智能选相真空断路器的分析

方 彦

（西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710014）

随着电气化铁路运营里程的增长，高速、重载已成为电气化铁路发展的方向，这就要求牵引供电系统为电力机车提供更安全、经济、可靠和高质量的电能，自动过分相技术应运而生，但由于换相过程中极易产生过电压和合闸涌流，对牵引变压器的冲击很大，极大制约自动过分相技术的发展。

自动过分相转换装置的核心部件是真空负荷开关，而真空负荷开关的长寿命和可靠性是急需解决的问题。从技术上讲[1]，真空灭弧室技术的发展，使其电寿命大大增加。其机械寿命从传统的两千次跃增为几万次，因此，与其配合的操动机构的机械寿命及可靠性成为较突出的问题。传统的弹簧操动机构，结构复杂，零件数量多，且加工精度要求高；电磁机构虽然机构相对简单，零件数量少，但电源电压波动对合闸速度影响较大，操作电流大，无法调控分合闸速度和相位；使用寿命没有根本突破，对电力系统操作的过电压和合闸涌流的控制更无从谈起。永磁机构采用一种全新的工作原理和结构，工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱、锁扣装置，故障源少，可靠性较高，且使用寿命长，一般达十万次以上，同时控制分合闸相位，实现同步控制，从而减少过电压和涌流对系统的冲击，减少系统保护的投入，提高系统整体寿命。因此永磁操作机构是智能选相真空开关的必然选择[2]。

1 永磁机构工作原理

单稳态永磁机构的工作原理[3]如图1所示。当该机构处于合闸位时，如图1（a）所示，线圈中无电流通过，由永磁作用保持动铁心在上端。分闸时，特定方向的电流通过操作线圈，该电流在动铁心上端产生与永磁体磁场相反的磁场，使动铁心受到的磁吸力减小，当动铁心受到的向上的合力小于弹簧的拉力时，动铁心向下运动，实现分闸。当处于分闸位置，如图1（c）所示，操作线圈中通过与分闸操作相反的电流。该电流在静铁心上部产生与永磁体磁场方向相同的磁场，在动铁心下部产生与永磁体磁场相反的磁场，使动铁心下端所受到的磁吸力减小。当操作电流增大到一定值时，向上的电磁合力大于下端的吸力与弹簧的反力，动铁心向上运动，实现合闸。

图1 单稳态永磁机构工作原理示意图

2 智能选相原理

智能选相（同步关合技术）就是开关在电流或电压的过零点进行分、合闸操作，断路器分合闸时间的稳定性是实现同步开断的基本要求[4-5]。由于永磁机构的机构简单，传动部件少，相对弹簧机构而言，其分合闸时间的分散性较小，有利于发展为同步关合的断路器。关合相位控制方式如图2和图3所示。断路器在进行关合之前，因发生预击穿而使回路导通，即实现合闸，所以必须考虑预击穿对同步关合的影响，关合目标相位的选择应按一定的计算方法，根据断路器的关合速度进行确定断口间电压。

图2 相位控制原理图

图3 相位控制流程图

图3中，当同步控制器在时刻tcom接到合闸指令后，此时，预测出断路器的合闸时间Tclosing，根据断路器的关合速度，关合回路的电压以及关合时的预击穿，按照一定的计算方法，计算触头预期关合的最佳时刻tclose，为了使断路器在tclose点合闸 ，即在tcc点对断路器发出合闸指令，需计算出输出关合控制信号所需的延迟时间。微处理器的计算时间和检测到零点的时间为tw，经延迟时间Tcont后，控制器在时刻tcc输出关合控制信号。断路器在经Tmaking时间后，在时刻tmake关合电路。

为了计算出延迟时间Tcont，关合时，将断口间电压零点作为基准，使用距关合指令最近的零点时刻tzero计算延迟时间Tcont。零点时间tzero、指令输入时间tcom、关合控制信号输出时间tcc以及测量零点与计算所需时间Tw的关系式：

计算目标相位合闸，其关合控制信号输出时间tcc和零点时间tzero的差值须满足

将式（1）代入式（2）得：

式中，f为系统频率；n为一个整数值，且 Tcont≥0，且 Tcont为最小的整数值。

当输入操作指令后，检测下一零点，并以此为基准，让延迟时间变化进行相位控制延迟时间变化。

3 影响智能选相的因素及解决措施

智能选相(同步关合)技术的关键是操作精确性问题[6]，影响开关操作精度的主要因素为合闸相位角精度。合闸相位角精度主要取决于合闸时间的离散性、合闸控制信号的离散性和预击穿的影响，其中合闸时间的离散性又分为机械和电气两部分，具体原因分析和对应的措施如下：

