永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器智能控制裝置的設(shè)計(jì)

　　成果簡(jiǎn)介：

　　原創(chuàng)科技創(chuàng)新實(shí)物作品成果——永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器智能控制裝置的設(shè)計(jì)，已在浙江紀(jì)元電氣集團(tuán)試驗(yàn)且運(yùn)行效果良好。

　　本成果于2015年5月獲得第十屆西安高新“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽二等獎(jiǎng)；擁有已受理發(fā)明專利一項(xiàng)（“單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)戶外真空斷路器智能控制裝置”），已授權(quán)使用新型專利一項(xiàng)（“單穩(wěn)態(tài)柱上永磁機(jī)構(gòu)斷路器操作脈沖控制裝置”），同時(shí)已發(fā)表論文四篇，EI檢索三篇（“單穩(wěn)態(tài)柱上永磁機(jī)構(gòu)斷路器電源設(shè)計(jì)”、 “智能變電站斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)IED設(shè)計(jì)”、“基于物聯(lián)網(wǎng)的智能高壓開(kāi)關(guān)柜設(shè)計(jì)”、“10kV永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器智能控制器設(shè)計(jì)”）。

　　成果內(nèi)容提要：

　　主要觀點(diǎn)：

　　在配電網(wǎng)中，10kV饋電線路占有相當(dāng)大的比例，而在10kV饋電線路的用戶與供電公司的T接點(diǎn)處，一般僅安裝熔斷器或分界負(fù)荷開(kāi)關(guān)作為保護(hù)和控制設(shè)備，難以迅速隔離故障用戶并且影響非故障用戶的供電可靠性。近年來(lái)隨著各種永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器相繼被研制出來(lái)，其作為當(dāng)前電力系統(tǒng)中一種新型電氣設(shè)備，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、重量輕、滅弧能力強(qiáng)、故障率低等多方面的優(yōu)勢(shì)，受到各電力行業(yè)的青睞。本裝置是針對(duì)永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器控制裝置的智能化和綜合自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)而研制的，集保護(hù)、測(cè)量、控制、通信等功能于一體，采用電力電子控制模塊，動(dòng)作迅速，而且可以實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制，使永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器成為真正意義的免維護(hù)智能化斷路器。主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

　　電源管理功能：管理配電線路PT與蓄電池組進(jìn)行互補(bǔ)供電方式，使整個(gè)控制裝置可以在斷電情況下持續(xù)運(yùn)行48小時(shí)；對(duì)蓄電池組的充放電進(jìn)行管理，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

　　測(cè)量功能：通過(guò)繼電保護(hù)專用PT和CT進(jìn)行配電線路電壓、電流信號(hào)的采集，經(jīng)過(guò)FFT算法運(yùn)算后將采集的數(shù)據(jù)送入主控MCU，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)更新，提供保護(hù)邏輯判斷及液晶顯示使用，且測(cè)量精度達(dá)到1級(jí)要求。

　　保護(hù)及報(bào)警功能：具有電流速斷保護(hù)、定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)、四種反時(shí)限過(guò)流保護(hù)、零序保護(hù)、自動(dòng)重合閘、后加速保護(hù)等保護(hù)功能，可以對(duì)保護(hù)進(jìn)行選擇，整定值設(shè)置，延遲時(shí)間更改等功能，并且可以實(shí)時(shí)顯示故障狀態(tài)及SOE事件查詢。

　　控制功能：通過(guò)MCU控制IGBT導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)而控制線圈通電時(shí)間，以此完成對(duì)分合閘操作的精確控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的可靠分閘脈沖時(shí)間為20ms、合閘脈沖時(shí)間為40ms。

　　通信功能：本控制裝置通過(guò)RS232實(shí)現(xiàn)各模塊之間通信，并可通過(guò)GPRS或以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制裝置與監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)人機(jī)交互及通信，從而實(shí)現(xiàn)智能斷路器與監(jiān)控中心的遙測(cè)、遙控、遙信等功能。

　　創(chuàng)新點(diǎn)：

　?。?）PT與蓄電池組互補(bǔ)供電方式：當(dāng)配電線路中出現(xiàn)電壓跌落嚴(yán)重或者出現(xiàn)配電線路斷電時(shí)，可以使用蓄電池組給整個(gè)裝置供電，最短維持時(shí)間不少于48小時(shí)，且可以給電容充電，滿足最少一組“分-合-分”的操作，從而保證整個(gè)控制裝置不間斷供電的目的。

