高压断路器开关电容网络电机操动机构控制系统研究＊

李少华,张一茗,张文涛,庚振新,李得祥

（1．平高集团有限公司，河南平顶山 467001；2．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳 110870）

1 引言

智能电网研究不仅能使电网高效运行，电能合理分配，更能够降低电网的安全事故，已经越来越受到国家的支持[1-2]。高压断路器作为电力系统中重要的保护设备，必然受到广大电网科研工作者的关注[3-5]。本文属于平高集团有限公司科技项目《126kV 电机驱动断路器伺服控制系统深化研究》中断路器电机操动机构的研究内容，针对传统储能式操动机构分、合闸操作过程中运动不可控的缺陷，提出了基于电磁原理可实现智能操作的新型电机操动机构，对现有电机控制策略进行优化，使其能够按照设定的特性曲线进行动作。通过电力电子器件搭建电机操动机构控制系统，实现智能化操作[6-13]。

随着电力电子技术的发展和电力系统带电设备对直流电压等级要求越来越高，高增益的电压变换器受到了越来越多的关注[14-18]。多个级联Boost变换器能够满足升压功能，但是电压增益比过高降低了升压变换器的工作效率[19]。Z 源变换器克服了传统电压源和电流源变换器的缺点，但升压能力不足，级联准Z源阻抗网络方法可以提高电压增益和转换效率，但主电路拓扑和控制复杂，难以保证级联Z 源阻抗网络的稳定运行。Cuk 和Sepic 转换器采用电容电压自举技术来实现电压变换，虽然输入电流和输出电压纹波小，控制电路简单，但升压能力有限通过使用耦合电感来构造高增益转换器，可以获得更好的升压效果，但是耦合电感的增加了电压应力，增加了转换器的工作损耗，降低了效率[20-22]，针对高压断路器电机操动机构控制系统，提出了一种基于开关电容网络的升压电路，该电路可控性高，无电压不平衡现象，在能量守恒情况下，得到获得最大驱动电机输出转矩，有效降低了电机操动机构的响应时间。

2 开关电容网络原理分析

高压真空电路器电机操动机构控制装置原理图如图1所示，包括整流器、开关电容网络和逆变器。开关电容网络拓扑结构如图2所示，其基本原理是通过改变电容器组的串联或并联方式，来实现逆变器直流端电压等级的变换，控制方式上，配合驱动电机转子位置反馈和电压反馈，使得开关电容网络中电容器组串联和并联方式更加灵活多变，可靠性更高。

图1 断路器开关电容网络原理

图2 开关电容网络

在开关电容网络中采用规格相同的电容器元件，来克服电容器两端电压不平衡的缺陷，两个电容器交叉连接，在两组电容器阳极和阴极之间各自串联一个二极管，防止电容器网络向高压断路器电机操动机构释放能量时，能量在电容器之间互相充能，降低电能的使用效率。在给电容器组充电时开关VD8 关断，两组电容器以并联的形式并联在整流器两端，电容两端并联了电容传感器，当检测到充电到目标电压时，停止充电，等接受到合闸或分闸指令时，开关管VD8打开，两组电容以串联的形式给高压断路器电机操动机构释放能量，逆变器两端的直流电压提升一倍，根据电压等级要求不同，可以来电路中电容的个数，本文中两组电容即可以实现操作要求。直流电机转速与直流电压有关，提升电压可以提升驱动电机转速，降低高压断路器电机操动机构的响应时间，能有效的降低过电压，提高电力系统的安全性。电容网络的拓扑如图3所示。

图3 开关电容网络电路

3 电机操动机构控制系统组成

高压真空断路器电机操动装置包括：控制装置，驱动电机、传动机构和断路器四部分组成，结构图如图4所示。当电机操动机构控制器接收到控制指令时，驱动电机开始动作，驱动电机旋转带动传动机构使得绝缘拉杆直线运动，完成断路器的分闸或合闸过程。在驱动电机转子侧安装有光电编码器检测实时检测转置，逆变器根据光电编码器反馈的位置信息，实现位置换相。

图4 高压断路器电机操动机构的机械结构简图

为了克服传统操动机构不可控的缺点，在高压断路器电机操动机构中引入了智能化软硬件控制系统。为了提高控制精度和处理速度，MCU 采用DSP28335 为控制芯片。硬件装置包括：主要包括整流器、开关电容网络、电压传感器、PWM 隔离驱动器、DSP28335 处理器、霍尔电流传感器、光电编码器、低压直流电源、ADC采集和通信单元等，软件部分采用驱动电机分闸或合闸控制转速和电流双反馈的控制方式。高压真空断路器控制系统如图5所示。

