智能27.5 kV 鐵道斷路器研究

李 洪 ，顏 睿

0 引言

目前國內(nèi)鐵路牽引供電系統(tǒng)所使用的27.5 kV斷路器大多采用彈簧操作機構(gòu)，該機構(gòu)由于零件多，可靠性差，故障率高，不具備調(diào)速控制、在線監(jiān)測等智能化功能，難以滿足鐵道系統(tǒng)對于斷路器提高可靠性，減少維修停電時間，提高運輸效率的要求。因此需要開發(fā)出新一代的全智能電氣化鐵道專用斷路器，適應(yīng)鐵路發(fā)展的需求。

1 智能鐵道真空斷路器的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 相控合分閘技術(shù)

1.1.1 真空斷路器在牽引供電系統(tǒng)中遇到的問題

目前牽引供電系統(tǒng)中使用的27.5 kV 真空斷路器普遍采用彈簧操作機構(gòu)，由于斷路器的輔助開關(guān)、真空滅弧室、外絕緣爬距等設(shè)備缺陷頻繁暴露，

真空斷路器的電氣、機械壽命與實際運行要求差距較大。人員的檢修、維護頻繁。同時，由于彈簧斷路器合閘相位角的隨機性，造成斷路器在關(guān)合過程中，頻繁產(chǎn)生涌流或過電壓，將導(dǎo)致變電所跳閘，并會加速牽引變壓器和電網(wǎng)設(shè)備的絕緣老化。采用相控合閘永磁真空斷路器完全可以解決該類問題。

1.1.2 相控關(guān)合原理及理論分析

相控關(guān)合技術(shù)是指在指定的系統(tǒng)電壓相位角關(guān)合電路，使電動機、空載變壓器、空載線路等感性設(shè)備和電容器等容性設(shè)備，在對自身和系統(tǒng)沖擊最小的情況下投入的一種智能控制技術(shù)。如采用相控關(guān)合技術(shù)，可以實現(xiàn)電動機的軟啟動，在系統(tǒng)電壓為峰值及其附近接通電源，大大減小涌流的幅值和對系統(tǒng)的擾動，提高設(shè)備壽命和系統(tǒng)穩(wěn)定性。在關(guān)合容性負載時如果在電壓零點投入，可以限制合閘涌流，縮短暫態(tài)過程，大幅度提高電容器壽命和系統(tǒng)穩(wěn)定性。對于27.5 kV 鐵道饋線斷路器所應(yīng)用工況，關(guān)合和切除之負載多呈現(xiàn)感性。

關(guān)合電感性負載時的相位選擇原理：

變壓器有載合閘模型如圖1，參數(shù)假定如下，系統(tǒng)側(cè)為一正弦電壓源u1= U1msin(ωt +α)，R1+jωL1為變壓器及系統(tǒng)阻抗，流過電流為i1，勵磁阻抗為純電感Lm，流過的勵磁電流為im，負荷阻抗為R2+ jωL2，電流為i2。CB1為高壓側(cè)斷路器，CB2為低壓側(cè)斷路器。

變壓器有載合閘是指變壓器低壓側(cè)接負載的狀況下利用CB1關(guān)合變壓器。根據(jù)霍爾基夫電流定律，可列出方程：

圖1 變壓器有載合閘的電路模型示意圖

為分析有載合閘的負載電流變化情況，假定變壓器二次側(cè)負荷極重，亦即負荷阻抗極小；另一方面，即使由于磁飽和造成勵磁支路的電抗急劇下降，但由于磁滯回線的客觀存在，該電抗總有一大于零的最小值；如果令負荷阻抗遠小于該最小勵磁電抗，則當列寫回路方程求取負荷電流時，勵磁支路的分流效果可以忽略（僅相對負荷電流而言，實際上，該勵磁涌流可以達到較大的實際值，只是遠小于二次電流而已），得到i1≈i2，則流過負載的電流為

