電力電氣自動(dòng)化系統(tǒng)及元件技術(shù)研究

呂一凡

（國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司長(zhǎng)春供電公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引 言

科學(xué)技術(shù)的突破，為電力發(fā)展提供了基礎(chǔ)。電力的發(fā)展，則給科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步提供了新挑戰(zhàn)和新方向。電力的發(fā)展不僅促進(jìn)了電力工作系統(tǒng)的提高，也讓人民的生活越加豐富多彩。如何更好地運(yùn)用自動(dòng)化生產(chǎn)促進(jìn)電力電氣的進(jìn)一步發(fā)展，必須著眼于自動(dòng)化元件，力求不斷地突破和改善，促進(jìn)電力電氣不斷發(fā)展。自動(dòng)化技術(shù)不僅運(yùn)用在電力電氣行業(yè)，很多生活領(lǐng)域也都有自動(dòng)化的身影，如出行的交通工具、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化機(jī)械等。人民的生活日益改善，生活結(jié)構(gòu)愈發(fā)多樣化，也對(duì)電力需求提出了更高要求。要使需求得以實(shí)現(xiàn)，就要不斷加強(qiáng)現(xiàn)階段對(duì)自動(dòng)化元件技術(shù)的研究和運(yùn)用。要更好地實(shí)現(xiàn)電力電氣自動(dòng)化轉(zhuǎn)變，就要著眼于元件技術(shù)的突破與運(yùn)用和電力電氣系統(tǒng)的更新與升級(jí)兩個(gè)方面。

1 電力電氣自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展

1.1 電子開(kāi)關(guān)

開(kāi)關(guān)是電力電氣設(shè)備的重要組成構(gòu)件，主要用于控制電力電氣設(shè)備運(yùn)行。開(kāi)關(guān)作為一個(gè)基本性元件，基本依靠交流變頻的動(dòng)力原理運(yùn)作。因此，世界上的第一批電子開(kāi)關(guān)就是交流變頻型開(kāi)關(guān)。之后，在自動(dòng)化技術(shù)日漸成熟的推動(dòng)下，技術(shù)人員發(fā)明了全控制式電子開(kāi)關(guān)。全控制型開(kāi)關(guān)并沒(méi)有完全滿足現(xiàn)今電力電氣設(shè)備的要求，而是在全控制型開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上研發(fā)了復(fù)合型電子開(kāi)關(guān)。復(fù)合型電子開(kāi)關(guān)的問(wèn)世，加速了功率集成化電路電子設(shè)備。復(fù)合型電子開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)階段的電力電氣設(shè)備設(shè)施中[1]。

1.2 電路的發(fā)展

電力電氣設(shè)備的發(fā)展中，不單單只有復(fù)合式開(kāi)關(guān)應(yīng)用了自動(dòng)化技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，電力系統(tǒng)的電路中也逐步采用了自動(dòng)化技術(shù)，電路的頻率實(shí)現(xiàn)了由低到高的轉(zhuǎn)變。普通晶閘管的應(yīng)用方式主要利用整流來(lái)有效控制直流傳動(dòng)轉(zhuǎn)換器的工作。使直流傳送變化器能夠恰當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)同交流變頻傳動(dòng)之間的交叉作業(yè)工作模式，能夠通過(guò)由此形成的交流-直流-交流變頻傳動(dòng)方式，保證電路高效率運(yùn)行[2]。幾十年來(lái)，電力電氣設(shè)備的零部件不斷革新發(fā)展，其中PWM轉(zhuǎn)換器逐漸得到了大家的關(guān)注。這個(gè)變換器可以大幅提高利用率，不僅提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行功效，而且降低了高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，保障了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。此外，它還提供了有效的解決措施用于電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)作中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。雖然PWM轉(zhuǎn)換器的作用巨大，但是實(shí)際運(yùn)行中也存在一些弊端。針對(duì)弊端進(jìn)行有效處理的過(guò)程中，新型的諧振式直流逆變器電路應(yīng)運(yùn)而生。

1.3 其他自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展

電力電氣系統(tǒng)的發(fā)展不能單方面發(fā)展，必然是整體的共同進(jìn)步。所以，除了上述的電子開(kāi)關(guān)和電路的自動(dòng)化發(fā)展，其余部分也采用自動(dòng)化技術(shù)得到了實(shí)質(zhì)性的突破發(fā)展，如變頻器和調(diào)速器。自動(dòng)化的發(fā)展離不開(kāi)現(xiàn)代科技實(shí)力的支持。依托于科學(xué)技術(shù)的突破，電力電氣系統(tǒng)不斷革新，不斷提高自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)中國(guó)電力企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

