一種伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)
2017-7-31 來(lái)源：國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院 作者：朱世明 ，陳雋 ，夏天 ，唐誠(chéng)
摘要:介紹了高壓斷路器驅(qū)動(dòng)技術(shù)與智能化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一種由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)型式，其具有傳動(dòng)部件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、可以預(yù)先設(shè)置動(dòng)觸頭行程-時(shí)間曲線等優(yōu)點(diǎn)，滿足真正意義上的智能化斷路器的需求。
關(guān)鍵詞:伺服電機(jī)；斷路器；操動(dòng)機(jī)構(gòu)
0.引言
高壓斷路器在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著控制和保護(hù)的雙重重要任務(wù)，而其主要功能體現(xiàn)在動(dòng)觸頭的分合閘操作上，分合閘操作又是通過(guò)操動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的優(yōu)劣，對(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)主要有電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)[2]、氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)[3]等。傳統(tǒng)高壓斷路器目前存在著以下幾類問(wèn)題：（1）固有機(jī)械特性，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合（如同期合閘、容性負(fù)載開斷等）和不同應(yīng)用工況（開斷額定短路電流、額定電流和空載操作等）下無(wú)法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性的過(guò)程控制，只能以單一的速度特性進(jìn)行分閘和合閘的操作控制，靈活性差；（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，長(zhǎng)期靜置的高壓斷路器還存在因機(jī)構(gòu)粘滯、卡澀造成的動(dòng)作時(shí)間分散性大，難以滿足運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求的問(wèn)題，傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)此類問(wèn)題缺乏有效的防范措施和補(bǔ)償手段[4]；（3）傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性離線調(diào)整范圍有限，調(diào)整過(guò)程較為復(fù)雜，當(dāng)面對(duì)部分特殊場(chǎng)合時(shí)，往往需要更換操動(dòng)機(jī)構(gòu)才能滿足應(yīng)用需求，造成產(chǎn)品線過(guò)長(zhǎng)，不利生產(chǎn)和維護(hù)；（4）傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分合閘操作，多次操作過(guò)后機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛[5]；（5）此外，從檢修安全性考慮，傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用機(jī)械儲(chǔ)能方式，因機(jī)械儲(chǔ)能釋放異常引起的故障往往存在人身安全風(fēng)險(xiǎn)。為滿足生產(chǎn)、維護(hù)和應(yīng)用的需求，有必要積極展開具有在線補(bǔ)償能力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、動(dòng)作沖擊小、運(yùn)行維護(hù)安全等特點(diǎn)的新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)研究。
通信技術(shù)應(yīng)用到高壓開關(guān)設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備外圍的測(cè)量與控制。受操動(dòng)機(jī)構(gòu)限制，現(xiàn)行高壓斷路器尚無(wú)法對(duì)高壓斷路器的核心控制功能進(jìn)行智能化；此外，目前智能開關(guān)設(shè)備中的關(guān)鍵機(jī)械狀態(tài)參量只能在分合閘操作過(guò)程中量測(cè)，難以滿足“狀態(tài)維護(hù)”所需要的預(yù)判性要求。為滿足堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)要求，有必要積極開展具有柔性控制能力的新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)研究。
國(guó)內(nèi)外對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷路器已開展了大量研究，20 世紀(jì) 40 年代 ABB 就曾經(jīng)提出應(yīng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷路器運(yùn)動(dòng)的概念，但受電機(jī)功率密度、瞬時(shí)加速能力和控制技術(shù)的限制，這一想法始終難以實(shí)行。隨著現(xiàn)代稀土永磁電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)矢量控制技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，新型伺服電機(jī)及其控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)矩輸出能力、轉(zhuǎn)子慣量、響應(yīng)時(shí)間和隨動(dòng)能力上越來(lái)越接近斷路器操動(dòng)的要求，輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和能量的控制性能越來(lái)越高，這就為應(yīng)用于高壓斷路器的新型電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。由于其內(nèi)在的行程控制能力和反饋能力，基于電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的新一代智能斷路器可以補(bǔ)足智能控制上的短板，實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化斷路器。
