优化的永磁真空断路器合闸控制方法

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京交通大学电气工程学院 作者:吕锦柏

  为减小永磁真空断路器分合闸时间的分散性,改善其操作时动触头的运动特性,提出了变电压变输出能量(VVVE)优化方法。分析了开环控制时永磁机构的线圈电流特性,给出了电流的拟合方程及电流曲线的优化方法。在保持电容输出能量不变的情况下,通过类似改变储能电容初始电压(VV)的机制实现对断路器合闸时间的粗调。通过改变电容输出能量(VE)以及类似保持电容初始电压不变的机制实现对合闸时间的微调。采用改进型滞环控制的方法,控制线圈电流与参考曲线一致,实现了对断路器动触头运动特性的优化。基于上述方法设计了相应的控制器,在不同的电容初始电压下,对12kV永磁真空断路器进行了合闸实验。实验结果表明,优化后的合闸时间比原开环控制的合闸时间缩短了约4ms,且偏差≤0.3ms;动触头的刚合速度比原额定开环控制时降低了5%。因此,所提出的方法能够使合闸时间保持良好的一致性,加快了断路器的合闸过程,降低了触头碰撞能量,较大地改善了动触头的运动特性。

  同步关合技术(即选相关合技术),其实质是根据不同负载的特性,控制开关在电压或者电流的最佳相位点完成合闸或分闸操作。同步关合技术可以有效削弱分合闸操作引起的操作过电压和涌流,提高电力系统可靠性和用户电能质量。要实现同步关合,首先要计算并预测电压(电流)的相位,确定合闸(分闸)命令的实际执行时间,已有较多文献给出了相应的计算方法;其次,要求减小机构动作时间分散性,这是实现同步关合的难点所在。传统断路器操动机构动作分散性大、运动可控性差、响应速度慢,使同步关合技术的发展受到了限制。

  永磁机构断路器的出现为实现同步关合提供了技术基础,与传统弹簧机构断路器相比,其零部件少、动作分散性较小、运行可靠性高。然而,永磁操动机构储能电容容量易受温度影响,电压不稳定,线圈电阻率会发生变化,因此会造成一定程度的动作分散性。这些因素对合闸时间的影响是非线性的,难以用精确的数学模型描述。因此,很多文献采用神经网络预测上述因素影响下的分合闸操作时间,以补偿动作分散性。然而,由于在操作过程中动触头的运动过程不受控制,因此其运动特性并不理想,表现为分合闸整体时间较长、刚合速度较高等。为获得更好的动触头运动特性,文献提出了基于动触头位移闭环控制的控制策略,文献进一步提出了自适应位移闭环的控制策略,取得了良好的控制效果。然而,这一类方法在断路器的本体机构上加装了位移传感器,而传感器本身可靠性不高,分合闸时动触头的快速运动以及操作完成时的动触头骤停等会对传感器的寿命产生很大影响,而位移传感器的安装固定也较难,因此限制了其实用性。

  为克服上述应用难点,本文以12kV单稳态真空断路器合闸为例,分析了合闸时的线圈电流波形,通过曲线拟合的方法,给出了合闸的电流方程,并通过变电压变输出能量(varying voltage and varyingoutput energy,VVVE)的方法,对动触头运动特性进行优化。通过类似改变电容初始电压(varying initialvoltage,VV)的原理来实现对合闸时间的粗调,通过类似改变电容输出能量(varying output energy,VE)的原理来实现对断路器合闸时间的微调;结合电流闭环控制方法,有效改善了断路器动触头的运动特性。该方法不仅能保持永磁真空断路器的合闸时间恒定,还能减小合闸时间,控制刚合速度以减小动触头的碰撞能量。

  4、结论

  1)为优化断路器动触头的运动特性,本文提出了永磁真空断路器合闸优化方法,该方法能对断路器合闸时间进行粗调和微调,提高了断路器动触头合闸时的平均速度,并有效控制了刚合速度,保护了动触头。

  2)通过实时计算断路器合闸时应选取的k值和η值,采用文中所述的VVVE参数计算方法来计算电流方程的参数,可以实现断路合闸时间的在线补偿,使永磁真空断路器在不同工况下的合闸时间保持恒定。

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