关于10kV常压密封空气绝缘环网柜自动化成套装置驱动装置

宁波耀华电气科技有限责任公司 吕恩林 朱庆荷 王竞如 刘晓颖 刘坚钢

随着社会的不断进步和发展，人们对于10kV常压密封空气绝缘环网柜技术创新也从未止步，针对其中真空开关相关所包含的操动机构也作出各方面的技术改进，以满足现代配电网的各种要求。真空开关执行机构的工作原理是：当动、静触头在操动机构的作用下分闸时，触头间产生电弧，由于触头处在真空灭弧室的真空环境下，其电弧容易熄灭；按照功能型式不同、采用的操作机构不同，常用的操作机构有电磁操作机构、弹簧操作机构、永磁操作机构等。

在当前10kV配网新建与升级改造工程中，10kV常压密封空气绝缘环网柜配网自动化成套设备是不可或缺的重要组成部分，其属于一种新型的智能电网配网设备，相对传统的KYN环网柜和六氟化硫环网柜，具有体积小无六氟化硫气体、采用常压密封真空灭弧技术的优势，设备不仅环保性且稳定性和可靠性高。因此，要想进一步促进该配电系统的应用发展，就要对其自动化成套装置驱动装置功能的有效提升给予相应的重视，尤其是要加强双回路永磁驱动模块系统的优化设计[1]。

1 常用的操作机构介绍

1.1 电磁操动机构

电磁操作机构完全依靠合闸电流流过合闸线圈产生的电磁吸力来合闸，同时压紧跳闸弹簧，跳闸时主要依靠跳闸弹簧来提供能量。电磁操动机构在真空断路器发展初期得到了比较广泛的应用，但是电磁操动机构结构笨重、动作时间较长，在没有电源情况下无法进行合闸操作[2]。

1.2 弹簧操动机构

该类型机构是目前最常用的机构，其合闸分闸都依靠弹簧来提供能量，跳合闸线圈只是提供能量来拔出弹簧的定位卡销，所以跳合闸电流一般都不大。弹簧储能通过储能电机压紧弹簧储能，合闸母线主要给储能电机供电，电流也不大，所以合母、控母区别不太大。

弹簧操动机构是真空断路器最常用的一类操动机构，它的优点是不需要大功率的直流电源，只需要一个小功率的交直流两用的储能电动机，并且在没有电源情况下进行合分闸操作[3]。其缺点是结构比较复杂，零件数量多，且要求加工精度高、故障率较高。并且弹簧操动机构的出力特性与真空断路器的负载特性不相匹配，要在轮廓曲线和连杆结构上进行合理设计。

1.3 永磁操动机构

永磁操作机构是最近才应用到国内市场的一种新机构，它的原理同电磁型大体有点类似，主动轴为永磁材料制成，永磁体周围有电磁线圈。正常情况下电磁线圈不带电，当开关要分闸或合闸时，通过改变线圈的极性利用磁力相吸或排斥的原理驱动分闸或合闸。虽然这个电流也不小，但开关是通过一个大容量电容来“储能”，动作时通过电容放电来提供大电流。这种结构工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱、锁扣装置，体积小、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。

永磁操动机构是一种发展时间较短的操动机构，它使用永磁体取代了传统的锁扣装置实现真空断路器分、合闸位置的保持，永磁操动机构工作时主要运动部件只有一个，分、合闸电流小，对操作电源的要求较低，其噪音也低。永磁操动机构结构比较简单，动作可靠性高，机械寿命长、体积小、重量轻。目前，10kV常压密封永磁空气绝缘环网柜真空开关双回路永磁驱动是一种比较先进可靠的技术。

2 双回路永磁驱动模块系统设计现状

2016～2019年3月之前，广东地区使用的永磁开关本体驱动模块，均为单驱动回路设计模式（即驱动模块内部只有一路驱动出口），永磁驱动模块安装在一次机构室，作为永磁操动机构的一个附件。当时的永磁开关技术处于萌芽期，各项技术都在发展与验证阶段，因此在运行中暴露出较多的问题。如永磁开关需求的能量较高，驱动电流过大，导致合闸困难且容易因过流过热烧毁线圈，严重时还会造成触电爆炸等风险。

在2年多的运行经验基础上，为解决上述问题，佛山地区先行试用双回路永磁本体驱动模块，并对永磁驱动模块进行了一些技术要求：首先，集成小型化设计，2U机箱高度内部集成电容；其次，可安装在二次柜顶，与永磁开关的连接采用标准定义的航插头与航插座，且线序均有明确唯一定义；第三，永磁驱动模块采用双回路独立设计，通过硬压板切换与开关的连接，人工可在现场随时切换驱动回路；最后，永磁驱动模块自带后备储能电池，方便现场无电时调试。双回路驱动模块工作原理示意图大致如图1。

