高压断路器操作智能化的研究现状

王晓波 马凤宝 董笑飞（大庆石化建设公司，黑龙江 大庆 163714）

1 引言

智能电网的发展涉及到诸多方面的问题，其中断路器的智能化是支撑智能电网发展的重要技术基础之一。断路器的智能化概念在近些年变得越来越清晰，从开始的断路器外围监测与控制，逐步发展到状态信号采集技术、再到后来的状态监测与故障诊断、二次控制系统智能化等，这其中的一个重要环节便是断路器的智能化操作，其中更为关键的是断路器的可控操作[1]。

操作智能化是高压断路器性能智能化的一个重要方面，实现操作智能化具有多方面的优越性。首先操作智能化可以使断路器的操作大多是在较低速度下完成，从而减小开断时的冲击力和磨损，减少机械故障、提高机械使用寿命[2]。与此同时又能够实现普通高压开关设备的智能化操作，如检测、保护、控制等[3]。在实现定向合闸，减小合闸过电压，取消合闸电阻等方面能够进一步提高稳定性及可靠性。另外，还可以实施选相分闸，对燃弧时间进行设计，控制断路器起弧时间，使其位于最有利于燃弧的相位角，不受限于系统燃弧时差，大大改善断路器的实际开断能力[4]。

开发具有稳定性、好的可控性及快速性的操动机构，对于不同的电网工况下自动调整操动机构及灭弧室的较优工作状况具有极大的意义。电磁操动机构具备简单的数学模型，同时又能够方便的利用电力电子技术来控制运动过程，这就使得机构的响应时间具备完全的可控性，可以在期望相位上执行可靠动作，对于断路器同步分断及选相合闸具有极其重要的应用意义。另外，以电力电子器件为主放电拓扑的控制系统易与数字电路接口，具备一系列优点，如能够精确执行计算机信号，驱动电路简单，消耗功率小等。这些具备快速性与可控性的操动机构，在开发断路器智能化操作领域具备极好的发展前景及重大的实际意义，值得深入探索与研究。

本文将对高压断路器操作智能化的发展进行总结，并提出一种能够有助于断路器操作智能化的操动机构的设想。

2 操作智能化的原理

2.1 操作智能化的意义和作用

在电力系统实际运行的过程中，有不同的工作状态，例如无载、空载、负载、短路故障等等，因此断路器需要开断的电路参数在不同状态下相差非常大，不同状态对断路器的开断能力的要求是不同的。传统断路器为了满足电网各种工作状态下均能顺利开断以及可靠性的要求，在设计断路器时都是按照最严酷的电气和机械性能要求的，但这些受到机械强度、耐机械冲击性能和磨损等因素的制约，使断路器的寿命和可靠性受到影响，因此高压断路器的操作智能化研究迫在眉睫。

高压断路器的操作智能化主要通过以下几方面实现：智能化分合速度；同步分断与选相合闸；零电压关合。

2.2 操作智能化的实现原理

高压断路器的操作智能化的实现可以通过在现有断路器的基础上增加一个智能控制单元构成，这种实现方式不需要改变断路器本身的拓扑结构和动作特性，有较好的兼容性。这种改造方式不需要改变原来变电站和继电保护系统的结构，也不改变系统的其他功能。但是这种方式并没有改变断路器本身的结构和特性，具有很大的局限性。还有另外一种实现方式，这种方式需要对断路器本身的结构进行改进，主要是对断路器的操动机构和动作特性进行了一系列的改造，同时这种实现方式也需要增加部分智能控制单元。下面介绍这种实现方式的原理和过程。

图1 智能操作断路器工作原理框图

图1为断路器操作智能化工作原理框图。高压断路器智能化操作的过程可概括为：当数据采集系统检测到系统故障需要分闸或者操作人员发出分闸指令时，智能识别模块对当前的系统状态进行分析，根据分析的结果对执行机构发出相应的控制信号，执行机构再对断路器的操动机构的动作参数进行调节，就可以获得最佳的动作特性。

