一種改進(jìn)后測(cè)量行程的斷路器脫扣裝置電路

歐志新

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市軌道交通與信息工程系，安徽 合肥 230051)

高壓斷路器是電網(wǎng)構(gòu)成不可缺少的組件，在電力生產(chǎn)中至關(guān)重要，當(dāng)其出現(xiàn)故障，必然給電力系統(tǒng)造成影響，威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行[1]。真空斷路器實(shí)現(xiàn)快速分合閘需要計(jì)算行程來檢測(cè)智能脫扣機(jī)構(gòu)的靈敏度，在機(jī)械設(shè)計(jì)中確保斷路器最大分合閘時(shí)間，電磁脫扣機(jī)構(gòu)在分合閘狀態(tài)保持時(shí)會(huì)自動(dòng)記錄分閘和合閘時(shí)間，一旦電機(jī)儲(chǔ)能結(jié)束觸發(fā)電磁鐵線圈得電，控制電路完成合閘和分閘。同時(shí)狀態(tài)被鎖閉，信號(hào)顯示電路會(huì)顯示合閘位和分閘位[2]。滅弧罩材質(zhì)和安裝位置不當(dāng)(真空泄露)會(huì)造成動(dòng)靜觸頭動(dòng)作快速切斷電弧，否則會(huì)燒毀觸頭和延遲電路控制分合閘時(shí)間延緩。主保護(hù)和備用保護(hù)會(huì)同時(shí)動(dòng)作，一般不用備用，如果時(shí)間響應(yīng)不夠，主保護(hù)不動(dòng)作，斷路器無法完成分合閘。

斷路器實(shí)際操作過程中，出現(xiàn)的問題：斷路器的實(shí)際操作中，由于每次操作斷路器分合閘，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和能量存儲(chǔ)都會(huì)相互作用而影響操動(dòng)系統(tǒng)，長(zhǎng)時(shí)間比如會(huì)造成真空滅弧能力的緩慢和不足，必須定時(shí)進(jìn)行檢測(cè)和參數(shù)測(cè)試，保持?jǐn)嗦菲饕欢ǖ拈_斷電流值和斷開容量。

本研究利用電機(jī)吸熱釋放多余能量被極性電容儲(chǔ)存，而在過電壓出現(xiàn)會(huì)保護(hù)電機(jī)的特點(diǎn)，而過電流出現(xiàn)時(shí)，分合閘電磁線圈會(huì)被二極管反向擊穿而得到保護(hù)[3]。

利用改進(jìn)智能脫扣裝置的目的就是啟動(dòng)能量?jī)?chǔ)存，合閘完成再閉鎖，釋能后解鎖再分閘，完成后再鎖閉分閘位狀態(tài)在安全可靠性操作方面具有自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和行程計(jì)算與響應(yīng)記錄優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)[4]，從觸頭接通到電弧完全熄滅的行程控制在預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)，智能脫扣器都會(huì)自動(dòng)記錄并反饋至遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)系統(tǒng)。

1 真空斷路器的結(jié)構(gòu)與功能

真空斷路器具備很強(qiáng)的滅弧和切斷短路電流的能力被廣泛應(yīng)用于電路中起到控制和保護(hù)的作用[5]。因采用真空作為滅弧介質(zhì)，無論在操作還是維護(hù)上都簡(jiǎn)單方便。

配合斷路器進(jìn)行倒閘操作和故障檢修等，是變配電系統(tǒng)中重要的線路與負(fù)荷控制的開關(guān)，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 斷路器結(jié)構(gòu)組成單元框圖

其功能主要是單元1控制模式的選擇確定后，單元2電機(jī)電動(dòng)儲(chǔ)能或手動(dòng)遙柄對(duì)分合閘彈簧進(jìn)行存儲(chǔ)，要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，否則電機(jī)造成接觸器觸點(diǎn)發(fā)熱而燒毀電磁線圈[6]。單元1進(jìn)行分合閘控制，單元3通過主軸和凸輪機(jī)構(gòu)將單元2能量固定進(jìn)行傳遞，作用在單元4觸頭系統(tǒng)并將其反饋至單元1。