双回路驱动模块的出现，解决了前期驱动模块的大部分问题，有效的推进了永磁开关技术的发展。但在整体运行中，也伴随着发现了不少新问题。

3 双回路永磁驱动模块系统设计中存在的不足

3.1 备用回路电气性能静置失效

按照技术要求，双回路驱动独立设计互不影响。部分厂家设计时，将不在运行态的回路（例如备回路）不带电运行，仅运行态（例如主回路）的回路带电运行。而电子元器件及电容有个特点：在其被生产后，长期不带电运行、其性能下降速度加快，损坏率较高。例如电解电容在长时间放置过程中，氧化膜的绝缘性能下降，会导致电解电容漏电流增大的现象。如果放置的时间足够长，漏电流足够大，再次使用通电时，大电流会产生很大的热量使得电解电容鼓底或爆浆。实际运行中发现，主回路损坏后，切换到备回路，而备回路由于长期不带电静置其内部元器件已经失效，备用回路一起损坏无法运行，失去了主备互为备用的作用[4]。

3.2 瞬间功率匹配失衡

最初技术规范制定时，考虑到现场取电PT功率、直流屏功率，对永磁驱动模块的输入功率进行了约束，不超过100W；又考虑到重合闸的充电时序，对储能充电时间进行了约束，不允许超过5s。这两个指标是冲突的，充电越快意味着要求输入功率越大越好；而输入功率又限制了最大功率的获取值。为了解决静置失效问题，两个回路（主、备）都要带电运行，因此存在一定的时刻两个回路的电容同时储能，而同时储能时两个回路同时会向外部电源索取较大功率。

如果此时满足储能时间要求，则瞬间功率会超过需求功率，引起的结果就是外部电源输出过载，从而引起电源打嗝甚至自保护（如直流屏，在出现上述瞬间过载的情况时就会不停的出现输出、失电、保护、输出、失电、保护），严重的会拖死外部电源进入到一个异常态，使整柜或整站其余设备失电；如此时满足功率要求则储能功率受限，内部主备回路各自的电源系统会互相竞争功率，易引起两个回路电源系统功率瞬间失衡，轻则引起内部电容储能时间变长（如从5s变到10s），重则引起内部电源系统互锁进入到异常态使得驱动模块短时失效[5]。

3.3 某一回路状态异常影响另一回路

虽然主备回路的电气回路完全互相独立设计，但其输入电源、驱动输出接口、开入信号、信号出口均为同一个。两套回路无法彻底断开，一个回路的异常会有可能影响至另一个回路。即当主回路升压电源出现异常短路情况，拖累输入电源输出侧短路从而无法启动，使得备用回路升压电源无法工作。另外，主回路在位检测失效，其始终认为主回路在线，不释放信号控制权给备回路，从而备回路工作状态无法正确上送。如图2所示，当回路1在位检测异常时，回路1的已储能状态就能输出至驱动模块整机储能信号处，即使此时回路2是未储能状态，但对外输出的储能信号也是回路1的已储能状态。

图2 回路的状态

4 提高永磁双驱动模块系统设计质量的优化措施

现今，10kV常压密封永磁空气绝缘环网柜真空开关双回路永磁驱动模块经常出现质量不稳定情况，一定程度上不仅会给整个设备的正常运行造成很大影响，而且还会降低配网工程的运行安全。因此，要想避免这种情况的发生，就应对双回路永磁驱动模块进行优化设计，加强对其双回路永磁驱动模块系统设计的分析，以便找出具体缺陷和不足，并采取针对性的措施加以全面完善，这样才能提高模块设计质量，满足设备安全稳定运行需求。

4.1 各驱动回路、储能回路的优化设计

采用通用型对插接口与主壳体板件进行连接，实现了良好的即插即用功能；当需要进行更换时，在现场无需停电、无需拆换整体驱动模块，仅需将模组元件直接拔出更换为全新模组即可；也可根据现场实际需求，任意配置驱动回路的回路，给用户和使用人员提供了较大的配置灵活性,概念示意图如图3所示。

图3 驱动装置概念示意图

4.2 驱动回路储能电源的优化设计

当多路驱动回路模组同时在线时，驱动回路能够自动智能识别在线回路，输入电源功率会优先将储能输出至在线储能回路，在空闲时再将功率分配至其他备用储能回路；同时增加电源之间防锁死功能，在一路电源持续异常的情况下，硬件能够自动隔离异常回路，当修复或者更换完新的回路时，重启后又能够自动接入。另外要开发可靠性、安全性更高的驱动回路，使其自带全面的运行自检功能，能够在运行过程中实时对回路的硬件情况进行自检，出现问题时可及时报警[3]。

4.3 主、备回路优化设计

由于驱动模块的驱动回路、储能回路为模组元件化设计，因此在此基础上实现各模组之间的无缝切换、热备用功能，即在任一回路异常或短时间无法出口时，无需人工参与（当前方案需人工去现场切换回路），自动实现户口回路之间的切换，从而实现多路驱动热备用的功能。这不仅带来更高的可靠性，也极大降低人员运维的工作量。

5 结语

随着我国配网工程建设规模的不断扩大，10kV常压密封永磁空气绝缘环网柜自动化成套装置技术体系也越发成熟，为了使其整体应用性能发挥到最大化，就要在现有技术条件基础上进行不断的优化创新，尤其是要结合现阶段智能配网建设要求对永磁驱动模块设计方案进行全面优化，使其智能自动化控制功能得到进一步的提升，这样才能切实满足配网工程长期稳定运行需求。