關于10kV常壓密封空氣絕緣環網柜自動化成套裝置驅動裝置

寧波耀華電氣科技有限責任公司 呂恩林 朱慶荷 王競如 劉曉穎 劉堅鋼

隨著社會的不斷進步和發展，人們對于10kV常壓密封空氣絕緣環網柜技術創新也從未止步，針對其中真空開關相關所包含的操動機構也作出各方面的技術改進，以滿足現代配電網的各種要求。真空開關執行機構的工作原理是：當動、靜觸頭在操動機構的作用下分閘時，觸頭間產生電弧，由于觸頭處在真空滅弧室的真空環境下，其電弧容易熄滅；按照功能型式不同、采用的操作機構不同，常用的操作機構有電磁操作機構、彈簧操作機構、永磁操作機構等。

在當前10kV配網新建與升級改造工程中，10kV常壓密封空氣絕緣環網柜配網自動化成套設備是不可或缺的重要組成部分，其屬于一種新型的智能電網配網設備，相對傳統的KYN環網柜和六氟化硫環網柜，具有體積小無六氟化硫氣體、采用常壓密封真空滅弧技術的優勢，設備不僅環保性且穩定性和可靠性高。因此，要想進一步促進該配電系統的應用發展，就要對其自動化成套裝置驅動裝置功能的有效提升給予相應的重視，尤其是要加強雙回路永磁驅動模塊系統的優化設計[1]。

1 常用的操作機構介紹

1.1 電磁操動機構

電磁操作機構完全依靠合閘電流流過合閘線圈產生的電磁吸力來合閘，同時壓緊跳閘彈簧，跳閘時主要依靠跳閘彈簧來提供能量。電磁操動機構在真空斷路器發展初期得到了比較廣泛的應用，但是電磁操動機構結構笨重、動作時間較長，在沒有電源情況下無法進行合閘操作[2]。

1.2 彈簧操動機構

該類型機構是目前最常用的機構，其合閘分閘都依靠彈簧來提供能量，跳合閘線圈只是提供能量來拔出彈簧的定位卡銷，所以跳合閘電流一般都不大。彈簧儲能通過儲能電機壓緊彈簧儲能，合閘母線主要給儲能電機供電，電流也不大，所以合母、控母區別不太大。

彈簧操動機構是真空斷路器最常用的一類操動機構，它的優點是不需要大功率的直流電源，只需要一個小功率的交直流兩用的儲能電動機，并且在沒有電源情況下進行合分閘操作[3]。其缺點是結構比較復雜，零件數量多，且要求加工精度高、故障率較高。并且彈簧操動機構的出力特性與真空斷路器的負載特性不相匹配，要在輪廓曲線和連桿結構上進行合理設計。

1.3 永磁操動機構

永磁操作機構是最近才應用到國內市場的一種新機構，它的原理同電磁型大體有點類似，主動軸為永磁材料制成，永磁體周圍有電磁線圈。正常情況下電磁線圈不帶電，當開關要分閘或合閘時，通過改變線圈的極性利用磁力相吸或排斥的原理驅動分閘或合閘。雖然這個電流也不小，但開關是通過一個大容量電容來“儲能”，動作時通過電容放電來提供大電流。這種結構工作時主要運動部件只有一個，無需機械脫、鎖扣裝置，體積小、故障源少、可靠性較高，且使用壽命長，一般達十萬次以上，同時控制分合閘相位，實現同步控制，從而減少過電壓和涌流對系統的沖擊，減少系統保護的投入，提高系統整體壽命。

永磁操動機構是一種發展時間較短的操動機構，它使用永磁體取代了傳統的鎖扣裝置實現真空斷路器分、合閘位置的保持，永磁操動機構工作時主要運動部件只有一個，分、合閘電流小，對操作電源的要求較低，其噪音也低。永磁操動機構結構比較簡單，動作可靠性高，機械壽命長、體積小、重量輕。目前，10kV常壓密封永磁空氣絕緣環網柜真空開關雙回路永磁驅動是一種比較先進可靠的技術。

2 雙回路永磁驅動模塊系統設計現狀

2016～2019年3月之前，廣東地區使用的永磁開關本體驅動模塊，均為單驅動回路設計模式（即驅動模塊內部只有一路驅動出口），永磁驅動模塊安裝在一次機構室，作為永磁操動機構的一個附件。當時的永磁開關技術處于萌芽期，各項技術都在發展與驗證階段，因此在運行中暴露出較多的問題。如永磁開關需求的能量較高，驅動電流過大，導致合閘困難且容易因過流過熱燒毀線圈，嚴重時還會造成觸電爆炸等風險。

在2年多的運行經驗基礎上，為解決上述問題，佛山地區先行試用雙回路永磁本體驅動模塊，并對永磁驅動模塊進行了一些技術要求：首先，集成小型化設計，2U機箱高度內部集成電容；其次，可安裝在二次柜頂，與永磁開關的連接采用標準定義的航插頭與航插座，且線序均有明確唯一定義；第三，永磁驅動模塊采用雙回路獨立設計，通過硬壓板切換與開關的連接，人工可在現場隨時切換驅動回路；最后，永磁驅動模塊自帶后備儲能電池，方便現場無電時調試。雙回路驅動模塊工作原理示意圖大致如圖1。