2 電力電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的功能作用

在電力電氣系統(tǒng)發(fā)展中引進(jìn)自動(dòng)化建設(shè)的主要原因在于，自動(dòng)化建設(shè)具有全面性。從它的發(fā)展?jié)摿ι峡纯梢园l(fā)現(xiàn)，它不但可以保證電力電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性，還可以在自動(dòng)化排查中及時(shí)檢查出運(yùn)行安全問(wèn)題。由于電力系統(tǒng)是復(fù)雜且浩大的工程系統(tǒng)，往往不能及時(shí)檢查出問(wèn)題，而自動(dòng)化系統(tǒng)有效解決了這個(gè)問(wèn)題，并且能夠提出有效的措施給予解決。所以，自動(dòng)化系統(tǒng)能夠幫助電力事業(yè)走向國(guó)際。此外，從單元機(jī)本身的運(yùn)行特征和電氣控制方面的獨(dú)特性可以得出，電力電氣系統(tǒng)的功能在實(shí)際運(yùn)用中主要從三個(gè)方面展現(xiàn)。第一，它可以通過(guò)對(duì)變組的控制措施，有效保障廠高變的安全，進(jìn)而對(duì)磁變壓器安全運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視。第二，能夠充分保障通過(guò)26 kV高壓廠對(duì)電源實(shí)施安全監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)廠用電壓之間的輕松切換，保證監(jiān)控裝置的有效狀態(tài)，并可以自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)和緊急關(guān)閉。還能夠有效操控高壓變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，使2臺(tái)機(jī)器聯(lián)合運(yùn)行，且220 kV開(kāi)關(guān)和500 kV開(kāi)關(guān)可以聯(lián)合應(yīng)用在自動(dòng)化和手工化之間[3]。第三，變組電壓器和隔斷開(kāi)關(guān)的完美控制和不出差錯(cuò)的操作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓裝置的監(jiān)控。

3 主要的電力電氣自動(dòng)化元件技術(shù)

3.1 全控型電力電子開(kāi)關(guān)逐步取代半控型晶閘管

目前，在我國(guó)研究電流電壓定額的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)將開(kāi)關(guān)的時(shí)間作為變量進(jìn)行不同組實(shí)驗(yàn)，測(cè)試每個(gè)元件在變量控制下的應(yīng)有作用。在與之相關(guān)的技術(shù)推動(dòng)下，交流變頻器得到了廣泛關(guān)注，并推動(dòng)了很多全控制型元件的誕生和發(fā)展。其中，發(fā)展最好的是GTR全控式器件，但它本身容易受到各種因素的誘導(dǎo)，在實(shí)際運(yùn)作中出現(xiàn)了各種問(wèn)題，且維護(hù)困難。因?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)人員在設(shè)計(jì)器件時(shí)為了突出它的獨(dú)特性，將重心放在了設(shè)計(jì)保護(hù)線路上，缺乏對(duì)線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致其線路復(fù)雜，技術(shù)人員通常很難第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)線路的走向。

3.2 交流調(diào)速控制理論日漸成熟

交流調(diào)速理論日趨成熟，現(xiàn)今主要運(yùn)用的是高靜動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速方法。它的主要優(yōu)勢(shì)是控制思想獨(dú)一無(wú)二，控制結(jié)構(gòu)清晰明了，手段控制容易上手，接收信號(hào)處理清楚明白。具有上述優(yōu)勢(shì)，主要在于它運(yùn)用了直接轉(zhuǎn)矩控制和空間向量分析法。

4 電力電氣自動(dòng)化元件技術(shù)的運(yùn)用

追本溯源，電力電氣自動(dòng)化設(shè)備是由功能不同、互相合作的自動(dòng)化元件組成。要發(fā)展自動(dòng)化元件技術(shù)，深入了解目前的自動(dòng)化元件組成原理是必不可少的基礎(chǔ)性工作。當(dāng)前，人民的出行方式、生活方式的提高，很大程度上得益于形形色色的自動(dòng)化元件技術(shù)的運(yùn)用。電力電氣系統(tǒng)本質(zhì)上屬于高新技術(shù)工程，因此對(duì)自動(dòng)化技術(shù)提出了更高要求。技術(shù)人員的科學(xué)素質(zhì)也應(yīng)該達(dá)到同樣的程度，才能滿足目前電氣電力工程的發(fā)展。目前，主要的研究方向?yàn)槿绾胃玫赝晟瓶刂圃?，是否能夠在變換器方面實(shí)現(xiàn)頻率優(yōu)化，進(jìn)一步發(fā)展調(diào)速控制技術(shù)，還有電路集成化和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)化。