短路故障开断要求断路器分闸的时间尽可能短，不能因智能操作所增加的控制和调节装置而人为地使断路器的分闸时间延长。这完全可从智能控制单元的硬件结构和软件程序上解决, 使因增加控制和调节装置而延长的时间约束在可接受的和可忽略的程度。

3 操作智能化的发展现状

国际大电网会议提出智能断路器以来，高压断路器的操作智能化也有了长足的进步，但是相对于断路器外围检测控制方面所取得的进展，操作智能化还有很大的差距。目前，能够实现操作智能化的产品并不多见，这主要是由于操作智能化理论并不是很清晰，也没有提出确切可行的实施方案。

断路器可根据电网不同工作状态 (例如无载、空载、负载、短路故障等)自动调整操动机构和选择灭弧室合理的工作条件。目前在中高压断路器中，只能做到操动机构动作速度的分级调节，即按照大量额定电流以下的操作实现慢速开断, 而次数不多的故障电流和电容电流的开断以快速开断的分级方案实现速度分级可控调节，但是该操作过程亦不能实现全过程可控调节。

就动作过程而言，目前大部分断路器都采取开环控制，且不能准确跟踪触头动作速度或位移，这使得实现智能断路器基础的前提条件（动作过程完全可控）几乎不能实现。为此，国内外有学者分别针对不同的操动机构实现了部分控制。如针对永磁操动机构提出利用电力电子开关器件实现运动过程分阶段控制得到较好结果，但是其控制系统仍为开环控制，并不能实现给定预期动作曲线的准确跟踪。

针对液压操动机构提出利用开关阀实现液压操动机构动作速度的分级调节即按照大量额定电流以下的操作实现慢速开断, 而次数不多的故障电流和电容电流的开断以快速开断的分级方案实现速度分级可控调节取得一定进展。其中比较有代表性的有SF6智能操作断路器。SF6高压断路器多采用压气式结构，其开端特性由操动机构和灭弧室共同决定[5]。根据反应其相互作用的分闸运动特性方程和实际试验验证得知，液压操动机构的定径孔直径对分闸速度的影响很大，因此SF6智能操作断路器把定径孔直径作为控制对象，以获取预期的分闸速度特性[6]。在目前的实际产品中，基本都采用改变定径孔直径来调整分闸运动特性。也有学者提出了可以通过使用快速开关阀来代替定径孔，以改变管道综合损失系数，达到改变空载分闸运动特性的目的。这两种方法的原理是相似的，快速开关阀是此类方法的发展方向，它不仅切实可行，而且经济可靠。但是该操作过程亦不能实现全过程可控调节。

未来高压断路器的发展将涉及断路器本身的操作，则是智能化断路器的关键所在，具体而言就是实现断路器分合闸操作的智能化，能够对高压断路器触头的运动特性进行更加完全的检测和控制。研制一种适应不同应用场合且兼具可靠性、快速性和可控性的智能断路器已成为必然趋势。

4 脉冲电磁操动机构在操作智能化中的应用

4.1 脉冲电磁操动机构的动作特性

脉冲电磁推力机构的一般工作原理为：通过充电的电容器向合闸或分闸线圈放电产生持续几毫秒的脉冲电流，与开关操作连杆固定在一起的铜盘中因感应涡流而受到脉冲电磁推力作用，从而带动连杆运动，实现开关的快速关合或分断，其基本结构如图2所示。

图2 电磁推力机构示意图

（1）电磁力和线圈电流分析

将电磁操动机构化简，等效为双单砸线圈，为求得一般规律，进行一个假设，见文[6]。由此假设可以得出电磁力和线圈电流随时间变化的曲线，如图3所示，i0与 i1分别为通电线圈的电流和铜盘的涡流。由图可知，这种操动机构，由于线圈圈数极少，又无铁芯等原因，电流上升速度极快，电流幅值高，这就为断路器的快速动作提供了条件。

图3 线圈电流和电磁力

（2）电磁操动机构的动作特性[6]

随着电流的快速上升，电磁力在短时间内达到一个很大的值，可以使触头获得较大的初始加速度，因此，电磁操动机构动作速度较快。但是，电磁力上升速度快导致其很快达到峰值，达到峰值后又迅速下降，这就使得触头运动一段时间后加速度明显减小，这导致电磁操动机构行程较短。