1.目前行業(yè)內(nèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究進(jìn)展
電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷路器的原理即將電動(dòng)機(jī)與高壓斷路器直接連接，從而控制斷路器動(dòng)觸頭分合閘操作。目前國(guó)內(nèi)尚未生產(chǎn)配有電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的高壓斷路器投入運(yùn)行 ，但ABB公司已有成套產(chǎn)品（LTB-D 系列 72.5~145 k V 單相操動(dòng)或者三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)斷路器）投放市場(chǎng)。ABB 公司從 2000 年起應(yīng)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(guān)設(shè)備、GIS 及發(fā)電機(jī)斷路器。截至2005 年，已有 100 多臺(tái)配電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)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(gè)國(guó)家投入使用（見圖 1）。
2007 年，泰國(guó)購(gòu)買了一臺(tái) ABB 生產(chǎn)的配電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的高壓斷路器，也是亞洲實(shí)際運(yùn)行的第一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓斷路器（見圖 2）。國(guó)內(nèi)方面，盡管沒有 72.5 k V 及以上電壓等級(jí)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓斷路通過(guò)器投運(yùn)，但各大廠商都積極投入研究。目前，國(guó)內(nèi)已有 40.5 k V 和 126 k V 電壓等級(jí)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷路器樣機(jī)研制成功 。 其中 ，平高集團(tuán)研制 的LW0-126 電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷路器分閘速度已達(dá)到 5.2 m/s 并順利通過(guò)短路開斷型式試驗(yàn)，是國(guó)內(nèi)首個(gè)在 126 k V電壓等級(jí)上通過(guò)型式試驗(yàn)的電驅(qū)斷路器，代表國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)先水平。
圖 1 ABB 電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用情況
圖 2 ABB 配電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的高壓斷路器在泰國(guó)的應(yīng)用
電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷路器雖然目前通過(guò)了型式試驗(yàn)，但仍存在一定問(wèn)題，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）該斷路器伺服系統(tǒng)所用的核心設(shè)備分別是歐洲生產(chǎn)的伺服驅(qū)動(dòng)器和永磁同步電機(jī)，尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化；（2）該伺服系統(tǒng)是風(fēng)電、光伏專用設(shè)備，與斷路器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用差異較大，由于不掌握底層核心技術(shù)，設(shè)備不能從底層進(jìn)行二次開發(fā)，僅從應(yīng)用層面去適配斷路器驅(qū)動(dòng)需求非常困難；（3）該伺服系統(tǒng)價(jià)格昂貴，影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷路器的推廣應(yīng)用；（4）系統(tǒng)性能還需進(jìn)一步提高，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩輸出能力需進(jìn)一步提升，以實(shí)現(xiàn) 126 k V SF6高壓斷路器分閘操作的靈活控制與系列化應(yīng)用；（5）該操動(dòng)機(jī)構(gòu)輔助控制功能和可靠性設(shè)計(jì)尚不完善，難以適應(yīng)智能開關(guān)設(shè)備系統(tǒng)集成要求。
2.伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)
及其優(yōu)勢(shì)由于電機(jī)的機(jī)械特性具備可控性，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)為不同速度特性的斷路器分合閘操作提供了技術(shù)條件。電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)高壓斷路器原理圖如圖 3 所示，系統(tǒng)由交（直）流電源、儲(chǔ)能電容器、逆變電路、控制電路、永磁式同步電動(dòng)機(jī)組成。
圖 3 電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng) SF6高壓斷路器控制原理圖
電容器作為電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的儲(chǔ)能元件。斷路器在進(jìn)行分合閘操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要較大的瞬時(shí)電流，這時(shí)電動(dòng)機(jī)所需能量將由電容器提供，不會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生大的沖擊；當(dāng)電容器電壓下降到某一值時(shí)，由交（直）流電源對(duì)其進(jìn)行充電。