2 斷路器的電路原理

1.1 電路原理分析

如斷路器分合閘電磁鐵線圈通電時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致線圈燒毀而電路斷開觸及開關(guān)五防失效，事故或故障發(fā)生幾率更大[7]。因此需要處理過電流瞬間吸收電機(jī)未釋放的能量。

所示圖2中電氣控制原則：(1)斷路器原始狀態(tài)(未儲(chǔ)能時(shí))斷開狀態(tài)，斷路器處于斷開狀態(tài)，此時(shí)GN紅燈亮，所有輔助開關(guān)SBT觸點(diǎn)和接觸器KM觸點(diǎn)全部斷開；(2)開始有分到合過程：第一次計(jì)算開關(guān)觸頭行程。

圖2 斷路器分合閘控制與信號(hào)回路示意圖

2.2 過電流保護(hù)與行程檢測(cè)

系統(tǒng)中的暫態(tài)電流包含衰減性非周期分量及小于N次諧波的各種整次倍頻諧波分量，則有如下表達(dá)式

(1)

也可以近似地線性化表示為

(2)

式中：I0為直流分量在t=0時(shí)的值；In為第n次諧波分量的幅值；λ為直流分量的衰減時(shí)間常數(shù)τ的倒數(shù)，λ=1/τ；φn為第n次諧波分量的幅角；ω1為基波角頻率。

假設(shè)某一相的電流在故障發(fā)生后的某一時(shí)間段內(nèi)有N個(gè)采樣數(shù)據(jù)，則可使用最小二乘法對(duì)這N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[8]。

(3)

式中：Q為表達(dá)式的極值；y電流實(shí)際值；t為抽樣時(shí)間，取值為1，2，…，N，s；y(t)為實(shí)際值；i(t)為擬合表達(dá)式。

根據(jù)式(2)、式(3)確定出系數(shù)I0、λ、Insinφn、Incosφn后，可以將此時(shí)間段以后的p個(gè)預(yù)測(cè)值求解出來[9]。然后，把預(yù)測(cè)值與實(shí)際值相減并求其絕對(duì)值，可求出p個(gè)畸變量值

(4)

式(2)和式(3)中，預(yù)測(cè)值和測(cè)量值利用比較誤差電流大小突變，解釋電流瞬時(shí)會(huì)造成電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)燒毀，和分合閘電磁線圈反響擊穿。控制響應(yīng)在表述中橫坐標(biāo)為動(dòng)作時(shí)間，縱坐標(biāo)為電流值峰值大小。

3 電磁脫扣器的結(jié)構(gòu)與功能

脫扣器與脫扣裝置本身聯(lián)作一體用于斷路器機(jī)械聯(lián)動(dòng)，是斷路器組成結(jié)構(gòu)中操動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要部分，包括能量存儲(chǔ)裝置、保持與脫扣機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)與控制聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)、時(shí)間延遲報(bào)警系統(tǒng)等組成[10]。

其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，增加了分合閘狀態(tài)閉鎖和時(shí)間響應(yīng)等機(jī)械閉鎖功能，快速計(jì)算與檢測(cè)分合閘操作顯示。

圖3 電磁脫扣裝置結(jié)構(gòu)組成框圖

斷路器在進(jìn)行分合閘的過程中，也是動(dòng)靜觸頭行程計(jì)算的過程，要求快速熄滅電弧并完成觸頭從接觸到超行程的全部距離。既要保持合閘和分閘具備解鎖功能，又要實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)在完全分合閘后不產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)構(gòu)零件碰撞和變形，不影響下一次分合閘再操作。