由式（4）可知，高壓側(cè)帶載合閘后，流過負載的電流包含穩(wěn)態(tài)分量和自由分量部分，見圖2。

圖2 有載合閘負荷電流變化曲線圖

圖2 中自由分量與合閘瞬間電壓的初相角有關(guān)，按時間常數(shù)T 衰減，一般在幾個交流周期內(nèi)衰減完成。當合閘初相角α = φk時，自由分量為零，流過負載的電流只有穩(wěn)態(tài)分量。特別當ω(L1+L2)＞＞(R1+ R2)時，即合閘于電壓峰值時刻時，電流直接達到穩(wěn)態(tài)；時自由分量具有最大值，負荷電流最大為近2 倍的穩(wěn)態(tài)電流。

1.2 閉環(huán)控制技術(shù)

永磁機構(gòu)的應(yīng)用使真空斷路器的相控合閘操作成為可能，但由于相控斷路器對環(huán)境溫度、壽命期的不同階段和使用現(xiàn)場的操作頻度等因素的敏感性，有可能使合閘時間精度超出規(guī)定的范圍，從而影響其使用。為了解決該問題，在智能控制系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上，建立閉環(huán)控制系統(tǒng)，由位移傳感器實時采集斷路器各極的位移曲線，和設(shè)定的位移曲線作實時比較，應(yīng)用模糊控制算法，根據(jù)位移差值及其變化率由模糊規(guī)則來實時調(diào)整控制器輸出電壓的PWM 占空比，以調(diào)節(jié)線圈通電電流大小，進而控制機構(gòu)動鐵心運動速度，在全工況工作條件下保證斷路器合閘時間穩(wěn)定。

結(jié)合PID 控制良好地穩(wěn)態(tài)誤差及動態(tài)穩(wěn)定性，可以構(gòu)成模糊自適應(yīng)PID 控制，其為一種更好的控制策略。模糊自適應(yīng)PID 控制器的輸入為位置誤差e 及位置誤差變化率，其根據(jù)不同時刻的e 和ec，利用模糊控制規(guī)則對PID 3 個控制參數(shù)進行在線修改，以滿足不同e 和ec對PID 控制參數(shù)的不同要求，從而改善被控對象的動態(tài)性能，控制結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

1.3 真空度在線監(jiān)測技術(shù)

真空開關(guān)在工作時，其真空滅弧室屏蔽罩上的電位是由高壓部分-屏蔽罩、屏蔽罩-接地電極之間分別具有的靜電電容的分壓而決定，當真空滅弧室在正常的工作電壓和內(nèi)部氣體壓力下運行時，滅弧室屏蔽罩上不帶有靜電荷；而當真空滅弧室的內(nèi)部氣體壓力升高，導(dǎo)致絕緣強度降低，觸頭與屏蔽罩間會發(fā)生局部放電，從而使滅弧室的屏蔽罩上帶有一定的靜電荷。因此，中間屏蔽罩與大地之間的交流電場將發(fā)生變化，將電場探頭置于其間（距離滅弧室外壁150 mm），就可以在不改變滅弧室和斷路器結(jié)構(gòu)的前提下，探測屏蔽罩的電位變化，從而檢測到真空滅弧室內(nèi)氣體壓力的變化。電場探頭的安裝圖如圖4 所示。應(yīng)用自制的電場探頭經(jīng)過反復(fù)的模擬試驗，可以找到屏蔽罩的交流電位有效值與真空度之間的關(guān)系曲線，如圖5 所示。

