智能27.5 kV 铁道断路器研究

李 洪 ，颜 睿

0 引言

目前国内铁路牵引供电系统所使用的27.5 kV断路器大多采用弹簧操作机构，该机构由于零件多，可靠性差，故障率高，不具备调速控制、在线监测等智能化功能，难以满足铁道系统对于断路器提高可靠性，减少维修停电时间，提高运输效率的要求。因此需要开发出新一代的全智能电气化铁道专用断路器，适应铁路发展的需求。

1 智能铁道真空断路器的关键技术

1.1 相控合分闸技术

1.1.1 真空断路器在牵引供电系统中遇到的问题

目前牵引供电系统中使用的27.5 kV 真空断路器普遍采用弹簧操作机构，由于断路器的辅助开关、真空灭弧室、外绝缘爬距等设备缺陷频繁暴露，

真空断路器的电气、机械寿命与实际运行要求差距较大。人员的检修、维护频繁。同时，由于弹簧断路器合闸相位角的随机性，造成断路器在关合过程中，频繁产生涌流或过电压，将导致变电所跳闸，并会加速牵引变压器和电网设备的绝缘老化。采用相控合闸永磁真空断路器完全可以解决该类问题。

1.1.2 相控关合原理及理论分析

相控关合技术是指在指定的系统电压相位角关合电路，使电动机、空载变压器、空载线路等感性设备和电容器等容性设备，在对自身和系统冲击最小的情况下投入的一种智能控制技术。如采用相控关合技术，可以实现电动机的软启动，在系统电压为峰值及其附近接通电源，大大减小涌流的幅值和对系统的扰动，提高设备寿命和系统稳定性。在关合容性负载时如果在电压零点投入，可以限制合闸涌流，缩短暂态过程，大幅度提高电容器寿命和系统稳定性。对于27.5 kV 铁道馈线断路器所应用工况，关合和切除之负载多呈现感性。

关合电感性负载时的相位选择原理：

变压器有载合闸模型如图1，参数假定如下，系统侧为一正弦电压源u1= U1msin(ωt +α)，R1+jωL1为变压器及系统阻抗，流过电流为i1，励磁阻抗为纯电感Lm，流过的励磁电流为im，负荷阻抗为R2+ jωL2，电流为i2。CB1为高压侧断路器，CB2为低压侧断路器。

变压器有载合闸是指变压器低压侧接负载的状况下利用CB1关合变压器。根据霍尔基夫电流定律，可列出方程：

图1 变压器有载合闸的电路模型示意图

为分析有载合闸的负载电流变化情况，假定变压器二次侧负荷极重，亦即负荷阻抗极小；另一方面，即使由于磁饱和造成励磁支路的电抗急剧下降，但由于磁滞回线的客观存在，该电抗总有一大于零的最小值；如果令负荷阻抗远小于该最小励磁电抗，则当列写回路方程求取负荷电流时，励磁支路的分流效果可以忽略（仅相对负荷电流而言，实际上，该励磁涌流可以达到较大的实际值，只是远小于二次电流而已），得到i1≈i2，则流过负载的电流为

由式（4）可知，高压侧带载合闸后，流过负载的电流包含稳态分量和自由分量部分，见图2。

图2 有载合闸负荷电流变化曲线图

图2 中自由分量与合闸瞬间电压的初相角有关，按时间常数T 衰减，一般在几个交流周期内衰减完成。当合闸初相角α = φk时，自由分量为零，流过负载的电流只有稳态分量。特别当ω(L1+L2)＞＞(R1+ R2)时，即合闸于电压峰值时刻时，电流直接达到稳态；时自由分量具有最大值，负荷电流最大为近2 倍的稳态电流。

1.2 闭环控制技术

永磁机构的应用使真空断路器的相控合闸操作成为可能，但由于相控断路器对环境温度、寿命期的不同阶段和使用现场的操作频度等因素的敏感性，有可能使合闸时间精度超出规定的范围，从而影响其使用。为了解决该问题，在智能控制系统硬件基础上，建立闭环控制系统，由位移传感器实时采集断路器各极的位移曲线，和设定的位移曲线作实时比较，应用模糊控制算法，根据位移差值及其变化率由模糊规则来实时调整控制器输出电压的PWM 占空比，以调节线圈通电电流大小，进而控制机构动铁心运动速度，在全工况工作条件下保证断路器合闸时间稳定。

结合PID 控制良好地稳态误差及动态稳定性，可以构成模糊自适应PID 控制，其为一种更好的控制策略。模糊自适应PID 控制器的输入为位置误差e 及位置误差变化率，其根据不同时刻的e 和ec，利用模糊控制规则对PID 3 个控制参数进行在线修改，以满足不同e 和ec对PID 控制参数的不同要求，从而改善被控对象的动态性能，控制结构图如图3 所示。

