紀(jì)江輝, 孫廣濤, 李樹昆, 郅嬌嬌, 李燕燕
(許繼集團(tuán)有限公司,河南 許昌 461000)
直流輸電、配電技術(shù)與交流輸電、配電技術(shù)不同,具有損耗低、不產(chǎn)生無功功率、諧波小、易新能源接入的優(yōu)點(diǎn)[1-5]。目前,隨著我國新能源發(fā)電的快速發(fā)展和城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)電能質(zhì)量需求的提高,直流輸電和配電及直流微電網(wǎng)的發(fā)展將是未來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[6-7]。
直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)相比無過零點(diǎn),并且直流斷路器故障電流上升率較高,直流電網(wǎng)存在故障電流難以分?jǐn)嗟碾y題[8-12]。因此要求直流斷路器需具備快速分?jǐn)嗟奶攸c(diǎn)。目前研究較多的直流斷路器類型為混合式與機(jī)械式,兩種直流斷路器開斷電流的時(shí)間主要取決于其中的關(guān)鍵部件——機(jī)械式快速隔離開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間[13-15]。據(jù)調(diào)研目前應(yīng)用的快速隔離開關(guān),以電斥力操作機(jī)構(gòu)為主[6]。電斥力操作機(jī)構(gòu)依靠線圈通電迅速產(chǎn)生變化的磁場(chǎng),使金屬盤感應(yīng)渦流產(chǎn)生與線圈相反的感應(yīng)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)相互作用,產(chǎn)生電斥力,且產(chǎn)生電斥力勵(lì)磁時(shí)間極短,但電斥力機(jī)構(gòu)尚存在不足[16-26]:斥力機(jī)構(gòu)線圈需要近千伏、上萬微法的電容供電,體積較大、成本高;斥力機(jī)構(gòu)線圈的瞬時(shí)電流達(dá)到數(shù)萬安培,充放電及控制回路復(fù)雜;斥力機(jī)構(gòu)提供的瞬時(shí)加速度過大,需要機(jī)械部件具有較高的機(jī)械強(qiáng)度;斥力機(jī)構(gòu)在分閘時(shí)速度較大(達(dá)到10 m/s),分/合閘反彈難以控制。
針對(duì)以上問題,提出永磁機(jī)構(gòu)與氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)相結(jié)合的新型快速隔離開關(guān)。采用永磁雙向保持,利用氣體儲(chǔ)能,并采用線圈進(jìn)行脫扣的裝置,有效降低開關(guān)體積及成本,提高開關(guān)的機(jī)械可靠性。通過有限元仿真驗(yàn)證開關(guān)原理可行性,并根據(jù)仿真結(jié)果成功制作了20 kV直流快速隔離開關(guān)樣機(jī),試驗(yàn)研究證明其可行性。
快速操作機(jī)構(gòu)研究已有30余年,主要以電磁斥力為主。電磁斥力機(jī)構(gòu)如圖1所示,動(dòng)作原理參見文獻(xiàn)[6]。
快速隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)原理如圖2所示。
快速隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)原理動(dòng)作原理如下:
(1) 合閘過程。開關(guān)處于分閘狀態(tài),合閘電磁閥預(yù)導(dǎo)通,氣體進(jìn)入操作機(jī)構(gòu)內(nèi)部,此時(shí)永磁機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)吸力與負(fù)載合力大于氣體對(duì)活塞的壓力,機(jī)構(gòu)保持在分閘狀態(tài)。當(dāng)機(jī)構(gòu)接到合閘指令,機(jī)構(gòu)合閘線圈得電,產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消永磁體的磁場(chǎng);當(dāng)永磁吸力小于氣體壓力時(shí)機(jī)構(gòu)輸出軸開始動(dòng)作,由于氣體磁阻較大,動(dòng)鐵心一旦脫離下端蓋,永磁吸力迅速減小,氣體對(duì)活塞產(chǎn)生的壓力作為動(dòng)力使動(dòng)鐵心迅速到達(dá)合閘位置;在合閘位置,動(dòng)鐵心依靠永磁吸力進(jìn)行保持,合閘電磁閥斷電,氣體從電磁閥迅速排出,合閘過程完成。
(2) 合閘狀態(tài)。開關(guān)處于合閘狀態(tài),為了滿足快速分閘的需求,分閘電磁閥需打開,對(duì)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行儲(chǔ)能,儲(chǔ)能完畢,關(guān)閉電磁閥;并檢測(cè)儲(chǔ)氣罐的氣壓,當(dāng)氣壓小于設(shè)定值,電磁閥打開對(duì)儲(chǔ)氣罐補(bǔ)充氣體。
(3) 分閘過程。開關(guān)處于合閘狀態(tài),當(dāng)接到分閘命令,控制器給分閘線圈命令,分閘線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消永磁體在機(jī)筒中磁場(chǎng),使永磁吸力減小;氣體進(jìn)行預(yù)儲(chǔ)能,當(dāng)活塞受到的氣體壓力及負(fù)載合力大于永磁吸力時(shí),活塞將帶動(dòng)動(dòng)鐵心向分閘方向運(yùn)動(dòng);空氣的磁阻較大,當(dāng)活塞離開下端蓋后,電磁吸力迅速減小,氣體壓力與分閘負(fù)載形成合力,鐵心帶動(dòng)真空滅弧室動(dòng)端,迅速完成分閘(開關(guān)動(dòng)態(tài)耐壓時(shí)間在3 ms以內(nèi))。
