淺談新型永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器同步關(guān)合技術(shù)

張健

【摘要】本文對永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器同步關(guān)合技術(shù)的發(fā)展過程、研究重點(diǎn)、研究意義和經(jīng)濟(jì)效益，做詳細(xì)的分析與闡述，為進(jìn)一步研究工作做好準(zhǔn)備。

【關(guān)鍵詞】永磁機(jī)構(gòu) 真空斷路器 同步關(guān)合技術(shù)

一、新型永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器同步關(guān)合技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

同步關(guān)合技術(shù)自20世紀(jì)70年代提出，至今己經(jīng)30多年了，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，這種方法還停留在理論研究的水平上。到了20世紀(jì)90年代，斷路器制造水平的提高和基于微處理器、微電子測控技術(shù)的提高，用戶對供電質(zhì)量要求提高，同步關(guān)合技術(shù)自90年代中期迅速走向?qū)嵱没?，并得到了相?dāng)普遍的應(yīng)用。國外在這方面研究成果較為突出的有ABB、西門子、Alstom ，富士等，他們在各領(lǐng)域的分布主要如下， ABB推出的VMI型智能真空斷路器也在中壓領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用，富士公司推出的智能真空斷路器在中壓領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。而高壓領(lǐng)域非常典型的有東芝公司的推出的CGIS和ABB公司推出的EXK型智能化GIS，它們共同的特點(diǎn)是采用先進(jìn)的傳感技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，將整個(gè)電器的在線檢測與二次系統(tǒng)組合在一個(gè)計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)上。智能化技術(shù)在開關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用，勢必大大降低開關(guān)本身的故障率，提高開關(guān)運(yùn)行的可靠性，并在一定程度上提高整個(gè)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控、調(diào)度水平以及供電安全性和可靠性，尤其會(huì)使中、高壓開關(guān)在智能化方面取得重大進(jìn)步。

作為新型開關(guān)電器的主流研究方向，國內(nèi)的一些生產(chǎn)廠家和研究機(jī)構(gòu)都致力于電器智能化的研究。在智能控制的研究方面也取得了可喜的進(jìn)展。但是，研究和開發(fā)相控開關(guān)還處于起步階段，其產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性與國外相比尚有一定差距。國內(nèi)一些高校和科研機(jī)構(gòu)，對斷路器智能控制技術(shù)的理論研究主要集中在分合閘時(shí)間自適應(yīng)控制方面，系統(tǒng)信號(hào)狀態(tài)的處理與智能識(shí)別，同步投切控制策略等。這些工作有力地促進(jìn)了斷路器智能控制技術(shù)的推廣及應(yīng)用。

二、新型永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器同步關(guān)合技術(shù)研究意義

相控開關(guān)技術(shù)對提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性意義深遠(yuǎn)，而且應(yīng)用前景廣闊。但是，目前沒有在大范圍內(nèi)推廣的主要原因還是應(yīng)用中可靠性等若干技術(shù)難題尚在研究中。在國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，電力對社會(huì)發(fā)展的作用，愈來愈突出。與此同時(shí)，提供安全、經(jīng)濟(jì)、可靠和高質(zhì)量的，是供電部門最基本的要求。隨著對電能質(zhì)量要求的提高，對電力系統(tǒng)的可靠性及自動(dòng)化程度要求也越來越高，從發(fā)電，輸電到配電領(lǐng)域，對電氣設(shè)備的自動(dòng)化和智能化都提出了更高的要求。

斷路器在中、高壓配電系統(tǒng)中有著非常重要的作用，它既能在正常的工作情況下接通或分?jǐn)嘭?fù)載電流，而且當(dāng)系統(tǒng)由于故障處于過載、短路、欠壓等不正常的狀態(tài)情況下時(shí)也能夠及時(shí)自動(dòng)切斷故障電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)的用電設(shè)備和電纜等的作用。當(dāng)系統(tǒng)故障被排除后，斷路器又可以迅速地恢復(fù)正常供電。另外斷路器既可以近距離的就地操作，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的操作。上述斷路器所具有的各種優(yōu)點(diǎn)，使斷路器在低壓電氣裝置中得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)開關(guān)的動(dòng)作相位是隨機(jī)的，在接通和分?jǐn)嚯娏ο到y(tǒng)時(shí)容易產(chǎn)生很大的浪涌電流和很高的感應(yīng)過電壓，這導(dǎo)致降低開關(guān)設(shè)備的使用壽命和電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。研究斷路器的智能控制技術(shù)既對保證供電可靠性，穩(wěn)定性，及提高電能質(zhì)量，且對切實(shí)提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和設(shè)備的使用壽命有著重要意義。真空斷路器具有不易爆炸，低噪聲，體積小，高可靠性，檢修周期長等優(yōu)點(diǎn)，在35KV及以下電壓等級中占主導(dǎo)地位，廣泛用于配電系統(tǒng)。而配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器是將永久磁鐵引入操動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用永久磁鐵的能量作為合閘和分閘操作時(shí)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)及保持分合閘位置所需能量的一部分，無需傳統(tǒng)的機(jī)械脫扣及鎖扣裝置，這大大減少了動(dòng)作時(shí)間的分散性和不可控性，因此永磁機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)為斷路器的智能控制提供了條件。斷路器的智能化又是電力系統(tǒng)高可靠性及智能化的先決條件。 同步控制控制技術(shù)是指用配永磁機(jī)構(gòu)的真空開關(guān)在智能控制單元的控制下，在指定的系統(tǒng)相位角關(guān)合或分?jǐn)嚯娐?，使電?dòng)機(jī)、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)?？梢蕴岣吖╇姷目煽啃?、穩(wěn)定性，改善供電質(zhì)量。采用同步關(guān)合技術(shù)可以達(dá)到以下效果：

