一種伺服電機驅動的斷路器操動機構
2017-7-31 來源：國網湖北省電力公司電力科學研究院 作者：朱世明 ，陳雋 ，夏天 ，唐誠
摘要:介紹了高壓斷路器驅動技術與智能化技術的發展現狀，提出了一種由伺服電機驅動高壓斷路器的操動機構型式，其具有傳動部件少、結構簡單可靠、可以預先設置動觸頭行程-時間曲線等優點，滿足真正意義上的智能化斷路器的需求。
關鍵詞:伺服電機；斷路器；操動機構
0.引言
高壓斷路器在電力系統中承擔著控制和保護的雙重重要任務，而其主要功能體現在動觸頭的分合閘操作上，分合閘操作又是通過操動機構來實現的。因此，操動機構的工作性能和質量的優劣，對高壓斷路器的工作性能和可靠性起著重要的作用[1]。目前比較常用的操動機構主要有電磁操動機構、彈簧操動機構[2]、氣動操動機構和液壓操動機構[3]等。傳統高壓斷路器目前存在著以下幾類問題：（1）固有機械特性，在不同的應用場合（如同期合閘、容性負載開斷等）和不同應用工況（開斷額定短路電流、額定電流和空載操作等）下無法進行運動特性的過程控制，只能以單一的速度特性進行分閘和合閘的操作控制，靈活性差；（2）現場實際應用中，長期靜置的高壓斷路器還存在因機構粘滯、卡澀造成的動作時間分散性大，難以滿足運行標準要求的問題，傳統操動機構對此類問題缺乏有效的防范措施和補償手段[4]；（3）傳統機構運動特性離線調整范圍有限，調整過程較為復雜，當面對部分特殊場合時，往往需要更換操動機構才能滿足應用需求，造成產品線過長，不利生產和維護；（4）傳統機構進行分合閘操作，多次操作過后機構會產生應力松弛[5]；（5）此外，從檢修安全性考慮，傳統操動機構均采用機械儲能方式，因機械儲能釋放異常引起的故障往往存在人身安全風險。為滿足生產、維護和應用的需求，有必要積極展開具有在線補償能力、結構簡單、可靠性高、動作沖擊小、運行維護安全等特點的新型操動機構研究。
通信技術應用到高壓開關設備上，實現設備外圍的測量與控制。受操動機構限制，現行高壓斷路器尚無法對高壓斷路器的核心控制功能進行智能化；此外，目前智能開關設備中的關鍵機械狀態參量只能在分合閘操作過程中量測，難以滿足“狀態維護”所需要的預判性要求。為滿足堅強智能電網建設要求，有必要積極開展具有柔性控制能力的新型操動機構研究。
國內外對電機驅動斷路器已開展了大量研究，20 世紀 40 年代 ABB 就曾經提出應用電機驅動斷路器運動的概念，但受電機功率密度、瞬時加速能力和控制技術的限制，這一想法始終難以實行。隨著現代稀土永磁電機技術、電力電子技術、電機矢量控制技術和機械設計技術的快速發展，新型伺服電機及其控制系統在轉矩輸出能力、轉子慣量、響應時間和隨動能力上越來越接近斷路器操動的要求，輸出轉角、轉速和能量的控制性能越來越高，這就為應用于高壓斷路器的新型電動機操動機構奠定了基礎。由于其內在的行程控制能力和反饋能力，基于電機操動機構的新一代智能斷路器可以補足智能控制上的短板，實現真正意義上的智能化斷路器。
1.目前行業內電機驅動研究進展
電機驅動斷路器的原理即將電動機與高壓斷路器直接連接，從而控制斷路器動觸頭分合閘操作。目前國內尚未生產配有電動機操動機構的高壓斷路器投入運行 ，但ABB公司已有成套產品（LTB-D 系列 72.5~145 k V 單相操動或者三相機械聯動斷路器）投放市場。ABB 公司從 2000 年起應用于單相操作和三相操作瓷柱式斷路器、罐式斷路器、PASS 緊湊型開關設備、GIS 及發電機斷路器。截至2005 年，已有 100 多臺配電動機操動機構的高壓斷路器在瑞典、丹麥、意大利、澳大利、新西蘭、阿根廷等 17 個國家投入使用（見圖 1）。
2007 年，泰國購買了一臺 ABB 生產的配電動機操動機構的高壓斷路器，也是亞洲實際運行的第一臺電機驅動高壓斷路器（見圖 2）。國內方面，盡管沒有 72.5 k V 及以上電壓等級的電機驅動高壓斷路通過器投運，但各大廠商都積極投入研究。目前，國內已有 40.5 k V 和 126 k V 電壓等級的電機驅動斷路器樣機研制成功 。 其中 ，平高集團研制 的LW0-126 電機驅動斷路器分閘速度已達到 5.2 m/s 并順利通過短路開斷型式試驗，是國內首個在 126 k V電壓等級上通過型式試驗的電驅斷路器，代表國內在該領域內的領先水平。
圖 1 ABB 電動機操動機構的應用情況
圖 2 ABB 配電動機操動機構的高壓斷路器在泰國的應用
