限制器場合

一般使用綜合式超導(dǎo)體故障電流限制器來限制故障電流，降低故障電流伴隨的電動力對電網(wǎng)中設(shè)備的破壞性沖擊。在正常情況下，快速真空斷路器與超導(dǎo)元件并聯(lián)，快速真空斷路器觸頭的極小的接觸電阻可以降低正常運行時能量損耗，這樣可以降低對超導(dǎo)元件這一參數(shù)要求。

(2)使用在對電網(wǎng)電壓質(zhì)量要求苛刻的企業(yè)及重要用電場合

有專家曾作過調(diào)查，某電子零件加工廠使用輸電電壓66kV，合同供電10MW以上。如果電壓暫態(tài)下降10％左右，且持續(xù)時間超過20ms時，則生產(chǎn)設(shè)備開始受到破壞(設(shè)備停止運行)；一旦暫態(tài)持續(xù)時間超過40ms時，那么設(shè)備損壞程度明顯加大。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，如果對電壓暫態(tài)下降采取措施，使電壓恢復(fù)得更快，其損壞程度可以減小，即如果將停電持續(xù)時間控制在20ms以內(nèi)(或左右)，生產(chǎn)設(shè)備幾乎不遭受損壞。

(3)電氣化鐵道和兩個單獨饋電線的高速轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的地方。

(4)與電抗器并聯(lián)使用

在正常運行時智能型VDT同步真空斷路器將電抗器短接，避免了電抗器巨大的電能損耗和大型電動機啟動時的電壓降，短路時智能型VDT同步真空斷路器快速斷開。

在新供用電系統(tǒng)設(shè)計時，可加大電抗器阻抗，使負(fù)荷側(cè)斷路器的開斷電流進(jìn)一步減小，降低造價。線路短路時，智能型VDT同步真空斷路器快速斷開，將電抗器投入，電抗器上的殘壓可設(shè)計得足以維持重要負(fù)荷繼續(xù)運行而不受影響。

(5)應(yīng)用于母聯(lián)

在電網(wǎng)連接點上裝設(shè)智能型VDT同步真空斷路器將電網(wǎng)實現(xiàn)閉環(huán)運行，正常情況下可以大大提高供電可靠性，而一旦發(fā)生短路故障，可以由智能型VDT同步真空斷路器快速地切斷電網(wǎng)間的連接，實行開環(huán)運行。聯(lián)網(wǎng)前各分支電網(wǎng)已經(jīng)裝設(shè)的短路保護(hù)設(shè)備可以不作任何增容改造，實現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的電網(wǎng)互連。

(6)應(yīng)用于線路

智能型VDT同步真空斷路器應(yīng)用于供電線路中，若線路中帶有敏感用戶，可防止線路短路電壓下降而引起敏感用戶失控，一條線路短路后，該路的智能型VDT同步真空斷路器斷開，其他線路繼續(xù)供電。

3 智能型VDT同步真空斷路器的技術(shù)特點

智能型VDT同步真空斷路器采用安徽菲邁斯電氣有限公司獨立自主研發(fā)的專利技術(shù)一快速電磁推力致動機構(gòu)(專利號：ZL 2007 2 0045403.3)，應(yīng)用成熟的電子控制技術(shù)與之完美的配合，并采用先進(jìn)的電子傳感裝置集合而成。

智能型VDT同步真空斷路器與傳統(tǒng)的斷路器開斷方式相比，具有以下顯著特點：

(1)速動性提高20倍以上。智能型VDT同步真空斷路器在10ms分閘，20ms之內(nèi)衰減到零，故障被完全切除，而傳統(tǒng)的斷路器保護(hù)方式最快也要75ms。

(2)解決了電網(wǎng)擴建帶來的短路電流增加的難題，由于具有同步控制能力，實際開斷電流完全可以控制在短路故障峰值電流的40％以下，因而開斷更可靠，根據(jù)開斷容量，通過理論計算它的電壽命是普通開關(guān)的16倍。

(3)優(yōu)化了配電設(shè)備聯(lián)網(wǎng)過程的解決方案。

(4)降低了配電設(shè)備的費用。電力設(shè)備可免受強大的短路電流的沖擊，機械強度不必做得很大。開斷快、截流小，電力設(shè)備無需考慮熱穩(wěn)定問題。