图3 闭环控制系统示意图

1.3 真空度在线监测技术

真空开关在工作时，其真空灭弧室屏蔽罩上的电位是由高压部分-屏蔽罩、屏蔽罩-接地电极之间分别具有的静电电容的分压而决定，当真空灭弧室在正常的工作电压和内部气体压力下运行时，灭弧室屏蔽罩上不带有静电荷；而当真空灭弧室的内部气体压力升高，导致绝缘强度降低，触头与屏蔽罩间会发生局部放电，从而使灭弧室的屏蔽罩上带有一定的静电荷。因此，中间屏蔽罩与大地之间的交流电场将发生变化，将电场探头置于其间（距离灭弧室外壁150 mm），就可以在不改变灭弧室和断路器结构的前提下，探测屏蔽罩的电位变化，从而检测到真空灭弧室内气体压力的变化。电场探头的安装图如图4 所示。应用自制的电场探头经过反复的模拟试验，可以找到屏蔽罩的交流电位有效值与真空度之间的关系曲线，如图5 所示。

图4 电场探头的安装图

图5 屏蔽罩交流电位有效值与真空度关系图

表1 真空开关真空度非正常趋势典型判据一览表

1.4 其他状态监测技术

状态检修是对断路器的运行状态进行监视和评估，可在任何时间、任何地点获得断路器的实时运行状况。据以制定更加经济、有效的断路器维修计划，确保生产安全，同时节省时间和维修成本。应用在线检测技术，采集运行中的断路器有关信息，具备开关状态在线监测功能，开关机械特性在线监测，当开关特性变化超过设定范围时及时报警，同时信息数字化，便于网络传输，通过各种通讯接口及协议，与上级通讯。智能真空断路器本身具有数字信息与信息处理能力，就可在开关每次操作后对其特性数据进行采集、处理和存储，如通过对触头运动速度和合、分闸时间等参量的测量，并与标准要求和前次数据比对，即可判定开关的机械特性是否处于正常状态，并可记录和储存系统参数。

2 智能断路器的一次和二次结构设计

2.1 智能断路器的一次结构设计

智能电气化铁路断路器开关一次系统主要由绝缘筒、真空灭弧室、绝缘拉杆、永磁操作机构、电流互感器、L 型支架组成（图6）。采用永磁操作机构，无锁扣、机构与灭弧室直接相连，无拐臂，运动便捷，传动效率高，动作精度高、磨损小。

图6 断路器一次结构图

2.2 智能断路器的二次结构设计

智能断路器的二次结构设计采用模块化设计思想，按照各自功能，系统共分为3 个模块：真空度在线监测模块，机构驱动控制模块，无线测温模块，如图7 所示。

图7 断路器二次结构图

上述3 个模块构成了智能铁道开关的二次系统，这些模块所收集的状态及运行参量全部通过通讯方式，上报给智能IED，用于显示、存储、报警。通过各个模块的设计，从而使得断路器成为一个智能化的馈线断路器：它可以控制在电压相位的任意角度关合或开断；同时采用闭环控制算法，保证在整个寿命期间内开关相控操作的精度和稳定性。具备开关状态在线监测功能：开关机械特性在线监测，当开关特性变化超程过设定范围时，及时报警；温度在线监测；真空度在线监测；信息数字化，便于网络传输，通过各种通讯接口及协议，与上级通讯。

3 结语

传统的铁道真空断路器均为电磁操动机构和弹簧操动机构，其零件多，故障率高，调试维护不便，给现场使用带来很多麻烦，更严重时会影响铁道的正常运营。而智能27.5 kV 铁道断路器真空断路器可大大减少现场的工作量，提高供电的可靠性，实现了真正免维护开关产品，它解决了目前铁路系统应用的馈线断路器故障率较高，不能实现状态检修的难题，它必将成为高压开关的主流方向。

[1] 游一民，陈德桂，侯建新，等.永磁操动机构的发展与应用[J].高压电器，2003.

[2] 陈明帆，段雄英，黄智慧，等.真空开关动作时间的自适应控制[J].中国电机工程学报，2010，（12）.

[3] 张节容，等.高压电器的原理和应用[M].北京：清华大学出版社，1989.

[4] 王季梅.真空开关技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[5] 李卫国，罗日成，真空开关真空度在线检测系统的开发[J].真空，2005，（7）.

[6] 范兴明，邹积岩，陈昌龙，等，基于DSP 的真空断路器状态参数在线监测装置[J].电力系统自动化，2005，（8）.