電磁脫扣器主要釋放斷路器保持狀態(tài)時(shí)接收斷開指令后的響應(yīng)。分合閘電磁線圈在電機(jī)儲(chǔ)能后，保持在動(dòng)作命令狀態(tài)，一旦接受分合閘指令，首先進(jìn)行脫扣解鎖，釋放合閘線圈能量后才可實(shí)現(xiàn)斷路器合閘操作，并在脫扣器中顯示合閘時(shí)間。此時(shí)合閘狀態(tài)被保持，鎖扣自動(dòng)閉合[11]。等待下一次分閘指令，再一次完整的分合閘操作過程中，有二次閉鎖和解鎖過程實(shí)現(xiàn)動(dòng)作時(shí)間不能超過觸發(fā)脫扣器動(dòng)作值，否則會(huì)造成電弧增大而觸頭燒損，影響下次分合閘操作行程的控制時(shí)間和狀態(tài)。

4 改進(jìn)后IGBT模塊與電路原理

4.1 電路結(jié)構(gòu)分析

圖示4為改進(jìn)后增加IGBT模塊的斷路器分合閘控制與信號(hào)回路圖。 (增加了IGBT模塊1-2，分別對(duì)應(yīng)斷路器合閘和分閘。包括元器件：IGBT晶體管和電容C)

圖4 IGBT投入斷路器控制與信號(hào)回路結(jié)構(gòu)圖

二極管具有保護(hù)分合閘電磁鐵反向擊穿的特性，一旦過電流，分合閘控制回路HQ，TQ線圈等得到有效保護(hù)，不會(huì)危害信號(hào)反饋回路，保障正常的操作和信號(hào)指示功能。

如圖5所示，未儲(chǔ)能，合閘指示燈RD不亮，分閘指示燈GN亮，合閘輔助開關(guān)SBT5-6斷開，分閘輔助開關(guān)SBT7-8閉合。

SP33-4常開接點(diǎn)斷開，SBT1-2常閉接點(diǎn)閉合，SBT3-4常開接點(diǎn)斷開，KM1不得電，KM2不得電，合閘時(shí)間繼電器SJ1斷開，分閘時(shí)間繼電器SJ2斷開。

圖5 改進(jìn)后IGBT檢測(cè)斷路器分合閘控制與信號(hào)回路示意圖

4.2 電路系統(tǒng)檢測(cè)原理

1.斷路器未接通電路時(shí)，其工作狀態(tài)是電機(jī)M無能量，斷路器閘刀處于斷開位，接地刀閉合[13]。2.開始儲(chǔ)能，完成斷路器由分閘到合閘的操作。合閘已經(jīng)完成并保持狀態(tài)，模塊4中SJ時(shí)間繼電器線圈得電，觸發(fā)常開接點(diǎn)閉合，自延遲3S后自動(dòng)切換故障點(diǎn)。保障合閘控制回路安全。

模塊2電機(jī)勵(lì)磁線圈W得電，剛好KM2接點(diǎn)閉合與KM1得電運(yùn)行方向相反，電機(jī)反轉(zhuǎn)。完成電機(jī)分閘操作需要的能量存儲(chǔ)要求。模塊4中分閘電磁鐵線圈TQ得電，分閘控制完成[15]。此時(shí)分閘接觸器線圈KM2得電，觸發(fā)模塊2中KM2接點(diǎn)斷開，防止電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間帶電燒毀。

此時(shí)，模塊3中，SBT7-8閉合信號(hào)燈GN綠燈亮，表示處于分閘狀態(tài)。SBT5-6斷開紅燈RD熄滅。

4.3 IGBT晶體管檢測(cè)原理

主要工作原理：IGBT具有三極管和電壓觸發(fā)的雙重特性，既可以當(dāng)開關(guān)通斷電路，也可以作為電壓繼電器保護(hù)設(shè)備[16]。對(duì)過電流影響范圍可控，只要電壓不高于觸發(fā)值，就不會(huì)燒斷電路。

電容具有能量吸收與存儲(chǔ)二次利用的特點(diǎn)，一旦出現(xiàn)電機(jī)儲(chǔ)能中斷或過電流諧波，電容C將多余的能量吸收，平穩(wěn)電機(jī)兩側(cè)的電壓，控制電流的大小，保護(hù)電機(jī)。

圖6 斷路器分合閘控制與信號(hào)反饋行程檢測(cè)(未加IGBT保護(hù))