逆變電路由智能功率模塊（IPM）構(gòu)成，電動(dòng)機(jī)的電流信號(hào)通過(guò)霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)量，反饋給控制電路。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置由安裝在轉(zhuǎn)軸上的傳感器測(cè)出，斷路器動(dòng)觸頭的行程可由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置間接獲得。永磁式同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機(jī)相比，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點(diǎn)。和異步電動(dòng)機(jī)相比，它由于不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、控制性能好；但它與異步電機(jī)相比，也有成本高、起動(dòng)困難等缺點(diǎn)。和普通同步電動(dòng)機(jī)相比，它省去了勵(lì)磁裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)可以滿足高壓斷路器的動(dòng)作控制。驅(qū)動(dòng)器作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心部件，由于斷路器分合閘操作的特殊工況，要求其驅(qū)動(dòng)單元要有大的輸出功率，不同于一般的小功率伺服驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器采用短時(shí)工作制，一次開斷只需要幾十毫秒的時(shí)間。驅(qū)動(dòng)器要求短時(shí)輸出大功率，因此對(duì)于控制算法有特殊要求，屬于特殊定制型，驅(qū)動(dòng)器控制采用高性能數(shù)字信號(hào)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(jī)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(qū)動(dòng)器整體功能框圖如圖 4 所示。
圖 4 驅(qū)動(dòng)器整體功能框圖
電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）傳動(dòng)部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠；（2）可以預(yù)先設(shè)置理想的動(dòng)觸頭行程-時(shí)間曲線；（3）動(dòng)觸頭的動(dòng)作特性和斷路器的老化、環(huán)境溫度的變化無(wú)關(guān)；（4）本身具備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的條件，不需要額外的傳感器；（5）對(duì)電源要求低，不會(huì)引入大的暫態(tài)載荷，適用于交流或直流電源。
3.電機(jī)驅(qū)動(dòng)的難點(diǎn)
高壓斷路器的分合閘操作，是在短時(shí)內(nèi)進(jìn)行一個(gè)大操作功釋放的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)分、合閘的過(guò)程極短，僅為幾十毫秒。應(yīng)用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷路器分合閘，（1）首先需要電機(jī)具備高速下的大功率輸出能力和高瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩輸出能力；（2）為使電機(jī)出力盡可能的作用于推動(dòng)斷路器負(fù)載，電機(jī)本身轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)當(dāng)盡可能小；（3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接連接斷路器的轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于剛起動(dòng)即制動(dòng)的暫態(tài)過(guò)程，需要電機(jī)具有極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；（4）驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程的精確控制，需具備良好的伺服性能；這些要求對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)出適合高壓斷路器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)時(shí)間短、瞬時(shí)輸出力矩大等特點(diǎn)的伺服電機(jī)，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)和核心難點(diǎn)。
4.結(jié)論
（1）隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展、斷路器的裝用量越來(lái)越大，傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器在生產(chǎn)、運(yùn)維、操作和檢修環(huán)節(jié)中存在一些固有的問(wèn)題，迫切需要一種新型的、具有智能化操動(dòng)機(jī)構(gòu)型式的高壓斷路器。
（2）目前國(guó)內(nèi)、外的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)暫不適合斷路器的分合閘操作要求。針對(duì)高壓斷路器的驅(qū)動(dòng)需求，研制具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、高精度控制方法的伺服系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)高壓斷路器電機(jī)驅(qū)動(dòng)智能操動(dòng)機(jī)構(gòu)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。
（3）本文介紹的采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以預(yù)先設(shè)置理想的動(dòng)觸頭行程-時(shí)間曲線；滿足狀態(tài)監(jiān)測(cè)要求，不需要配置額外的傳感器；對(duì)電源要求低，廣泛適用于交流或直流電源。對(duì)提升一次設(shè)備智能化水平、提高斷路器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平具有重要意義，有實(shí)際應(yīng)用前景。
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