高壓斷路器開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)研究＊

李少華,張一茗,張文濤,庚振新,李得祥

（1．平高集團(tuán)有限公司，河南平頂山 467001；2．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870）

1 引言

智能電網(wǎng)研究不僅能使電網(wǎng)高效運(yùn)行，電能合理分配，更能夠降低電網(wǎng)的安全事故，已經(jīng)越來(lái)越受到國(guó)家的支持[1-2]。高壓斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的保護(hù)設(shè)備，必然受到廣大電網(wǎng)科研工作者的關(guān)注[3-5]。本文屬于平高集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目《126kV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷路器伺服控制系統(tǒng)深化研究》中斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容，針對(duì)傳統(tǒng)儲(chǔ)能式操動(dòng)機(jī)構(gòu)分、合閘操作過(guò)程中運(yùn)動(dòng)不可控的缺陷，提出了基于電磁原理可實(shí)現(xiàn)智能操作的新型電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)有電機(jī)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠按照設(shè)定的特性曲線(xiàn)進(jìn)行動(dòng)作。通過(guò)電力電子器件搭建電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化操作[6-13]。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力系統(tǒng)帶電設(shè)備對(duì)直流電壓等級(jí)要求越來(lái)越高，高增益的電壓變換器受到了越來(lái)越多的關(guān)注[14-18]。多個(gè)級(jí)聯(lián)Boost變換器能夠滿(mǎn)足升壓功能，但是電壓增益比過(guò)高降低了升壓變換器的工作效率[19]。Z 源變換器克服了傳統(tǒng)電壓源和電流源變換器的缺點(diǎn)，但升壓能力不足，級(jí)聯(lián)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)方法可以提高電壓增益和轉(zhuǎn)換效率，但主電路拓?fù)浜涂刂茝?fù)雜，難以保證級(jí)聯(lián)Z 源阻抗網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。Cuk 和Sepic 轉(zhuǎn)換器采用電容電壓自舉技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓變換，雖然輸入電流和輸出電壓紋波小，控制電路簡(jiǎn)單，但升壓能力有限通過(guò)使用耦合電感來(lái)構(gòu)造高增益轉(zhuǎn)換器，可以獲得更好的升壓效果，但是耦合電感的增加了電壓應(yīng)力，增加了轉(zhuǎn)換器的工作損耗，降低了效率[20-22]，針對(duì)高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，提出了一種基于開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的升壓電路，該電路可控性高，無(wú)電壓不平衡現(xiàn)象，在能量守恒情況下，得到獲得最大驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，有效降低了電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間。

2 開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)原理分析

高壓真空電路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制裝置原理圖如圖1所示，包括整流器、開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和逆變器。開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其基本原理是通過(guò)改變電容器組的串聯(lián)或并聯(lián)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器直流端電壓等級(jí)的變換，控制方式上，配合驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置反饋和電壓反饋，使得開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中電容器組串聯(lián)和并聯(lián)方式更加靈活多變，可靠性更高。

圖1 斷路器開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)原理

圖2 開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)

在開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中采用規(guī)格相同的電容器元件，來(lái)克服電容器兩端電壓不平衡的缺陷，兩個(gè)電容器交叉連接，在兩組電容器陽(yáng)極和陰極之間各自串聯(lián)一個(gè)二極管，防止電容器網(wǎng)絡(luò)向高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)釋放能量時(shí)，能量在電容器之間互相充能，降低電能的使用效率。在給電容器組充電時(shí)開(kāi)關(guān)VD8 關(guān)斷，兩組電容器以并聯(lián)的形式并聯(lián)在整流器兩端，電容兩端并聯(lián)了電容傳感器，當(dāng)檢測(cè)到充電到目標(biāo)電壓時(shí)，停止充電，等接受到合閘或分閘指令時(shí)，開(kāi)關(guān)管VD8打開(kāi)，兩組電容以串聯(lián)的形式給高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)釋放能量，逆變器兩端的直流電壓提升一倍，根據(jù)電壓等級(jí)要求不同，可以來(lái)電路中電容的個(gè)數(shù)，本文中兩組電容即可以實(shí)現(xiàn)操作要求。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與直流電壓有關(guān)，提升電壓可以提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間，能有效的降低過(guò)電壓，提高電力系統(tǒng)的安全性。電容網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)電路

3 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)組成

高壓真空斷路器電機(jī)操動(dòng)裝置包括：控制裝置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和斷路器四部分組成，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。當(dāng)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器接收到控制指令時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使得絕緣拉桿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，完成斷路器的分閘或合閘過(guò)程。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)安裝有光電編碼器檢測(cè)實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)置，逆變器根據(jù)光電編碼器反饋的位置信息，實(shí)現(xiàn)位置換相。

圖4 高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為了克服傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)不可控的缺點(diǎn)，在高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中引入了智能化軟硬件控制系統(tǒng)。為了提高控制精度和處理速度，MCU 采用DSP28335 為控制芯片。硬件裝置包括：主要包括整流器、開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)、電壓傳感器、PWM 隔離驅(qū)動(dòng)器、DSP28335 處理器、霍爾電流傳感器、光電編碼器、低壓直流電源、ADC采集和通信單元等，軟件部分采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)分閘或合閘控制轉(zhuǎn)速和電流雙反饋的控制方式。高壓真空斷路器控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成

