光控真空斷路器模塊低功耗自具電源設(shè)計

2015-02-25 葛國偉 大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院

  光控真空斷路器模塊應(yīng)用于多斷口真空斷路器對電源可靠性和低功耗提出了更高的要求,為此進行了光控真空斷路器模塊低功耗自具電源模塊設(shè)計。分析了自具電源的工作原理,優(yōu)化設(shè)計了其取電電磁感應(yīng)線圈(取電CT)的結(jié)構(gòu)。電容器充電模塊從電路結(jié)構(gòu),器件選型,轉(zhuǎn)變工作方式等降低其工作時損耗。建立了永磁機構(gòu)操動電容充放電特性模型,分析得到低損耗的最佳間歇控制策略。進行了智能控制器低功耗設(shè)計,實現(xiàn)了在線低功耗控制策略和離線休眠工作方式。最后通過試驗驗證,優(yōu)化后的取電CT 工作范圍在200 A~3 000 A,滿足在線自具電源模塊工作,整體自具電源正常工作時損耗做到了300 mW,滿足電網(wǎng)停電3 周,自具電源系統(tǒng)仍能驅(qū)動光控真空斷路器動作。設(shè)計的自具電源滿足系統(tǒng)對斷路器的可靠性和智能性的要求。

  引言

  真空斷路器應(yīng)用真空作為滅弧及絕緣介質(zhì),熄弧能力強、體積小、重量輕,使用壽命長,無火災(zāi)爆炸危險,不污染環(huán)境,因此廣泛應(yīng)用于中壓領(lǐng)域。但由于真空擊穿電壓與間隙長度間的飽和效應(yīng),單斷口真空開關(guān)無法應(yīng)用于更高電壓等級,多斷口真空開關(guān)可以彌補這一缺點。

  國內(nèi)外已經(jīng)對多斷口真空斷路器的動、靜態(tài)絕緣特性及動態(tài)均壓問題研究多年,參文通過引入“擊穿弱點”概念和概率統(tǒng)計方法建立了雙斷口及多斷口真空開關(guān)的靜態(tài)擊穿統(tǒng)計分布模型,得出三斷口真空滅弧室的擊穿概率比單斷口真空滅弧室更低,并通過試驗驗證。參文分析并驗證了均壓電容對多斷口真空斷路器靜動態(tài)均壓效果。參文分析了雙斷口真空開關(guān)開斷機理與關(guān)鍵因素。

  傳統(tǒng)的多斷口真空開關(guān)采用的是傳統(tǒng)操動機構(gòu),整個操動系統(tǒng)的環(huán)節(jié)多.累計運動公差大而且響應(yīng)緩慢,可控性差,效率低,各斷口的動作同期性較差,不能滿足多斷口真空斷路器的同期性和可靠性的要求。參文提出了基于模塊化串聯(lián)技術(shù)構(gòu)成的多斷口真空斷路器實現(xiàn)策略:采用永磁機構(gòu)操動,光纖隔離控制,模塊高電位操動,分散性小,可靠性高,體積小,易于串并聯(lián)。傳統(tǒng)的彈簧操動機構(gòu)采用220 V 交流電控制電磁操動機構(gòu)脫扣。永磁操動機構(gòu)的電源主要有站內(nèi)直流電源、電容器組、蓄電池或者鋰電池,來對合、分閘線圈放電[10],但這些電源設(shè)計都是低電位電源供電,最終電源都是220 V 市電供電,基于光控真空斷路器模塊處于高電位,自具電源模塊采用高壓母線電流取電,解決了高電位供電問題。光控真空斷路器模塊采用電流取電與蓄電池儲存電能聯(lián)合為整套控制系統(tǒng)浮地供電,由于電流取電磁性元件的非線性限制了取電工作范圍和取電功率,所以需要對光控真空斷路器模塊低功耗自具電源模塊進行研究,滿足在線充電和離線長時間維持供電的要求。

  本文對電源模塊的電磁感應(yīng)線圈部分進行了優(yōu)化設(shè)計,以獲取更寬的工作范圍和輸出功率。通過操動電容器充電模塊電路結(jié)構(gòu),器件選型,改變工作方式等,降低其工作損耗。建立了永磁機構(gòu)操動電容充放電特性模型,分析得到低損耗的最佳間歇控制策略。從低功耗和智能化兩方面著手進行控制器設(shè)計,以滿足光控真空斷路器模塊對可靠性和智能化的要求。

  1、光控真空斷路器模塊自具電源工作原理

  光控真空斷路器模塊(FCVIM)是由真空滅弧室,永磁操動機構(gòu)和自具電源模塊構(gòu)成。光控真空斷路器模塊系統(tǒng)框圖如圖1 所示:永磁機構(gòu)驅(qū)動導(dǎo)電桿與真空滅弧室動觸頭導(dǎo)電桿直接相連,電磁感應(yīng)線圈(取電CT)從高壓母線取能先為蓄電池充電,然后蓄電池通過電容充電模塊為操動機構(gòu)電容充電,在多斷口串聯(lián)時,整個光控真空斷路器模塊處于高電位,每個模塊的動作和狀態(tài)檢測由自具電源模塊的智能控制器通過光纖與低電位主控制器實現(xiàn)控制和通信。

光控真空斷路器模塊系統(tǒng)框圖

圖1 光控真空斷路器模塊系統(tǒng)框圖

  為了滿足光控真空斷路器模塊的連續(xù)可靠的地工作,一方面,取電CT應(yīng)該有盡量寬的取電工作范圍和取電功率,本設(shè)計的CT取電范圍5%~120%母線電流,取電功率10 W 左右。另一方面需要降低自具電源模塊的空載損耗。這樣可以確保在線母線電流較小,取電功率較小的時能夠滿足模塊工作而且離線檢修停電時,增加蓄電池持續(xù)保證模塊工作的時間,保證系統(tǒng)可靠。

  6、結(jié)論

  1)取點CT 在小電流情況下會進入飽和區(qū),大部分工作在過渡飽和區(qū),輸出電壓畸變嚴重,有尖峰。通過采用串聯(lián)濾波電感50 mH 和匝數(shù)50 配合得到滿足母線額定電流2 500 A 的5%~120%變化時,輸出電壓滿足自具電源模塊工作。

  2)建立了間歇工作方式下,電容器低功耗控制的數(shù)學(xué)描述,并利用優(yōu)化算法,得到最佳間歇控制策略,并利用智能控制器實現(xiàn)了該低功耗控制器策略。

  3)通過試驗測試,將自具電源模塊空載損耗降至300 mW 以下,滿足電網(wǎng)停電3 周時,整機仍能正常工作。整機可靠性通過了試驗驗證,為基于光控真空斷路器模塊構(gòu)成的多斷口真空斷路器的應(yīng)用提供了保障。