淺談10kV柱上永磁真空斷路器中的關(guān)鍵技術(shù)

摘 要：文章首先對(duì)10kV永磁柱上真空斷路器在配電網(wǎng)中的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行回顧，并逐一分析了在電網(wǎng)中柱使用的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。其次，分別從10kV永磁柱上真空斷路器中的幾項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)：永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，真空滅弧裝置，基于DSP的智能控制器，論述了其技術(shù)原理和其使用情況，并詳細(xì)闡述了柱上斷路器作為新時(shí)期電網(wǎng)斷路設(shè)備的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景，另外文章還詳細(xì)介紹了DSP微處理器的工作原理及適用條件。最后，文章通過和現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)比，對(duì)10kV柱上永磁真空短路器的技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：柱上斷路器；永磁操動(dòng)；智能控制

1 概述

隨著我國各區(qū)域經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在用戶用電量持續(xù)不斷增加的同時(shí)，也提出了電網(wǎng)可靠性和供電質(zhì)量方面更高的要求；配電網(wǎng)中柱上斷路器在聯(lián)絡(luò)、分段和支線中的廣泛應(yīng)用，為提高供電可靠性做出了巨大貢獻(xiàn)。目前的10kV中壓配電網(wǎng)絡(luò)中，柱上斷路器已逐漸取代隔離開關(guān)，并在轉(zhuǎn)型成為智能電網(wǎng)的過程中發(fā)揮著積極的作用。與傳統(tǒng)的隔離開關(guān)相比，柱上斷路器可以在有載情況下進(jìn)行操作，觸頭一般在高真空環(huán)境中，或者在絕緣介質(zhì)內(nèi)，具有滅弧功能。同時(shí)，其還具有保護(hù)功能，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)允許設(shè)備進(jìn)行分離動(dòng)作。而隔離開關(guān)一般是無載操作，具有明顯的斷開電路的可見點(diǎn)，斷開電路的部分一般沒有絕緣介質(zhì)，也沒有高真空的環(huán)境，一般都是在普通的大氣狀態(tài)下，其體積也更大，同一電壓等級(jí)和電流的設(shè)備都要占用更大的區(qū)域。使用柱上斷路器能夠擴(kuò)大故障時(shí)的停電范圍，能夠使其在故障點(diǎn)直接進(jìn)行帶負(fù)荷斷電操作，完成更加精準(zhǔn)的停電工作。由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，目前柱上斷路器在中壓領(lǐng)域內(nèi)歐美等發(fā)達(dá)國家使用比率已高達(dá)60%。目前市南電力集團(tuán)閔行分公司采用了FZW32E-12型智能戶外真空斷路器，該產(chǎn)品采用全新設(shè)計(jì)的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，開斷性能可靠，滿足公司配電網(wǎng)改造要求。

2 10kV永磁柱上真空斷路器系統(tǒng)原理

柱上斷路器的分類有很多種，這里選取了目前較為流行的中壓10kV戶外永磁斷路器作為文章的主要研究對(duì)象。10kV柱上永磁斷路器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要有以下幾部分所組成：隔離開關(guān)、真空滅弧室、控制箱、永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、互感器等。

隔離開關(guān)（俗稱閘刀）在真空斷路器中起著指示和保護(hù)的雙重作用，其作用是給操作人員制造一個(gè)可見的間斷點(diǎn)。真空滅弧室是斷路器的最重要的組成部分之一，起到滅弧的作用，是柱上斷路器的重要組成部分。互感器指的是變壓器互感器和電流互感器，而永磁機(jī)構(gòu)所組成的保護(hù)機(jī)構(gòu)是各部件中必不可少的組成部分，是斷路器的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)將電磁能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，負(fù)責(zé)執(zhí)行整個(gè)斷路器輸控信號(hào)，信號(hào)源的斷路器控制箱與柱上斷路器主體形成操動(dòng)運(yùn)作的結(jié)構(gòu)。斷路器和控制器通常使用多芯通信電纜連接輔助開關(guān)，在指示部分沒有機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制線路，能夠起到安全和短路斷指示作用。