圖4 電場探頭的安裝圖

圖5 屏蔽罩交流電位有效值與真空度關(guān)系圖

表1 真空開關(guān)真空度非正常趨勢典型判據(jù)一覽表

1.4 其他狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

狀態(tài)檢修是對斷路器的運行狀態(tài)進行監(jiān)視和評估，可在任何時間、任何地點獲得斷路器的實時運行狀況。據(jù)以制定更加經(jīng)濟、有效的斷路器維修計劃，確保生產(chǎn)安全，同時節(jié)省時間和維修成本。應(yīng)用在線檢測技術(shù)，采集運行中的斷路器有關(guān)信息，具備開關(guān)狀態(tài)在線監(jiān)測功能，開關(guān)機械特性在線監(jiān)測，當開關(guān)特性變化超過設(shè)定范圍時及時報警，同時信息數(shù)字化，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過各種通訊接口及協(xié)議，與上級通訊。智能真空斷路器本身具有數(shù)字信息與信息處理能力，就可在開關(guān)每次操作后對其特性數(shù)據(jù)進行采集、處理和存儲，如通過對觸頭運動速度和合、分閘時間等參量的測量，并與標準要求和前次數(shù)據(jù)比對，即可判定開關(guān)的機械特性是否處于正常狀態(tài)，并可記錄和儲存系統(tǒng)參數(shù)。

2 智能斷路器的一次和二次結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 智能斷路器的一次結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能電氣化鐵路斷路器開關(guān)一次系統(tǒng)主要由絕緣筒、真空滅弧室、絕緣拉桿、永磁操作機構(gòu)、電流互感器、L 型支架組成（圖6）。采用永磁操作機構(gòu)，無鎖扣、機構(gòu)與滅弧室直接相連，無拐臂，運動便捷，傳動效率高，動作精度高、磨損小。

圖6 斷路器一次結(jié)構(gòu)圖

2.2 智能斷路器的二次結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能斷路器的二次結(jié)構(gòu)設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，按照各自功能，系統(tǒng)共分為3 個模塊：真空度在線監(jiān)測模塊，機構(gòu)驅(qū)動控制模塊，無線測溫模塊，如圖7 所示。

圖7 斷路器二次結(jié)構(gòu)圖

上述3 個模塊構(gòu)成了智能鐵道開關(guān)的二次系統(tǒng)，這些模塊所收集的狀態(tài)及運行參量全部通過通訊方式，上報給智能IED，用于顯示、存儲、報警。通過各個模塊的設(shè)計，從而使得斷路器成為一個智能化的饋線斷路器：它可以控制在電壓相位的任意角度關(guān)合或開斷；同時采用閉環(huán)控制算法，保證在整個壽命期間內(nèi)開關(guān)相控操作的精度和穩(wěn)定性。具備開關(guān)狀態(tài)在線監(jiān)測功能：開關(guān)機械特性在線監(jiān)測，當開關(guān)特性變化超程過設(shè)定范圍時，及時報警；溫度在線監(jiān)測；真空度在線監(jiān)測；信息數(shù)字化，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過各種通訊接口及協(xié)議，與上級通訊。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的鐵道真空斷路器均為電磁操動機構(gòu)和彈簧操動機構(gòu)，其零件多，故障率高，調(diào)試維護不便，給現(xiàn)場使用帶來很多麻煩，更嚴重時會影響鐵道的正常運營。而智能27.5 kV 鐵道斷路器真空斷路器可大大減少現(xiàn)場的工作量，提高供電的可靠性，實現(xiàn)了真正免維護開關(guān)產(chǎn)品，它解決了目前鐵路系統(tǒng)應(yīng)用的饋線斷路器故障率較高，不能實現(xiàn)狀態(tài)檢修的難題，它必將成為高壓開關(guān)的主流方向。

[1] 游一民，陳德桂，侯建新，等.永磁操動機構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用[J].高壓電器，2003.

[2] 陳明帆，段雄英，黃智慧，等.真空開關(guān)動作時間的自適應(yīng)控制[J].中國電機工程學(xué)報，2010，（12）.

[3] 張節(jié)容，等.高壓電器的原理和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1989.

[4] 王季梅.真空開關(guān)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[5] 李衛(wèi)國，羅日成，真空開關(guān)真空度在線檢測系統(tǒng)的開發(fā)[J].真空，2005，（7）.

[6] 范興明，鄒積巖，陳昌龍，等，基于DSP 的真空斷路器狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測裝置[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，（8）.