1）机械部分的合闸时间离散性主要由传动环节的能量损耗的离散性，多次开断后触头表面烧损和温度变化引起永磁体矫顽力变化造成。传动环节过多使能量损耗和机构运动速度的影响因素增多，进而影响开关的关合速度离散性；触头烧损引起合闸时触头间距离发生变化导致合闸时间变化；永磁机构在使用中，永磁体的矫顽力随温度升高而降低，保持力相应由大变小，进而影响合闸起动时间和合闸速度。

解决措施：①采用独立操动、永磁机构与真空灭弧室直线布置的操动方式，减少传动环节，降低运动部件动能损耗的离散性，使开关每相均具有较好的机械合闸特性；②在永磁机构控制模块中加入一组自动校正单元，自动测量每一次操作，并依据这一测量结果，自动调整下一次操作的相关数据，使得开关的关合精度始终保持最佳状态。③由于永磁机构合闸时，永磁体的吸力只有在机构静铁芯间距极小时起作用，对关合时末速度的影响很小，如采用单稳态机构，永磁体矫顽力的变化对关合起始速度无影响，故可降低至忽略不计。

2）电气部分的合闸时间离散性由控制电压变化造成。永磁机构所采用的控制电压通常是电解电容充电后的电压，其大小直接影响合闸线圈中放电电流，因此必然对合闸时间产生影响。控制电路的设计方案和环境温度变化均造成控制电压的波动。不合理的电路设计使控制电压随电源电压的变化而波动；温度变化也将使电容器的电容量发生变化。

解决措施：①选择电容量随温度变化小的电解电容器；②合理设置稳压电路，使电解电容两端电压有效值稳定在设计值；③选择合适的大容量充电电容，以增大其放电电量，减小起始运动时放电电流的波动造成的起始运动时刻的波动。

3）控制信号的离散性是由测量误差和运算误差等因素构成。

解决措施：①在设计永磁机构控制单元时采用全电子智能化控制，由主开关电源、控制电源、电容器组、推挽驱动MOSFET开关器件、分合闸位置检测器、光隔离器、开关电压检测器等组成。②控制单元根据断口电压信号的采样，通过逻辑计算后发出分合闸指令。③通过高性能的电子元器件选用、严格的工艺和调试控制、合理的测量电路及运算电路设计来减小控制信号的离散。

4）预击穿的影响对于低压真空开关来说，在关合容性负载和感性负载时触头的预击穿时间均忽略不计。对于高压真空开关来说，在关合容性负载时，关合相位选在系统电压零点，由于在电压零点附近，电压较低，预击穿时间也可忽略不计；仅考虑高压时关合感性负载触头间预击穿的影响。

解决措施：①采用高绝缘性能真空灭弧室，使灭弧室内电场分布均匀合理，提高其耐压水平，减小灭弧室预击穿时触头间的距离；②高压真空开关在关合感性负载时，合闸相位选择在电压峰值后某一时刻，使触头发生预击穿时，即电路导通时电压正好处于峰值。

4 结论

智能选相真空断路器是为电气化铁路27.5 kV牵引变电所系统的要求而研制的，它采用永磁作机构，具有全新的工作原理和结构，工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱、锁扣装置，故障源少，可靠性较高和长使用寿命，一般机械寿命达十万次以上，同时可以控制分合闸相位，实现同步控制，减少过电压和涌流对系统的冲击，减少系统保护的投入，提高系统整机寿命。面向牵引变电所的新一代真空断路器，它以体积小、长寿命、免维护等特点，并通过选相投切来抑制过压、过流对电器设备的危害等贴近现场运行的实际需要为基本设计原则，为电气化铁路电容随机补偿，相分段自动转换技术，馈线智能保护提供设备基础。

[1]林 莘.现代高压电器技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]李建基.高中压开关设备实用技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]林 莘.永磁机构与真空断路器[M].北京：机械工业出版社，2003.

[4]李 利，徐建源.同步关合控制的研究[C].中国电工技术学会第五届全国智能化电器及其应用研讨会，西安，2001.

[5]李 利，徐建源.真空断路器的同步关合控制[C].全国电工理论与新技术2001年学术年会,保定，2001.

[6]段雄英，邹积岩，方春恩，等.相控真空开关同步电容器组控制策略及其实现[J].大连理工大学学报,2003，43（4）：457-460.