3 10kV永磁真空斷路器中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 真空滅弧室

柱上斷路器中包含真空滅弧室，真空滅弧室是通過真空管進(jìn)行工作的，使用一對(duì)觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)線路的接通與斷開同時(shí)周圍也有較好的絕緣環(huán)境。它的工作原理如下：當(dāng)滅弧室觸頭發(fā)生動(dòng)作時(shí)，此刻分離的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)接觸電流大幅聚焦到點(diǎn)的接觸，此刻觸頭的在電極之間形成巨大的電阻。觸電間的溫度急速上升，電極上的金屬被蒸發(fā)。在擊穿電場(chǎng)之間形成接觸間隙，并形成真空電弧。隨著電極間的間隙越來越大，間隙之間最終變成了絕緣環(huán)境。這樣就在同時(shí)完成了觸點(diǎn)的分離。

3.2 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)

操動(dòng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件是真空斷路器，也是真空斷路器的發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)之一。早期的真空斷路器，配有電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件數(shù)量相對(duì)較小，相對(duì)較為可靠，低制造成本也比較低，但由于使用需要配備電池作為直流電源設(shè)備、日常維護(hù)成本和投資較高，已被逐漸淘汰。在20世界90年代初，電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)得到了國外廣泛認(rèn)可，因?yàn)槠洳恍枰芏嚯姵毓╇姡褂靡脖入姶挪賱?dòng)機(jī)構(gòu)更靈活。電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并依賴于連桿、鎖定蓄能彈簧來實(shí)現(xiàn)操作的功能，而且環(huán)節(jié)多，結(jié)構(gòu)分散，導(dǎo)致其控制不良。電動(dòng)彈簧機(jī)構(gòu)、需要加工精度高、制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，很難達(dá)到所需的級(jí)別要求。

3.3 基于DSP芯片的智能控制器

數(shù)字信號(hào)處理：

數(shù)字信號(hào)處理是一種真實(shí)的信號(hào)（稱為連續(xù)信號(hào)的技術(shù)術(shù)語）轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以在過程中處理的信息。這些信號(hào)通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的過程（簡(jiǎn)稱AD），轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)到計(jì)算機(jī)上的，使計(jì)算機(jī)能夠成功識(shí)別。完成處理后，再將結(jié)果返回（稱為DA）的模擬信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)型的過程。使用通用微處理器可以在一般的使用條件下，完成這項(xiàng)工作，但它所面臨的問題是，如果要達(dá)到非常高的速度、通用的微處理器一般很難保證。

DSP微處理器具有很高的處理速度。因?yàn)槭褂脳l件決定了這些處理器都必須有很高的即時(shí)性。如通過電話呼叫，如果處理速度將不得不等待對(duì)方完成，和另一方主動(dòng)發(fā)起呼叫。如果兩個(gè)同時(shí)調(diào)用，那么數(shù)字信號(hào)處理速度會(huì)出現(xiàn)不足，只能關(guān)閉信號(hào)連接。

4 結(jié)束語

通過以上的研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，柱上斷路器包含了機(jī)械設(shè)計(jì)、高級(jí)語言編程、計(jì)算機(jī)測(cè)控、材料科學(xué)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，隨著這些領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展和提高，柱上斷路器研究正向著橫向和縱向不斷地發(fā)展。目前又出現(xiàn)了如非均勻縱向磁場(chǎng)滅弧室技術(shù)、雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)等最新技術(shù)，其突出的優(yōu)勢(shì)和更加穩(wěn)定的運(yùn)行可靠性越來越明顯，越來越受到電力部門和廣大用戶的認(rèn)可，發(fā)展前景十分廣闊。相信在我們的共同努力下，越來越多先進(jìn)設(shè)備將會(huì)投入到智能電網(wǎng)建設(shè)當(dāng)中去，我國的電力建設(shè)事業(yè)也一定會(huì)有一個(gè)美好的明天！

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作者簡(jiǎn)介：吳嘉軼（1987，1-），男，漢族，上海市，本科，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，線纜班施工員。