雙回路驅動模塊的出現，解決了前期驅動模塊的大部分問題，有效的推進了永磁開關技術的發展。但在整體運行中，也伴隨著發現了不少新問題。

3 雙回路永磁驅動模塊系統設計中存在的不足

3.1 備用回路電氣性能靜置失效

按照技術要求，雙回路驅動獨立設計互不影響。部分廠家設計時，將不在運行態的回路（例如備回路）不帶電運行，僅運行態（例如主回路）的回路帶電運行。而電子元器件及電容有個特點：在其被生產后，長期不帶電運行、其性能下降速度加快，損壞率較高。例如電解電容在長時間放置過程中，氧化膜的絕緣性能下降，會導致電解電容漏電流增大的現象。如果放置的時間足夠長，漏電流足夠大，再次使用通電時，大電流會產生很大的熱量使得電解電容鼓底或爆漿。實際運行中發現，主回路損壞后，切換到備回路，而備回路由于長期不帶電靜置其內部元器件已經失效，備用回路一起損壞無法運行，失去了主備互為備用的作用[4]。

3.2 瞬間功率匹配失衡

最初技術規范制定時，考慮到現場取電PT功率、直流屏功率，對永磁驅動模塊的輸入功率進行了約束，不超過100W；又考慮到重合閘的充電時序，對儲能充電時間進行了約束，不允許超過5s。這兩個指標是沖突的，充電越快意味著要求輸入功率越大越好；而輸入功率又限制了最大功率的獲取值。為了解決靜置失效問題，兩個回路（主、備）都要帶電運行，因此存在一定的時刻兩個回路的電容同時儲能，而同時儲能時兩個回路同時會向外部電源索取較大功率。

如果此時滿足儲能時間要求，則瞬間功率會超過需求功率，引起的結果就是外部電源輸出過載，從而引起電源打嗝甚至自保護（如直流屏，在出現上述瞬間過載的情況時就會不停的出現輸出、失電、保護、輸出、失電、保護），嚴重的會拖死外部電源進入到一個異常態，使整柜或整站其余設備失電；如此時滿足功率要求則儲能功率受限，內部主備回路各自的電源系統會互相競爭功率，易引起兩個回路電源系統功率瞬間失衡，輕則引起內部電容儲能時間變長（如從5s變到10s），重則引起內部電源系統互鎖進入到異常態使得驅動模塊短時失效[5]。

3.3 某一回路狀態異常影響另一回路

雖然主備回路的電氣回路完全互相獨立設計，但其輸入電源、驅動輸出接口、開入信號、信號出口均為同一個。兩套回路無法徹底斷開，一個回路的異常會有可能影響至另一個回路。即當主回路升壓電源出現異常短路情況，拖累輸入電源輸出側短路從而無法啟動，使得備用回路升壓電源無法工作。另外，主回路在位檢測失效，其始終認為主回路在線，不釋放信號控制權給備回路，從而備回路工作狀態無法正確上送。如圖2所示，當回路1在位檢測異常時，回路1的已儲能狀態就能輸出至驅動模塊整機儲能信號處，即使此時回路2是未儲能狀態，但對外輸出的儲能信號也是回路1的已儲能狀態。

圖2 回路的狀態

4 提高永磁雙驅動模塊系統設計質量的優化措施

現今，10kV常壓密封永磁空氣絕緣環網柜真空開關雙回路永磁驅動模塊經常出現質量不穩定情況，一定程度上不僅會給整個設備的正常運行造成很大影響，而且還會降低配網工程的運行安全。因此，要想避免這種情況的發生，就應對雙回路永磁驅動模塊進行優化設計，加強對其雙回路永磁驅動模塊系統設計的分析，以便找出具體缺陷和不足，并采取針對性的措施加以全面完善，這樣才能提高模塊設計質量，滿足設備安全穩定運行需求。

4.1 各驅動回路、儲能回路的優化設計

采用通用型對插接口與主殼體板件進行連接，實現了良好的即插即用功能；當需要進行更換時，在現場無需停電、無需拆換整體驅動模塊，僅需將模組元件直接拔出更換為全新模組即可；也可根據現場實際需求，任意配置驅動回路的回路，給用戶和使用人員提供了較大的配置靈活性,概念示意圖如圖3所示。

圖3 驅動裝置概念示意圖

4.2 驅動回路儲能電源的優化設計

當多路驅動回路模組同時在線時，驅動回路能夠自動智能識別在線回路，輸入電源功率會優先將儲能輸出至在線儲能回路，在空閑時再將功率分配至其他備用儲能回路；同時增加電源之間防鎖死功能，在一路電源持續異常的情況下，硬件能夠自動隔離異常回路，當修復或者更換完新的回路時，重啟后又能夠自動接入。另外要開發可靠性、安全性更高的驅動回路，使其自帶全面的運行自檢功能，能夠在運行過程中實時對回路的硬件情況進行自檢，出現問題時可及時報警[3]。

4.3 主、備回路優化設計

由于驅動模塊的驅動回路、儲能回路為模組元件化設計，因此在此基礎上實現各模組之間的無縫切換、熱備用功能，即在任一回路異常或短時間無法出口時，無需人工參與（當前方案需人工去現場切換回路），自動實現戶口回路之間的切換，從而實現多路驅動熱備用的功能。這不僅帶來更高的可靠性，也極大降低人員運維的工作量。

5 結語

隨著我國配網工程建設規模的不斷擴大，10kV常壓密封永磁空氣絕緣環網柜自動化成套裝置技術體系也越發成熟，為了使其整體應用性能發揮到最大化，就要在現有技術條件基礎上進行不斷的優化創新，尤其是要結合現階段智能配網建設要求對永磁驅動模塊設計方案進行全面優化，使其智能自動化控制功能得到進一步的提升，這樣才能切實滿足配網工程長期穩定運行需求。