電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的工作過(guò)程是上位機(jī)發(fā)送充電指令，控制器開(kāi)啟開(kāi)關(guān)VD7，整流裝置開(kāi)始工作，市電經(jīng)過(guò)整流器給電容充電，電壓傳感器檢測(cè)到電壓值到達(dá)目標(biāo)時(shí)關(guān)斷開(kāi)關(guān)VD7，等待斷路器動(dòng)作指令。當(dāng)接收合閘指令時(shí)，開(kāi)關(guān)VD8 開(kāi)啟，逆變器端電壓翻倍，兩組電容以串聯(lián)的方式給電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)供電。分閘時(shí)，由于電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)受到合力矩對(duì)分閘過(guò)程有助力作用，因此不需要開(kāi)啟VD8 來(lái)降低分閘機(jī)械碰撞沖擊。DSP 控制器通過(guò)PWM隔離驅(qū)動(dòng)單元控制逆變器功率管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成分合閘操作，光電編碼器采集轉(zhuǎn)子位置信息反饋給控制器，霍爾電流傳感器采集繞組電流，經(jīng)過(guò)位置、速度和電流反饋，構(gòu)成了高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)三反饋控制系統(tǒng)。由于合閘過(guò)程中，直流電壓提高了一倍，合閘速度提高，降低了電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間，大大提高了電力系統(tǒng)的安全可靠性。

4 開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)

文章從兩方面開(kāi)展研究，首先驗(yàn)證電壓不同對(duì)高壓斷路器動(dòng)觸頭分閘或合閘速度影響，對(duì)不同直流電壓下所采集的角位移信息和剛合信號(hào)進(jìn)行采集分析。表1顯示了斷路器的主要參數(shù)。

表1 斷路器動(dòng)作參數(shù)

4.1 不同儲(chǔ)能電壓的開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證，分析使用開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)后對(duì)斷路器動(dòng)觸頭分閘和合閘過(guò)程中的速度影響。分別在200V和220V的操動(dòng)電壓下開(kāi)展高壓斷路器分合閘實(shí)驗(yàn)。圖6所示為不同儲(chǔ)能電壓下的合閘特性曲線(xiàn)。

圖6 不同操作電壓下的合閘曲線(xiàn)

圖6(a)為操作電壓200V 時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，斷路器合閘時(shí)間為86．4ms，重合閘時(shí)間為56ms，響應(yīng)時(shí)間為18ms，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)距離為38ms，第一個(gè)1/3行程為20mm，時(shí)間為10．2ms 平均速度為1．96m/s。圖6(b)為操作電壓220V時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，總合閘時(shí)間為80ms，行程時(shí)間52ms，機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間為15ms，觸頭行程為37ms，平均速度2．19m/s。

斷路器分閘時(shí)，由于受到彈簧彈力和重力的作用，總分閘轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)分閘起動(dòng)力的作用，因此分閘不需要太多的能量。本文在140V和150V的操作電壓下進(jìn)行分閘試驗(yàn)，圖7為不同儲(chǔ)能電壓下的分閘特性曲線(xiàn)。

圖7 不同電壓下的分閘曲線(xiàn)

圖7(a)為斷路器在140V操作電壓下的分閘特性曲線(xiàn)，斷路器分閘時(shí)間為82．3ms，平均分閘為1．50m/s，圖7(b)為斷路器在150V操作電壓下分閘實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，總分閘分閘時(shí)間76ms，行程時(shí)間為40ms，3/4平均分閘速度1．6m/s。

4.2 開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)升壓實(shí)驗(yàn)

開(kāi)展200V 操作電壓下開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的分合閘實(shí)驗(yàn)，并對(duì)斷路器動(dòng)觸頭分合閘動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，圖8為200V電壓下不同放電方式下的合閘特性曲線(xiàn)。圖8(a)為斷路器合閘時(shí)間為86．3ms，行程時(shí)間為56ms，電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間為18ms，開(kāi)距階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用時(shí)間為38ms，平均合閘速度為2m/s。圖8(b)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)下關(guān)合實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，合閘時(shí)間75．2ms，超程時(shí)間為36ms，行程階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用時(shí)間31ms，平均合閘速度2．7m/s。

圖8 不同電壓下的合閘特性曲線(xiàn)

開(kāi)展150V操作電壓下開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的分閘實(shí)驗(yàn)，并對(duì)斷路器動(dòng)觸頭分閘動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，圖9為150V電壓下不同放電方式下的分閘特性曲線(xiàn)。圖9(a)為斷路器合閘時(shí)間為76ms，行程時(shí)間為40ms，平均合閘速度為1．6m/s。圖9(b)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)下分閘實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，分閘時(shí)間51ms，超程時(shí)間為30ms，平均合閘速度3．3m/s。

圖9 150V電壓下的分閘曲線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，搭建了高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)升壓裝置，開(kāi)展了不同電壓等級(jí)下的斷路器分合閘實(shí)驗(yàn)和開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。并對(duì)得到的高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

驗(yàn)證了操作電壓對(duì)高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性影響，操作電壓由200V 提升到220V，斷路器合閘時(shí)間降低6．3ms，合閘速度提升0．24m/s；斷路器分閘時(shí)，操作電壓由140V 提升到150V，分閘時(shí)間降低6．5ms，分閘速度提高0．12m/s。

開(kāi)展了開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)下分合閘實(shí)驗(yàn)，單個(gè)電容電壓為200V，合閘時(shí)電容以傳亮方式供電，操作電壓為400V，與普通合閘實(shí)驗(yàn)相比，合閘時(shí)間減少了12ms，合閘速度提高0．7m/s。與普通的分閘實(shí)驗(yàn)相比，開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的分閘時(shí)間降低26ms，分閘速度提高了1．7m/s，在能量一定的情況下，開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)能明顯降低斷路器分、合閘時(shí)間，提升斷路器的分合閘速度，驗(yàn)證了開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)裝置對(duì)高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)有明顯積極的影響。