電力電子技術在智能高壓開關設備中的應用

李良權 宋亞凱

摘 要：智能高壓開關設備已經(jīng)成為智能電網(wǎng)不可或缺的組成部分，得到越來越廣泛的應用。本文主要介紹了電力電子技術在智能高壓開關設備中的應用，用于各監(jiān)測控制單元電源模塊、用于新型操動機構及用于新型開斷技術。

關鍵詞：智能高壓開關；電力電子技術；操動機構；開斷技術

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）22-0055-02

Application of Power Electronics Technology in Intelligent

High Voltage Switchgear

LI Liangquan SONG Yakai

（Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

Abstract： Intelligent high voltage switchgear has become an indispensable part of smart grid， and it has been applied more and more widely. This paper introduced main applications of power electronics in the intelligent high voltage switch equipment， which was used in the power module of the monitoring control unit， the new operating mechanism and the new open breaking technology.

Keywords： intelligent high voltage switch；power electronic technology；actuating mechanism；breaking technology

隨著智能電網(wǎng)建設的推進，智能高壓開關設備應用越來越廣泛，相關技術也不斷發(fā)展。電力電子技術以其獨有的技術特點成為當前電網(wǎng)技術的研究熱點。當前的智能高壓開關技術中也應用了一部分電力電子技術。而這些技術的應用對提高智能高壓開關設備性能具有重要影響。

電力電子技術在智能高壓開關設備中主要有以下幾方面用途：①作為監(jiān)測單元和控制單元的電源模塊；②作為控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構的接口；③電力電子電路與機械觸點電路并聯(lián)，轉移開關分閘操作時的電流，能實現(xiàn)無弧開斷。

1 電力電子技術在智能高壓開關電源技術中的應用

智能高壓開關的監(jiān)測單元和控制單元的電源模塊電路配置取決于對監(jiān)測和控制器中各功能模塊工作電壓的要求、電源模塊的供電方式和電源模塊的成本。其中，以直流電源應用居多，常用的有DC220V、DC24V、DC12V、DC5V等。

圖1的監(jiān)控電源結構采用電力電子開關電源模塊可以方便地實現(xiàn)幾組相互隔離、不同電壓幅值或極性的輸出直流電壓，且輸入電壓可調范圍較寬，可以與電壓互感器二次側輸出電壓或低壓電網(wǎng)的220V交流電壓兼容，功耗小、溫升低、穩(wěn)壓性能更好，可以有效地簡化電源電路的設計。

電源模塊作為高壓電器的一部分，電磁兼容性能要求高。與傳統(tǒng)模擬穩(wěn)壓器相比，采用電力電子電源模塊能使用更少的電路元件，簡化了相關配置結構，且開關電源在硬件電路和外觀設計方面可進行完善的電磁屏蔽設計。在軟件設計方面，多采用智能程序控制，有效降低外部電磁場干擾，有很強的抗電磁干擾能力，有利于電源部分的EMC（電磁兼容）設計。

2 電力電子技術在智能高壓開關操動機構上的應用

在電網(wǎng)中，高壓開關設備通過對電路的接通和分斷操作完成電能傳輸、分配和供給，并對各負載進行保護和控制。在實際應用過程中，監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，并結合控制程序算法實時計算出是否需要進行分合閘操作。若需要進行開關分合閘操作，就要通過控制系統(tǒng)發(fā)出指令，調節(jié)操動機構，實現(xiàn)高壓開關的分合閘控制。

相控開關技術（Phase-Controlled Switching，PCS）是根據(jù)線路電壓或電流的相位來合理控制高壓斷路器的合分時刻，從而抑制電網(wǎng)中的操作過電壓和涌流的一種技術，在電能質量和特高壓輸電等領域具有廣闊的應用前景。相控開關技術要求高壓斷路器具備較高的可控性與可靠性。傳統(tǒng)的高壓開關設備，操動機構以彈簧機構和液壓機構為主，其傳動部分多為機械零部件，動作特性的分散性較大，非常不利于實現(xiàn)分合閘操作的精確控制。此外，由于需要承受瞬間較大的沖擊，對機械零件較多的傳統(tǒng)操動機構的可靠性設計方面也存在許多問題。如果采用基于電力電子技術新型操動機構，可減少機械傳動環(huán)節(jié)和機械零部件數(shù)量，有效提高高壓開關設備的可控性和可靠性，便于實現(xiàn)相控技術的應用。新型操動機構結構如圖2所示。