　　（2）永磁機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路：采用IGBT全橋驅(qū)動(dòng)電路可以快速關(guān)斷線圈中的大電流，從而控制斷路器實(shí)現(xiàn)分合閘操作。與此同時(shí)硬件及軟件分別采用閉鎖功能，防止出現(xiàn)橋臂直通燒壞IGBT，從而減少斷路器的誤操作。

　?。?）減少能量損耗：經(jīng)過(guò)斷路器分合閘操作時(shí)線圈電流波形分析，從而確定斷路器的最優(yōu)分、合閘脈沖時(shí)間。該斷路器的分合閘時(shí)間縮短即能量消耗少的同時(shí)按鍵、遙控及上位機(jī)遠(yuǎn)方控制分合閘試驗(yàn)成功率均達(dá)100%，動(dòng)作可靠性高。

　?。?）繼電保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)：10kV配網(wǎng)中常見(jiàn)的故障有單相接地、相間短路、相間短路接地等故障。本裝置通過(guò)速斷保護(hù)保、定時(shí)限過(guò)流和反時(shí)限過(guò)流保護(hù)、零序保護(hù)等功能實(shí)現(xiàn)對(duì)被保護(hù)線路的智能診斷，并通過(guò)三次重合閘及加速功能可以有選擇性的及時(shí)切除瞬時(shí)故障，有選擇性的切除永久故障，從而保障配網(wǎng)供電的安全、可靠運(yùn)行。

　　（5）操作系統(tǒng)的嵌入：通信程序中嵌入μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以提高控制裝置的可靠性和實(shí)時(shí)性。同時(shí)該控制裝置具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示各種電量及非電量參數(shù)、設(shè)定和修改保護(hù)定值及故障事件記錄（SOE）等功能，且提供GPRS、以太網(wǎng)通信接口，可以實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程控制及監(jiān)控的同時(shí)，并可實(shí)現(xiàn)就地遙控及按鍵，手動(dòng)機(jī)械分閘等操作。

　　（6）本裝置是針對(duì)永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器控制裝置的智能化和綜合自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)而研制的，采用模塊化控制模式集測(cè)量、保護(hù)、控制、通信等功能于一體。

　　這種模塊化的設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的斷路器的控制模式，不同的模塊完成不同的功能，且各模塊相對(duì)獨(dú)立并行工作，即使其中任一模塊發(fā)生故障也不會(huì)影響其它模塊，并且更新?lián)Q代只需更換模塊即可，具有很可觀的經(jīng)濟(jì)效益，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

　　實(shí)踐意義：

　　在我國(guó)農(nóng)網(wǎng)及城市配電網(wǎng)中，10kV饋電線路占有相當(dāng)大的比例，而在10kV饋電線路的用戶與供電公司的T接點(diǎn)處，一般僅安裝熔斷器或分界負(fù)荷開(kāi)關(guān)作為保護(hù)和控制設(shè)備，難以迅速隔離故障用戶并且影響非故障用戶的供電可靠性。本設(shè)計(jì)針對(duì)10kV配網(wǎng)中的這種問(wèn)題，并結(jié)合新型永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)與其配套的永磁真空斷路器控制裝置，其主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路的保護(hù)、監(jiān)測(cè)及對(duì)斷路器的遠(yuǎn)程控制和集中管理。對(duì)于提高配電網(wǎng)智能化、自動(dòng)化程度和安全性      具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

　　本裝置是針對(duì)永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器控制裝置的智能化和綜合化的發(fā)展趨勢(shì)而研制的集保護(hù)、測(cè)量、控制、通信等功能于一體。采用電力電子控制模塊，動(dòng)作迅速，而且可以實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制，使使永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器成為真正意義的免維護(hù)智能化斷路器。具有十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：如供電公司、煤礦、電力公司、油田等。不僅減少設(shè)備檢修費(fèi)用而且也避免了設(shè)備故障所帶來(lái)的巨大人員及經(jīng)濟(jì)損失。面對(duì)配網(wǎng)中寬闊的市場(chǎng)，通過(guò)對(duì)斷路器控制裝置進(jìn)行技術(shù)改造，使其為我國(guó)智能電網(wǎng)輸變電工程提供一種新的研究策略，必將取得可觀的社會(huì)效益和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。