4 智能型VDT同步真空斷路器的技術(shù)路線與原理

4.1 技術(shù)路線

目前，系統(tǒng)中的斷路器在關(guān)合電力設(shè)備的瞬時，系統(tǒng)電壓的初相角通常都是隨機的和不確定的，比如在關(guān)合空載變壓器、電容器組和空載線路時，常常產(chǎn)生幅值很高的涌流和過電壓，這樣不僅對系統(tǒng)中的設(shè)備不利，還會引起保護(hù)誤動作，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。智能型VDT同步真空斷路器采用三相三個快速電磁推力致動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，通過同步關(guān)合技術(shù)動、靜觸頭在系統(tǒng)電壓波形的指定任意相角處實現(xiàn)關(guān)合，使得空載變壓器、電容器組和空載線路等電力設(shè)備在對自身和系統(tǒng)沖擊最小的情況下投入電力系統(tǒng)。通過運用Matlab軟件的Simulink組件對某型號變壓器的空載關(guān)合過程進(jìn)行動態(tài)建模仿真，改變斷路器關(guān)合的時間來改變初相角，可以得到不同相角下關(guān)合涌流的波形。

當(dāng)初相角為0°時，涌流的最大值為最高，達(dá)到額定電流的11.4倍；當(dāng)初相角為45°時，涌流的最大值降至額定電流的7.3倍；當(dāng)初相角為90°時，理想情況下將不產(chǎn)生涌流，變壓器直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運行。當(dāng)在0～90°范圍內(nèi)，涌流的幅值隨著初相角的增大而減小。當(dāng)初相角在90°～180°范圍內(nèi)，涌流的幅值隨著初相角的增大而增大。因此，如果能控制斷路器初相角在90°或270°附近關(guān)、合空載變壓器將大大降低涌流的倍數(shù)。開斷操作機理亦同。

4.2 技術(shù)原理

智能型VDT同步真空斷路器的快速電磁推力致動機構(gòu)其上邊是脫扣固定線圈；下邊是合閘固定線圈，與固定線圈相向的是渦流盤，它通過可動軸連接到真空滅弧室的動觸頭上。當(dāng)電子控制器控制的脫扣固定線圈上流有脈沖電流后，渦流盤中感應(yīng)誘發(fā)渦流，其結(jié)果，使渦流盤受到電磁推力作用，帶動連桿運動，而使連接在滅弧室上觸頭分?jǐn)唷．?dāng)電子控制器控制的合閘固定線圈上流有脈沖電流后，渦流盤受到電磁推力作用，帶動連桿運動，其結(jié)果是使連接在滅弧室上觸頭關(guān)合。

另外，還采用了在合閘狀態(tài)下具有接觸壓力發(fā)生和分閘狀態(tài)下具有維持功能的特型疊簧。因此雙向電磁推力操動機構(gòu)和特型疊簧雙穩(wěn)功能，使這種操動機構(gòu)具有與永磁操動機構(gòu)相同的雙穩(wěn)特性，在開關(guān)的操動機構(gòu)中可以不采用鎖閂機構(gòu)。同時，連桿運動過程中，還受特型疊簧過死點后的作用力，從而極大地提高了推斥效率，根據(jù)概率論原理，機構(gòu)的結(jié)構(gòu)越簡單則可靠性就越高，所以，簡化機構(gòu)的結(jié)構(gòu)就成為一個可能方向，快速電磁推力致動機構(gòu)就因其簡化的結(jié)構(gòu)而具有較多優(yōu)勢。

智能型VDT同步真空斷路器主要的優(yōu)點是合、分閘速度快，因而帶來的結(jié)果是分、合閘時間特別短，可以抑制電網(wǎng)中因故障出現(xiàn)的短路電流及產(chǎn)生的暫態(tài)電壓持續(xù)時間，智能型VDT同步真空斷路器是一種通過電子控制器發(fā)出的動作信號，在10ms內(nèi)分閘，20ms之內(nèi)可開斷故障電流的機械式快速真空斷路器，智能型VDT同步真空斷路器快速電磁推力致動機構(gòu)的動作原理如圖1所示。