图5 驱动电机控制系统的硬件组成

电机操动机构系统的工作过程是上位机发送充电指令，控制器开启开关VD7，整流装置开始工作，市电经过整流器给电容充电，电压传感器检测到电压值到达目标时关断开关VD7，等待断路器动作指令。当接收合闸指令时，开关VD8 开启，逆变器端电压翻倍，两组电容以串联的方式给电机操动机构供电。分闸时，由于电机操动机构受到合力矩对分闸过程有助力作用，因此不需要开启VD8 来降低分闸机械碰撞冲击。DSP 控制器通过PWM隔离驱动单元控制逆变器功率管导通，驱动电机工作带动传动机构完成分合闸操作，光电编码器采集转子位置信息反馈给控制器，霍尔电流传感器采集绕组电流，经过位置、速度和电流反馈，构成了高压断路器电机操动机构三反馈控制系统。由于合闸过程中，直流电压提高了一倍，合闸速度提高，降低了电机操动机构的响应时间，大大提高了电力系统的安全可靠性。

4 开关电容网络的联机实验

文章从两方面开展研究，首先验证电压不同对高压断路器动触头分闸或合闸速度影响，对不同直流电压下所采集的角位移信息和刚合信号进行采集分析。表1显示了断路器的主要参数。

表1 断路器动作参数

4.1 不同储能电压的开断实验分析

实验对所设计的高压断路器电机操动机构控制系统的实用性进行了验证，分析使用开关电容器网络后对断路器动触头分闸和合闸过程中的速度影响。分别在200V和220V的操动电压下开展高压断路器分合闸实验。图6所示为不同储能电压下的合闸特性曲线。

图6 不同操作电压下的合闸曲线

图6(a)为操作电压200V 时的实验曲线，断路器合闸时间为86．4ms，重合闸时间为56ms，响应时间为18ms，电机转动距离为38ms，第一个1/3行程为20mm，时间为10．2ms 平均速度为1．96m/s。图6(b)为操作电压220V时的实验曲线，总合闸时间为80ms，行程时间52ms，机构响应时间为15ms，触头行程为37ms，平均速度2．19m/s。

断路器分闸时，由于受到弹簧弹力和重力的作用，总分闸转矩对电机操动机构分闸起动力的作用，因此分闸不需要太多的能量。本文在140V和150V的操作电压下进行分闸试验，图7为不同储能电压下的分闸特性曲线。

图7 不同电压下的分闸曲线

图7(a)为断路器在140V操作电压下的分闸特性曲线，断路器分闸时间为82．3ms，平均分闸为1．50m/s，图7(b)为断路器在150V操作电压下分闸实验曲线，总分闸分闸时间76ms，行程时间为40ms，3/4平均分闸速度1．6m/s。

4.2 开关电容网络升压实验

开展200V 操作电压下开关电容器网络的分合闸实验，并对断路器动触头分合闸动态特性进行了研究，图8为200V电压下不同放电方式下的合闸特性曲线。图8(a)为断路器合闸时间为86．3ms，行程时间为56ms，电机操动机构响应时间为18ms，开距阶段驱动电机作用时间为38ms，平均合闸速度为2m/s。图8(b)开关电容网络下关合实验曲线，合闸时间75．2ms，超程时间为36ms，行程阶段驱动电机作用时间31ms，平均合闸速度2．7m/s。

图8 不同电压下的合闸特性曲线

开展150V操作电压下开关电容器网络的分闸实验，并对断路器动触头分闸动态特性进行了研究，图9为150V电压下不同放电方式下的分闸特性曲线。图9(a)为断路器合闸时间为76ms，行程时间为40ms，平均合闸速度为1．6m/s。图9(b)开关电容网络下分闸实验曲线，分闸时间51ms，超程时间为30ms，平均合闸速度3．3m/s。

图9 150V电压下的分闸曲线

5 结束语

本文以高压断路器电机操动机构为研究对象，搭建了高压断路器电机操动机构的开关电容网络升压装置，开展了不同电压等级下的断路器分合闸实验和开关电容网络实验。并对得到的高压断路器电机操动机构动态特性曲线进行分析，结论如下：

验证了操作电压对高压断路器电机操动机构动态特性影响，操作电压由200V 提升到220V，断路器合闸时间降低6．3ms，合闸速度提升0．24m/s；断路器分闸时，操作电压由140V 提升到150V，分闸时间降低6．5ms，分闸速度提高0．12m/s。

开展了开关电容网络下分合闸实验，单个电容电压为200V，合闸时电容以传亮方式供电，操作电压为400V，与普通合闸实验相比，合闸时间减少了12ms，合闸速度提高0．7m/s。与普通的分闸实验相比，开关电容网络的分闸时间降低26ms，分闸速度提高了1．7m/s，在能量一定的情况下，开关电容网络能明显降低断路器分、合闸时间，提升断路器的分合闸速度，验证了开关电容网络装置对高压断路器电机操动机构有明显积极的影响。