（1）幅值很大的涌流將導(dǎo)致斷路器觸點(diǎn)受損，變壓器繞組產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，保護(hù)繼電器誤動(dòng)作。過電壓可能導(dǎo)致設(shè)備局部放電。采用同步合閘可以減小涌流的幅值和電壓的擾動(dòng)，從限制瞬態(tài)電壓的效果和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，都比通常所用的預(yù)置合閘電阻和避雷器要好得多。

（2）提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在日益競爭激烈的能源市場中，電能質(zhì)量正在成為一個(gè)重要的性能指標(biāo)。開關(guān)操作的暫態(tài)過程對配電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生各種干擾，它們包括惡劣的電能質(zhì)量導(dǎo)致的保護(hù)不按時(shí)動(dòng)作和不可接受的過電壓導(dǎo)致的嚴(yán)重危害和早期故障。同步關(guān)合技術(shù)可以減小在對負(fù)載進(jìn)行合閘操作時(shí)電網(wǎng)設(shè)備所承受的過電流和過電壓的作用，有效的改善了電能質(zhì)量并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）延長了電器的使用壽命和檢修周期，降低了成本。同步關(guān)合技術(shù)的應(yīng)用使斷路器和電力系統(tǒng)中的其它電器在合閘操作中承受的過電流和過電壓大大減小，從而延長了使用壽命和檢修周期。

（4）提高設(shè)備分?jǐn)嗄芰?。高壓斷路器在合閘操作中，由于相位角是隨機(jī)的。這樣將會(huì)產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象，將觸頭由面接觸逐步變成點(diǎn)接觸。產(chǎn)生的火花、拉弧現(xiàn)象，極大地縮短了斷路器的使用壽命。采用同步關(guān)合技術(shù)在電壓過零點(diǎn)閉合電路，在電流過零點(diǎn)分?jǐn)嚯娐?，可以提高設(shè)備分?jǐn)嚯娏髂芰Α?/p>

三、新型永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器同步關(guān)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益分析

傳統(tǒng)的斷路器開關(guān)投切的暫態(tài)過程會(huì)帶來不同程度的負(fù)面效應(yīng)，而傳統(tǒng)抑制暫態(tài)過程的方法又存在諸多的不足。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電力用戶對電能質(zhì)量要求及供電可靠性要求越來越高，必須從根本上解決斷路器操作的暫態(tài)過程所引發(fā)的問題。同步關(guān)合技術(shù)是解決問題的方向，也是開關(guān)智能化的方向。開關(guān)智能化能夠減少設(shè)備成本，延長設(shè)備維修周期，減少諧波污染，提高供電質(zhì)量及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在成本上，同步關(guān)合技術(shù)較傳統(tǒng)方法相比，維修費(fèi)用可節(jié)省60%以上，資金總額可節(jié)省30%以上，而且在抑制重?fù)舸┈F(xiàn)象方面更有效。

雖然同步斷路器具有以上優(yōu)點(diǎn)，但是還存在若干難題尚在研究中。從目前的研究情況來看，在已投入使用的同步斷路器中，其智能化功能還有待進(jìn)一步提高，包括在斷路器上完成測量、保護(hù)、通信和智能操作等功能。人工智能技術(shù)（模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）在智能斷路器中的應(yīng)用有待深入研究。同步斷路器主要應(yīng)用于同步關(guān)合方面，比如無功補(bǔ)償電容器的同步關(guān)合、電抗器的同步關(guān)合等，對于同步分?jǐn)嗟难芯亢蛻?yīng)用相對較少；而且同步斷路器在我國還沒有實(shí)際生產(chǎn)。永磁機(jī)構(gòu)作為一種新型的斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)前還只用于較低電壓等級的斷路器操作中，對配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器的狀態(tài)監(jiān)測方面作的工作也不多。開發(fā)用于更高電壓等級的永磁機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更高電壓等級斷路器的同步操作尚在研究之中。

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