智能型VDT同步真空斷路器由斷路器、斷路器控制器、智能電子控制器、電子傳感器等四部分組成，其同步操作原理是：控制分、合閘時電壓或電流的初相角，在電網(wǎng)電壓或電流過零或在指定的相角點上實現(xiàn)分、合閘操作。同步合閘時序原理見圖2，圖2中Th為合閘時間，包括斷路器、斷路器控制器、智能電子控制器合閘時間的總和，智能電子控制器通過電子傳感器實時傳來檢測到系統(tǒng)中的電壓零點，假設(shè)是A相的電壓零點，作為參考零點，把參考零點后的第三個零點或第三個零點后的一個指定的相角點作為A相的關(guān)合點，也即是參考零點到A相目標(biāo)關(guān)合點的時間是30ms(第三個零點)或是30～40ms之內(nèi)的一個數(shù)(第三個零點后的一個指定的相角點)，如果把第三個零點設(shè)為A相目標(biāo)關(guān)合點，則T1=30ms-Th，也即從參考零點經(jīng)時延T1，由智能電子控制器對A相快速電磁推力致動機構(gòu)發(fā)出合閘指令，即實現(xiàn)對A相目標(biāo)關(guān)合點(第三個零點)的合閘操作，在智能電子控制器對A相快速電磁推力致動機構(gòu)發(fā)出合閘指令后，經(jīng)5ms延時，給B、C相發(fā)出合閘指令，便可實現(xiàn)對B、C相的同步合閘。同樣原理，我們可以實現(xiàn)在指定的任意相角點關(guān)合的合閘操作。

合閘時間Th是可以調(diào)整的，我們把三相的Th調(diào)成一致，這樣就可以確保三相的T1也一致了。

同步合閘因負(fù)荷性質(zhì)的不同而采用不同的方法，這些方法均在智能電子控制器中可以實現(xiàn)。

圖3中Tt為分閘時間，包括斷路器、斷路器控制器、智能電子控制器合閘時間的總和，智能電子控制器通過電子傳感器實時傳來檢測到系統(tǒng)中的負(fù)載電流(即流過斷路器主觸頭的電流)零點，假設(shè)是A相的電流零點，作為參考零點，把參考零點后的第一個零點(10kV)、或第二個零點(40，5kV)作為熄弧點，也即是參考零點到熄弧點的時間是10ms(10kV)、或是20ms(40，5kV)，如果把第一個零點設(shè)為A相熄弧點，則T1=10ms-Tt－Ty(10kV)，或是T1=20msTt－Ty(40.5kV)，Ty為熄弧時間，從參考零點經(jīng)時延T1，由智能電子控制器對A相快速電磁推力致動機構(gòu)發(fā)出分閘指令，即實現(xiàn)對A相首開，在第一個零點熄弧并確保斷路器主觸頭的動、靜觸頭之間建立起了一定的絕緣強度，電弧熄滅后不再重燃，在智能電子控制器對A相快速電磁推力致動機構(gòu)發(fā)出分閘指令后，經(jīng)5ms延時，給B、C相發(fā)出分閘指令，便可實現(xiàn)對B、C相的同步分閘。

分閘時間Tt是可以調(diào)整的，我們把三相的Tt調(diào)成一致，這樣就可以確保三相的T1也一致了。

斷路器的合分時間可以在60ms內(nèi)任意設(shè)定。智能型VDT同步真空斷路器型式試驗典型示波圖：VDT-12/3150-40試驗T100a(0)示波圖N060012見圖4；VDT-12/3150-40試驗T100a(CO)示波圖N060009見圖5。

5 結(jié)束語

建立在現(xiàn)代傳感技術(shù)和數(shù)字化控制技術(shù)之上的智能型VDT同步真空斷路器，與普通真空斷路器相比，具有如下優(yōu)勢：

(1)降低了電網(wǎng)瞬態(tài)過電流和過電壓，減少了對電力設(shè)備的沖擊，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

(2)改善了電網(wǎng)供電質(zhì)量，采用同步關(guān)合和開斷技術(shù)可以大大減小涌流的幅值和電壓的擾動，開關(guān)操作的暫態(tài)過程對配電系統(tǒng)會產(chǎn)生各種干擾，包括惡劣的電能質(zhì)量導(dǎo)致的保護(hù)不按時動作和不可接受的過電壓，導(dǎo)致的嚴(yán)重危害和早期故障；

(3)提高了斷路器電壽命及性能；

(4)簡化了電網(wǎng)設(shè)計，從而降低了整個系統(tǒng)費用。