2.1 永磁操動機構

現(xiàn)在多采用永磁操動機構，并利用電子技術、電力電子技術和計算機技術完善控制單元[1]。如果圖2所示的斷路器的執(zhí)行機構是電磁鐵線圈，則電路的工作原理如下：控制器監(jiān)測和分析現(xiàn)場工作狀態(tài)，根據(jù)分析結果選擇合適的電壓或者電流相角，適時發(fā)出分、合閘操作指令，按照實際工作要求接通、分閘操作電磁線圈。

對于智能控制的斷路器，在電磁線圈接通期間，控制器需要合理地調節(jié)線圈電壓，以得到要求的操動機構出力特性。當操動機構主電路電力電子裝置采用IGBT、MOSFET等全控型開關器件時，可以在斷路器進行合、分閘操作，使開關器件以較高頻率接通和分斷，控制器根據(jù)出力特性控制通斷占空比，即可方便調節(jié)電磁鐵線圈的工作電壓。

2.2 電機驅動原理的操動機構

原有的操動機構多為液壓、氣動、彈簧及液壓彈簧操動機構，而新型操動機構利用先進的數(shù)字技術和電力電子技術并且與電動機相結合，在滿足斷路器操動機構的所有核心要求的同時，在性能和功能方面具有許多新優(yōu)勢。如圖2所示，控制單元采用基于DSP的電機操動機構伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各種運動控制策略；執(zhí)行機構是可控性較高的伺服電機；電機驅動單元采用電力電子裝置，方便地利用DSP等運算處理單元發(fā)出的控制信號來改變電力電子開關器件的開關狀態(tài)，從而達到控制電機的目的。采用電機驅動操動機構可以較為方便地實現(xiàn)操動機構動作特性的控制，降低機構動作分散性，完全實現(xiàn)斷路器開斷和關合過程的智能控制，提高斷路器運行的可靠性和機械壽命[2]。

3 電力電子技術在新型開斷技術上的應用

隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，電力電子器件在電器設備上逐漸得到廣泛應用，為研究和解決滅弧問題提供了新的思路。由電力電子開關器件構成的固態(tài)高壓開關，是一種無觸點開關，在通斷過程中不產(chǎn)生電弧，動態(tài)開關特性非常優(yōu)越。

在中低壓的直流系統(tǒng)中，利用電力電子開關器件IGBT作為無觸點開關與直流接觸器的觸點并聯(lián)，接通負載時無觸點開關IGBT先動作閉合電路，然后接觸器觸頭閉合電路，IGBT退出運行。在負載電路斷開時，無觸點開關IGBT先導通，然后接觸器觸頭斷開，電流再瞬間轉移到IGBT中，接觸器觸頭實現(xiàn)無弧斷開，整個電路可以實現(xiàn)無電弧開斷。

由于直流系統(tǒng)中不存在過零點，給直流電流開斷帶來了較大困難。目前，在高壓直流開斷技術領域有兩種開斷思路，這兩種思路均以電力電子技術為基礎。一種思路是采用混合式拓撲結構，例如，混合式直流斷路器，采用機械斷口與電力電子電路并聯(lián)的混合式拓撲結構，既解決了電力電子器件長期通流損壞大的問題，又實現(xiàn)了無電弧開斷。另一種思路是，利用電力電子電路與電容電感電路相結合，制造出電路過零點，通過機械斷口實現(xiàn)直流系統(tǒng)的開斷。

參考文獻：

[1]張忠蕾，李慶民，婁杰.電力電子控制電動機操動機構分閘運動特性的仿真分析[J].電網(wǎng)技術，2006（18）：58-59.

[2]鐘建英，郭煜敬，林莘，等.高壓真空斷路器用無刷直流電機操動機構控制器設計研究[J].高壓電器，2014（7）：63-69.