電機驅動斷路器雖然目前通過了型式試驗，但仍存在一定問題，具體體現在以下幾個方面：（1）該斷路器伺服系統所用的核心設備分別是歐洲生產的伺服驅動器和永磁同步電機，尚未實現國產化；（2）該伺服系統是風電、光伏專用設備，與斷路器驅動應用差異較大，由于不掌握底層核心技術，設備不能從底層進行二次開發，僅從應用層面去適配斷路器驅動需求非常困難；（3）該伺服系統價格昂貴，影響電機驅動斷路器的推廣應用；（4）系統性能還需進一步提高，瞬時轉矩輸出能力需進一步提升，以實現 126 k V SF6高壓斷路器分閘操作的靈活控制與系列化應用；（5）該操動機構輔助控制功能和可靠性設計尚不完善，難以適應智能開關設備系統集成要求。
2.伺服電機驅動的斷路器操動機構
及其優勢由于電機的機械特性具備可控性，因此電機驅動操動機構為不同速度特性的斷路器分合閘操作提供了技術條件。電動機直接驅動高壓斷路器原理圖如圖 3 所示，系統由交（直）流電源、儲能電容器、逆變電路、控制電路、永磁式同步電動機組成。
圖 3 電動機直接驅動 SF6高壓斷路器控制原理圖
電容器作為電動機操動機構中的儲能元件。斷路器在進行分合閘操作時，驅動系統需要較大的瞬時電流，這時電動機所需能量將由電容器提供，不會對電源產生大的沖擊；當電容器電壓下降到某一值時，由交（直）流電源對其進行充電。
逆變電路由智能功率模塊（IPM）構成，電動機的電流信號通過霍爾傳感器進行測量，反饋給控制電路。電動機的轉速和轉子位置由安裝在轉軸上的傳感器測出，斷路器動觸頭的行程可由電動機轉子位置間接獲得。永磁式同步電動機結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數可測、控制性能好；但它與異步電機相比，也有成本高、起動困難等缺點。和普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結構，提高了效率。永磁同步電機矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統可以滿足高壓斷路器的動作控制。驅動器作為電機驅動操動機構的核心部件，由于斷路器分合閘操作的特殊工況，要求其驅動單元要有大的輸出功率，不同于一般的小功率伺服驅動器。驅動器采用短時工作制，一次開斷只需要幾十毫秒的時間。驅動器要求短時輸出大功率，因此對于控制算法有特殊要求，屬于特殊定制型，驅動器控制采用高性能數字信號處理器，功率回路采用PWM 控制的逆變器，控制策略采用矢量控制。交流電機伺服控制器硬件上大體上可以分為控制電路和功率逆變電路兩大部分。驅動器整體功能框圖如圖 4 所示。
圖 4 驅動器整體功能框圖
電動機操動機構與傳統操動機構相比，具有以下優點：（1）傳動部件少，結構簡單可靠；（2）可以預先設置理想的動觸頭行程-時間曲線；（3）動觸頭的動作特性和斷路器的老化、環境溫度的變化無關；（4）本身具備狀態監測的條件，不需要額外的傳感器；（5）對電源要求低，不會引入大的暫態載荷，適用于交流或直流電源。
3.電機驅動的難點
高壓斷路器的分合閘操作，是在短時內進行一個大操作功釋放的過程，實現分、合閘的過程極短，僅為幾十毫秒。應用伺服電機驅動斷路器分合閘，（1）首先需要電機具備高速下的大功率輸出能力和高瞬時轉矩輸出能力；（2）為使電機出力盡可能的作用于推動斷路器負載，電機本身轉子慣量應當盡可能小；（3）驅動電機直接連接斷路器的轉軸，驅動電機處于剛起動即制動的暫態過程，需要電機具有極快的動態響應能力；（4）驅動電機需要實現對動觸頭運動過程的精確控制，需具備良好的伺服性能；這些要求對電機設計提出了挑戰。設計出適合高壓斷路器驅動應用的具有響應速度快、轉動慣量小、動態時間短、瞬時輸出力矩大等特點的伺服電機，是電機驅動斷路器操動機構的關鍵點和核心難點。
4.結論
（1）隨著電網的快速發展、斷路器的裝用量越來越大，傳統操動機構的斷路器在生產、運維、操作和檢修環節中存在一些固有的問題，迫切需要一種新型的、具有智能化操動機構型式的高壓斷路器。
（2）目前國內、外的伺服驅動系統暫不適合斷路器的分合閘操作要求。針對高壓斷路器的驅動需求，研制具有高動態響應能力、高精度控制方法的伺服系統，是實現高壓斷路器電機驅動智能操動機構的難點和關鍵。
（3）本文介紹的采用伺服電機驅動斷路器的操動機構，可以預先設置理想的動觸頭行程-時間曲線；滿足狀態監測要求，不需要配置額外的傳感器；對電源要求低，廣泛適用于交流或直流電源。對提升一次設備智能化水平、提高斷路器的技術經濟水平具有重要意義，有實際應用前景。
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