光控真空断路器模块低功耗自具电源设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大连理工大学电气工程学院 作者:葛国伟

  光控真空断路器模块应用于多断口真空断路器对电源可靠性和低功耗提出了更高的要求,为此进行了光控真空断路器模块低功耗自具电源模块设计。分析了自具电源的工作原理,优化设计了其取电电磁感应线圈(取电CT)的结构。电容器充电模块从电路结构,器件选型,转变工作方式等降低其工作时损耗。建立了永磁机构操动电容充放电特性模型,分析得到低损耗的最佳间歇控制策略。进行了智能控制器低功耗设计,实现了在线低功耗控制策略和离线休眠工作方式。最后通过试验验证,优化后的取电CT 工作范围在200 A~3 000 A,满足在线自具电源模块工作,整体自具电源正常工作时损耗做到了300 mW,满足电网停电3 周,自具电源系统仍能驱动光控真空断路器动作。设计的自具电源满足系统对断路器的可靠性和智能性的要求。

  引言

  真空断路器应用真空作为灭弧及绝缘介质,熄弧能力强、体积小、重量轻,使用寿命长,无火灾爆炸危险,不污染环境,因此广泛应用于中压领域。但由于真空击穿电压与间隙长度间的饱和效应,单断口真空开关无法应用于更高电压等级,多断口真空开关可以弥补这一缺点。

  国内外已经对多断口真空断路器的动、静态绝缘特性及动态均压问题研究多年,参文通过引入“击穿弱点”概念和概率统计方法建立了双断口及多断口真空开关的静态击穿统计分布模型,得出三断口真空灭弧室的击穿概率比单断口真空灭弧室更低,并通过试验验证。参文分析并验证了均压电容对多断口真空断路器静动态均压效果。参文分析了双断口真空开关开断机理与关键因素。

  传统的多断口真空开关采用的是传统操动机构,整个操动系统的环节多.累计运动公差大而且响应缓慢,可控性差,效率低,各断口的动作同期性较差,不能满足多断口真空断路器的同期性和可靠性的要求。参文提出了基于模块化串联技术构成的多断口真空断路器实现策略:采用永磁机构操动,光纤隔离控制,模块高电位操动,分散性小,可靠性高,体积小,易于串并联。传统的弹簧操动机构采用220 V 交流电控制电磁操动机构脱扣。永磁操动机构的电源主要有站内直流电源、电容器组、蓄电池或者锂电池,来对合、分闸线圈放电[10],但这些电源设计都是低电位电源供电,最终电源都是220 V 市电供电,基于光控真空断路器模块处于高电位,自具电源模块采用高压母线电流取电,解决了高电位供电问题。光控真空断路器模块采用电流取电与蓄电池储存电能联合为整套控制系统浮地供电,由于电流取电磁性元件的非线性限制了取电工作范围和取电功率,所以需要对光控真空断路器模块低功耗自具电源模块进行研究,满足在线充电和离线长时间维持供电的要求。

  本文对电源模块的电磁感应线圈部分进行了优化设计,以获取更宽的工作范围和输出功率。通过操动电容器充电模块电路结构,器件选型,改变工作方式等,降低其工作损耗。建立了永磁机构操动电容充放电特性模型,分析得到低损耗的最佳间歇控制策略。从低功耗和智能化两方面着手进行控制器设计,以满足光控真空断路器模块对可靠性和智能化的要求。

  1、光控真空断路器模块自具电源工作原理

  光控真空断路器模块(FCVIM)是由真空灭弧室,永磁操动机构和自具电源模块构成。光控真空断路器模块系统框图如图1 所示:永磁机构驱动导电杆与真空灭弧室动触头导电杆直接相连,电磁感应线圈(取电CT)从高压母线取能先为蓄电池充电,然后蓄电池通过电容充电模块为操动机构电容充电,在多断口串联时,整个光控真空断路器模块处于高电位,每个模块的动作和状态检测由自具电源模块的智能控制器通过光纤与低电位主控制器实现控制和通信。

光控真空断路器模块系统框图

图1 光控真空断路器模块系统框图

  为了满足光控真空断路器模块的连续可靠的地工作,一方面,取电CT应该有尽量宽的取电工作范围和取电功率,本设计的CT取电范围5%~120%母线电流,取电功率10 W 左右。另一方面需要降低自具电源模块的空载损耗。这样可以确保在线母线电流较小,取电功率较小的时能够满足模块工作而且离线检修停电时,增加蓄电池持续保证模块工作的时间,保证系统可靠。

  6、结论

  1)取点CT 在小电流情况下会进入饱和区,大部分工作在过渡饱和区,输出电压畸变严重,有尖峰。通过采用串联滤波电感50 mH 和匝数50 配合得到满足母线额定电流2 500 A 的5%~120%变化时,输出电压满足自具电源模块工作。

  2)建立了间歇工作方式下,电容器低功耗控制的数学描述,并利用优化算法,得到最佳间歇控制策略,并利用智能控制器实现了该低功耗控制器策略。

  3)通过试验测试,将自具电源模块空载损耗降至300 mW 以下,满足电网停电3 周时,整机仍能正常工作。整机可靠性通过了试验验证,为基于光控真空断路器模块构成的多断口真空断路器的应用提供了保障。

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