4.2 一种电磁操动机构在操作智能化中的应用设想

电磁操动机构的动力来源于通电线圈和铜盘之间的作用力，其作用特性与线圈电流的特性有着直接的关系。由图3中线圈电流和电磁力的关系可知，电磁力与线圈电流关系密切，因此，要改变电磁力的作用特性，可以通过改变线圈电流来实现，下面介绍一种新方案。

4.2.1 采用多个电容配合放电

传统电磁操动机构中，电容放电过程只有一次，在一次放电过程中，线圈电流和电磁力在短时间内达到峰值，但之后迅速下降，不能对操作智能化有所帮助，行程也较短。可以采用如图4所示的方法对电磁操动机构进行改进。在图4中，由原来的单一电容放电变成多个电容相互配合放电，每个电容都由各自的可控开关控制。这种模式既可以实现操作智能化，又可以增加电磁操动机构的行程。

图4 多个电容相互配合放电

4.2.2 操作智能化的实现原理

这种高压断路器通过外围检测装置，实时的检测电网和断路器本身的状态，把所测得的状态传送到计算机系统，并由计算机系统进行处理，从而决定操动机构的开断动作。

当系统出现短路故障时，高压断路器需要以最快的速度将线路断开。首先由一个充电电容器C1放电，触头将会获得很大的加速度，这样就使得触头可以迅速把速度提高。当电磁力达到极大值以后，开始迅速下降，加速度随之降低，逐渐不能满足快速性的要求。此时，在控制开关的作用下，第一个电容的开关关闭，第二个电容开关打开，电容C2开始放电，通电线圈又获得了较大的电流，从而使电磁力再次上升。可以采用多个电容器配合使用的方法，依次使各个电容放电，始终给触头一个较大的加速度，满足开断的快速性要求。

当系统空载时，系统允许以较低的速度开断，此时可以仅使用电容C1进行放电，动作过程如前面所示，触头开始时获得很大的加速度，但是当速度增加到一定值后，加速度明显减小，可以使触头以较低的速度分合闸，减小了机械磨损和震荡。

4.3.3 关键问题

首先是各个电容器之间的放电配合问题。可控开关何时动作，使电容C2代替电容C1开始放电是其中一个很重要的问题，这将影响到操动机构能否获得最优的加速度。各电容之间以及电容替换前后电容与电路之间的相互作用关系也需要进一步的研究验证。

其次是对电网状态的检测和对操动机构的控制。当电网运行在不同的状态时，需要高压断路器的动作特性也是不一样的，因此需要对电网和高压断路器本身的状态进行检测，当需要开断时，根据检测到的情况，准确判断需要高压断路器以什么速度开断，达到最优开断效果。

5 结论

（1）智能化高压断路器是未来高压断路器的发展趋势，它已经不在是单一的一门技术，而是综合了电子技术，电网技术，计算机技术等学科。操作智能化将是智能化高压断路器发展中很重要的一个部分，它将随着断路器技术的不断改进而更加成熟实用，必将发挥更大的作用。

（2）电磁操动机构作为断路器的动力机构，具有结构简单、电磁力较大、调节相对灵活的特点，必将成为高压断路器操作智能化的一种非常有效的方式。

[1] 娄杰. 新型电磁机构的拓扑设计与优化方法研究[D]. 济南: 山东大学, 2009.

[2] 马志瀛, 陈晓宁等. 超高压SF6断路器的智能操作[J]. 中国电机工程学报,1999, 19 (7) : 38~42.

[3] 刘宝忠, 王永清. 智能断路器的现状与发展[J]. 中国电力教育, 2010, (10) :258-259.

[4] 刘幼林. 基于DSP的相控开关智能控制装置研究[D]. 西安: 西北工业大学,2004.

[5] 孙弋, 马志瀛, 金立军. 应用电磁开关阀实现断路器智能操作分闸速度调节[J]. 电网技术, 2000, 19 (7) : 17~20.

[6] 李庆民, 刘卫东, 钱家骊. 电磁推力机构的一种分析方法[J]. 中国电机工程学报, 2004, 19 (2) : 20~25.