快速隔離開關(guān)采用氣動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分閘,合閘過程與分閘過程相同。以下著重分析快速隔離開關(guān)的分閘仿真模型建立及仿真結(jié)果。
利用Infolytica MagNet,依托永磁機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行快速隔離開關(guān)的分閘仿真研究。采用氣體儲(chǔ)能,操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行程較小,忽略因氣缸行程變化對(duì)氣壓的影響,把氣體壓力與負(fù)載彈簧合力作為驅(qū)動(dòng)力設(shè)置到動(dòng)鐵心上,與分閘負(fù)載彈簧共同作為分閘的驅(qū)動(dòng)力;活塞的氣流通道在模型中未體現(xiàn)。仿真等效模型如圖3所示。參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 參數(shù)設(shè)置
主要提供一種永磁與氣動(dòng)相結(jié)合的快速操作機(jī)構(gòu)解決方案。分別對(duì)所提新型快速隔離開關(guān)和電斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真。根據(jù)仿真等效模型[6],新型快速隔離開關(guān)仿真結(jié)果如圖4所示,某電斥力機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果圖5所示。
由圖4可知,新型快速隔離開關(guān)分閘開距為6 mm,分閘時(shí)間為2.95 ms,可滿足快速分閘的需求。根據(jù)圖4與圖5參數(shù)對(duì)比可知,電斥力機(jī)構(gòu)在分閘時(shí),尤其在分閘的起始階段,提供的電斥力達(dá)到數(shù)萬、甚至數(shù)十萬牛頓,對(duì)快速隔離開關(guān)的機(jī)械強(qiáng)度要求較高,滅弧室、絕緣拉桿、傳動(dòng)桿、緩沖器需要特制。另外,分閘電流瞬間達(dá)到上萬安培,對(duì)分閘電容容量及充放電控制回路要求較高。綜合以上因素造成電斥力機(jī)構(gòu)的成本較高、體積較大、機(jī)械壽命難以提升的問題。而新型快速隔離開關(guān)提供的分閘動(dòng)力全行程變化均勻,在滿足快速分閘條件下,機(jī)械沖擊力相對(duì)較小。合/分閘電流相對(duì)較小,控制回路較簡(jiǎn)單,易提高快速隔離開關(guān)的機(jī)械壽命。新型快速隔離開關(guān)與電斥力機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比如表2所示。
表2 新型快速隔離開關(guān)與電斥力機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比
根據(jù)理論搭建原理型樣機(jī),測(cè)試電壓、氣壓可以調(diào)整,不同氣壓條件下分閘時(shí)間如表3所示。
表3 不同氣壓條件下分閘時(shí)間
隔離開關(guān)分/合閘曲線如圖6所示。
由圖6可知,分閘開距10 mm、氣壓1.0 MPa、分閘電壓400 V時(shí),對(duì)應(yīng)的分閘時(shí)間為2.4 ms;合閘開距為10 mm、氣壓1.0 MPa,合閘電壓400 V時(shí),對(duì)應(yīng)的合閘時(shí)間為8.5 ms。
提出的技術(shù)方案與采用電斥力操作機(jī)構(gòu)方案相比,在經(jīng)濟(jì)型、可靠性及小型化方面具有一定優(yōu)勢(shì)。
(1) 小型化角度分析:提出的技術(shù)方案中操作機(jī)構(gòu)與電磁操作機(jī)構(gòu)體積相當(dāng),但控制模塊無需大容量的合/分閘電容器組、充放電模塊、大功率電力電子器件。因此,與電斥力機(jī)構(gòu)的快速隔離開關(guān)相比,體積可減小50%以上。
(2) 經(jīng)濟(jì)性角度分析:提出的操作機(jī)構(gòu)無需使用大容量電容器、大功率電力電子器件及控制單元 、高強(qiáng)度的滅弧室等特制器件,預(yù)計(jì)可降低成本50%以上。
(3) 從可靠性角度分析:提出操作機(jī)構(gòu)與電斥力機(jī)構(gòu)相比,開關(guān)在合/分閘過程中受到的沖擊力較小,降低因合/分閘沖擊造成機(jī)械結(jié)構(gòu)、滅弧室等器件損壞幾率。另外,控制回路電流較小,提高控制回路的電氣壽命。因此,有利于提高快速隔離開關(guān)的機(jī)械壽命。
目前,彈簧操作機(jī)構(gòu)、永磁操作機(jī)構(gòu)在電力行業(yè)應(yīng)用較為廣泛,氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)在機(jī)車車載設(shè)備應(yīng)用較廣泛;結(jié)合氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、永磁操作機(jī)構(gòu)靈活性、快速性、經(jīng)濟(jì)型,可作為未來快速操作機(jī)構(gòu)發(fā)展的方向。另外,提出的快速隔離機(jī)構(gòu)暫不具備數(shù)毫秒內(nèi)完成快速重合閘,需要繼續(xù)深入研究。