4.1 半控制晶匣管被全控型電力元件取代

半控制晶匣管在世界電器領(lǐng)域大放異彩時(shí)，我國(guó)正處于發(fā)展起步階段的電力產(chǎn)品也運(yùn)用的此技術(shù)?，F(xiàn)在，半控制晶匣管仍在部分電器產(chǎn)品中使用。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電子領(lǐng)域不斷實(shí)現(xiàn)突破，能夠?qū)崿F(xiàn)全控制的GTO、GTB等新時(shí)代電子開(kāi)關(guān)設(shè)備，為新的電器發(fā)展注入了一劑強(qiáng)心劑。因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品需要的開(kāi)關(guān)電流額度在不同時(shí)期有所不同，所以需要根據(jù)電器的具體運(yùn)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)不同的控制程序。GTO是一種使用門(mén)極進(jìn)行斷開(kāi)的高壓性質(zhì)元件，但是由于它增加的效益略低，要充分運(yùn)用它的優(yōu)勢(shì)，目前的技術(shù)還不成熟，所以給它的發(fā)展帶來(lái)了限制。此外，GTP的主要特點(diǎn)是參數(shù)影響對(duì)各種電器的控件表現(xiàn)得比較明顯。為了使它能夠更好地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)人員主要將重心放在了電路和驅(qū)動(dòng)的保護(hù)機(jī)制上，導(dǎo)致電路比較復(fù)雜且加大了電路壓力。

4.2 變換器的電路由低頻向高頻方向改變

在現(xiàn)在科技的助推力下，電器研發(fā)中的電子元件技術(shù)不斷發(fā)展、完善，在元件組成中占據(jù)重要地位的變換器也得到了革新，更加能夠適應(yīng)目前的發(fā)展形勢(shì)。以往的主要使用形式中，晶匣管主要用控制支流的傳動(dòng)變化器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。對(duì)功率需求的提高，促使了新一代電子元件的誕生。不僅降低了不利電波對(duì)電路的威脅，還完成了頻率由低到高的轉(zhuǎn)變。在PWM變換器中，主要通過(guò)改變電流電壓來(lái)降低電波可能會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生的不良影響。但是，還存在一些瑕疵，如電機(jī)繞組的存在會(huì)在工作時(shí)產(chǎn)生不小的噪音。高壓環(huán)境下，電器元件可能會(huì)出現(xiàn)電流突然中斷甚至關(guān)閉的情況，這為此技術(shù)的運(yùn)用帶來(lái)了機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)。

4.3 交流調(diào)速控制技術(shù)日益成熟

目前的設(shè)計(jì)方式主要是改善改良支流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與控制方式，通過(guò)空間矢量的控制對(duì)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和磁場(chǎng)分量進(jìn)行研究。在支流電動(dòng)機(jī)研究模式中，可利用空間坐標(biāo)原理優(yōu)化電子元件的物理原型。及時(shí)檢測(cè)元件產(chǎn)生的磁鏈方向，之后利用磁場(chǎng)定向使其對(duì)PWM信號(hào)產(chǎn)生反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子開(kāi)關(guān)的有效控制和提高效率[4]。雖然這種方式簡(jiǎn)化了空間矢量和電子數(shù)學(xué)的復(fù)雜度，但也會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)子回路時(shí)間常數(shù)的變化而在性能方面產(chǎn)生很大影響。

5 結(jié) 論

隨著越來(lái)越多的高新技術(shù)引進(jìn)電力電氣行業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，將會(huì)再一次在電子產(chǎn)品市場(chǎng)中掀起一番大變革，將會(huì)為電器企業(yè)的高新技術(shù)發(fā)展指明方向并注入動(dòng)力。如何在當(dāng)今種類數(shù)不勝數(shù)、功能各不相同的電子產(chǎn)品市場(chǎng)中占領(lǐng)市場(chǎng)先機(jī)，將自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用于新產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的使用率成為必然的趨勢(shì)和潮流。如何更好地將全控制技術(shù)與實(shí)際電器相結(jié)合，離不開(kāi)諸多科研人員的默默奉獻(xiàn)。只有不斷努力、不斷革新技術(shù)，才能不斷推動(dòng)電力企業(yè)不斷向前發(fā)展。

[1] 孫 鑫.電力電氣自動(dòng)化系統(tǒng)及元件技術(shù)的運(yùn)用[J].中國(guó)高新區(qū)，2017，（23）：110.

[2] 謝龍偉.電力電氣自動(dòng)化在電力工程中的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī)，2017，48（18）：85.

[3] 齊秀鋒.淺談電力電氣自動(dòng)化系統(tǒng)及元件技術(shù)的運(yùn)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2016，（6）：7.

[4] 賴佩坤.論電氣自動(dòng)化控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].通訊世界，2014，（14）：53-54.