电力电子技术在智能高压开关设备中的应用

李良权 宋亚凯

摘 要：智能高压开关设备已经成为智能电网不可或缺的组成部分，得到越来越广泛的应用。本文主要介绍了电力电子技术在智能高压开关设备中的应用，用于各监测控制单元电源模块、用于新型操动机构及用于新型开断技术。

关键词：智能高压开关；电力电子技术；操动机构；开断技术

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）22-0055-02

Application of Power Electronics Technology in Intelligent

High Voltage Switchgear

LI Liangquan SONG Yakai

（Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

Abstract： Intelligent high voltage switchgear has become an indispensable part of smart grid， and it has been applied more and more widely. This paper introduced main applications of power electronics in the intelligent high voltage switch equipment， which was used in the power module of the monitoring control unit， the new operating mechanism and the new open breaking technology.

Keywords： intelligent high voltage switch；power electronic technology；actuating mechanism；breaking technology

随着智能电网建设的推进，智能高压开关设备应用越来越广泛，相关技术也不断发展。电力电子技术以其独有的技术特点成为当前电网技术的研究热点。当前的智能高压开关技术中也应用了一部分电力电子技术。而这些技术的应用对提高智能高压开关设备性能具有重要影响。

电力电子技术在智能高压开关设备中主要有以下几方面用途：①作为监测单元和控制单元的电源模块；②作为控制系统和执行机构的接口；③电力电子电路与机械触点电路并联，转移开关分闸操作时的电流，能实现无弧开断。

1 电力电子技术在智能高压开关电源技术中的应用

智能高压开关的监测单元和控制单元的电源模块电路配置取决于对监测和控制器中各功能模块工作电压的要求、电源模块的供电方式和电源模块的成本。其中，以直流电源应用居多，常用的有DC220V、DC24V、DC12V、DC5V等。

图1的监控电源结构采用电力电子开关电源模块可以方便地实现几组相互隔离、不同电压幅值或极性的输出直流电压，且输入电压可调范围较宽，可以与电压互感器二次侧输出电压或低压电网的220V交流电压兼容，功耗小、温升低、稳压性能更好，可以有效地简化电源电路的设计。

电源模块作为高压电器的一部分，电磁兼容性能要求高。与传统模拟稳压器相比，采用电力电子电源模块能使用更少的电路元件，简化了相关配置结构，且开关电源在硬件电路和外观设计方面可进行完善的电磁屏蔽设计。在软件设计方面，多采用智能程序控制，有效降低外部电磁场干扰，有很强的抗电磁干扰能力，有利于电源部分的EMC（电磁兼容）设计。

2 电力电子技术在智能高压开关操动机构上的应用

在电网中，高压开关设备通过对电路的接通和分断操作完成电能传输、分配和供给，并对各负载进行保护和控制。在实际应用过程中，监测系统根据监测到的数据，并结合控制程序算法实时计算出是否需要进行分合闸操作。若需要进行开关分合闸操作，就要通过控制系统发出指令，调节操动机构，实现高压开关的分合闸控制。

相控开关技术（Phase-Controlled Switching，PCS）是根据线路电压或电流的相位来合理控制高压断路器的合分时刻，从而抑制电网中的操作过电压和涌流的一种技术，在电能质量和特高压输电等领域具有广阔的应用前景。相控开关技术要求高压断路器具备较高的可控性与可靠性。传统的高压开关设备，操动机构以弹簧机构和液压机构为主，其传动部分多为机械零部件，动作特性的分散性较大，非常不利于实现分合闸操作的精确控制。此外，由于需要承受瞬间较大的冲击，对机械零件较多的传统操动机构的可靠性设计方面也存在许多问题。如果采用基于电力电子技术新型操动机构，可减少机械传动环节和机械零部件数量，有效提高高压开关设备的可控性和可靠性，便于实现相控技术的应用。新型操动机构结构如图2所示。

2.1 永磁操动机构

现在多采用永磁操动机构，并利用电子技术、电力电子技术和计算机技术完善控制单元[1]。如果图2所示的断路器的執行机构是电磁铁线圈，则电路的工作原理如下：控制器监测和分析现场工作状态，根据分析结果选择合适的电压或者电流相角，适时发出分、合闸操作指令，按照实际工作要求接通、分闸操作电磁线圈。

对于智能控制的断路器，在电磁线圈接通期间，控制器需要合理地调节线圈电压，以得到要求的操动机构出力特性。当操动机构主电路电力电子装置采用IGBT、MOSFET等全控型开关器件时，可以在断路器进行合、分闸操作，使开关器件以较高频率接通和分断，控制器根据出力特性控制通断占空比，即可方便调节电磁铁线圈的工作电压。

2.2 电机驱动原理的操动机构

原有的操动机构多为液压、气动、弹簧及液压弹簧操动机构，而新型操动机构利用先进的数字技术和电力电子技术并且与电动机相结合，在满足断路器操动机构的所有核心要求的同时，在性能和功能方面具有许多新优势。如图2所示，控制单元采用基于DSP的电机操动机构伺服控制系统，实现各种运动控制策略；执行机构是可控性较高的伺服电机；电机驱动单元采用电力电子装置，方便地利用DSP等运算处理单元发出的控制信号来改变电力电子开关器件的开关状态，从而达到控制电机的目的。采用电机驱动操动机构可以较为方便地实现操动机构动作特性的控制，降低机构动作分散性，完全实现断路器开断和关合过程的智能控制，提高断路器运行的可靠性和机械寿命[2]。

3 电力电子技术在新型开断技术上的应用

随着电力电子技术的不断发展，电力电子器件在电器设备上逐渐得到广泛应用，为研究和解决灭弧问题提供了新的思路。由电力电子开关器件构成的固态高压开关，是一种无触点开关，在通断过程中不产生电弧，动态开关特性非常优越。

在中低压的直流系统中，利用电力电子开关器件IGBT作为无触点开关与直流接触器的触点并联，接通负载时无触点开关IGBT先动作闭合电路，然后接触器触头闭合电路，IGBT退出运行。在负载电路断开时，无触点开关IGBT先导通，然后接触器触头断开，电流再瞬间转移到IGBT中，接触器触头实现无弧断开，整个电路可以实现无电弧开断。

由于直流系统中不存在过零点，给直流电流开断带来了较大困难。目前，在高压直流开断技术领域有两种开断思路，这两种思路均以电力电子技术为基础。一种思路是采用混合式拓扑结构，例如，混合式直流断路器，采用机械断口与电力电子电路并联的混合式拓扑结构，既解决了电力电子器件长期通流损坏大的问题，又实现了无电弧开断。另一种思路是，利用电力电子电路与电容电感电路相结合，制造出电路过零点，通过机械断口实现直流系统的开断。

参考文献：

[1]张忠蕾，李庆民，娄杰.电力电子控制电动机操动机构分闸运动特性的仿真分析[J].电网技术，2006（18）：58-59.

[2]钟建英，郭煜敬，林莘，等.高压真空断路器用无刷直流电机操动机构控制器设计研究[J].高压电器，2014（7）：63-69.