圖7 斷路器分合閘控制與信號(hào)反饋行程檢測(cè)(投入IGBT晶體管保護(hù))

增加的IGBT模塊，主要實(shí)現(xiàn)二個(gè)方面的功能：如果只是正常的規(guī)范操作，沒有出現(xiàn)電路故障。增加的IGBT只要起到保護(hù)電磁鐵線圈模塊4和檢測(cè)信號(hào)模塊3的功能。IGBT模塊包括二個(gè)方面的理論運(yùn)用，一是二極管保護(hù)電磁分合閘線圈，防止過電流反向擊穿[17]。二是極性電容吸收過電壓多余能量，保護(hù)電機(jī)存儲(chǔ)，并反饋給信號(hào)系統(tǒng)。因?yàn)镮GBT晶閘管主要對(duì)電壓值增大響應(yīng)快速，而電流值影響很小。

IGBT模塊作用如上圖所述：① 在正常運(yùn)行時(shí)，二極管D導(dǎo)通，電容C斷開。起到保護(hù)分合閘電磁鐵線圈HQ，TQ和信號(hào)指示燈RD，GN反饋?zhàn)饔茫虎?一旦出現(xiàn)短路過電流，電機(jī)能量存儲(chǔ)未完成被自動(dòng)中斷和二極管D被擊穿。此時(shí)，電容C和IGBT分別作用于合閘控制回路和信號(hào)反饋回路中，有效的保護(hù)電機(jī)和防止諧波干擾信號(hào)系統(tǒng)。如果信號(hào)抑制和電壓過大，會(huì)直接觸發(fā)繼電保護(hù)，并將預(yù)警信號(hào)反饋至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。操作人員根據(jù)智能脫扣裝置修正參數(shù)快速斷開控制回路，確保時(shí)間響應(yīng)和行程計(jì)算一致。

如果一旦電機(jī)燒毀所有的電路系統(tǒng)都會(huì)中斷，模塊1開關(guān)控制和信號(hào)反饋都會(huì)失靈，模塊3信號(hào)系統(tǒng)和模塊4控制線圈和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，觸頭系統(tǒng)都停止運(yùn)行。

5 結(jié)論

變電所智能化與網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在故障檢測(cè)和繼電保護(hù)等方面都具備完善的保護(hù)措施，真空斷路器運(yùn)行的能量存儲(chǔ)是分合閘的前提，繼電器受電接通分合閘電磁線圈和觸點(diǎn)吸合，因此電機(jī)和電磁線圈防止被擊穿和燒毀具有重要的保護(hù)功能。結(jié)論從二個(gè)方面進(jìn)行闡述突出重點(diǎn)：(1)應(yīng)用特征是在變電所實(shí)驗(yàn)室具體設(shè)備操作與記錄過程中出現(xiàn)的問題，如果有操作順序錯(cuò)誤或者電路端子線接觸不良，出現(xiàn)短時(shí)過電流，會(huì)造成跳閘和線圈燒毀，增加二極管和IGBT會(huì)保護(hù)電磁線圈和電機(jī)，也可抑制過電壓與信號(hào)抑制濾波的發(fā)生。

(2)本研究利用電機(jī)吸熱釋放多余能量被極性電容儲(chǔ)存，而在過電壓出現(xiàn)會(huì)保護(hù)電機(jī)的特點(diǎn)，而過電流出現(xiàn)時(shí)，分合閘電磁線圈會(huì)被二極管反向擊穿而得到保護(hù)。所以利用改進(jìn)智能脫扣裝置的目的就是啟動(dòng)能量?jī)?chǔ)存，合閘完成再閉鎖，釋能后解鎖再分閘，完成后再鎖閉分閘位狀態(tài)。

改進(jìn)后的控制與信號(hào)電路與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)配套，完成真空斷路器設(shè)備分合閘時(shí)間響應(yīng)記錄和行程計(jì)算可控，在故障檢測(cè)與IGBT模塊抑制過電流與保護(hù)方面應(yīng)用效果良好。