浅谈40.5kV真空断路器电机操动机构实验

摘 要：近年来，在新技术、新设备的支持下，我国电网建设逐渐向智能化、自动化方向发展。在这一发展过程中，电器设备的智能化是基础，而高压断路器作为电网系统中的重要组成部分，其智能化水平在很大程度上代表这整个电力系统的发展状况。文章以40.5kV户内真空断路器为例，进行了永磁无刷直流电机操作机构与断路器的分、合闸性能实验，为电机操动机构采用智能控制算法实现断路器的智能化提供了事实依据。

关键词：真空断路器；电机操动机构；实验分析

1 开展40.5kV真空断路器电机操动机构实验的意义

电机操动机构以电子公路驱动器件为动力驱动，具有运动部件少、动作分散程度小等优点，在断路器以及其他电气设备中得到了广泛的应用。通常情况下，电动操动机构的能力储存装置是弹簧压片，但是近年来随着相关技术的发展，部分电机操动机构也采用电容来代替弹簧压片。这种电容式结构的优势在于：能量经过电容传输到其他电子部件后，直流电被分隔成多个脉冲电流，在完成设备供电的基础上，还能够带动电机触头运动。断路器触头运动的评价分合闸速度只有在大于或等于灭弧室性能要求的前提下，才能确保断路器正常工作。如果分合闸速度低于操作标准，那么触头通电时间过长，在电热作用的影响下，触头表面的磨损率会大大提升，如果没有及时更换触头，后期触头就容易脱落，影响电机寿命；反之，如果分合闸速度过快，触头在尚未完全接触变压器的情况下就被拉回，此时会对灭弧室产生较大负荷影响，影响电机运行的稳定性。

通过上述分析，电机作为电容中电能储存和转化的重要装置，要想尽可能的提高电容电能转化为触头机械能的效率，则必须要确保断路器触头平均分合闸速度要符合灭弧室的性能要求。但是事实上，国内许多真空断路器电机都是采用恒压驱动结构，这种结构的优点在于保证了电压输出的稳定性，防治因电压波动影响整个电网运行安全。同时，恒压驱动也就意味着电机输出功率恒定，不能通过电流、电压的改变进行调节，随着电机使用时间的正常，内部用电设备的电阻逐渐增大，驱动负载所产生的实际功率就业逐渐接近甚至大于额定功率，一旦超出电机承受范围，很有可能给电网造成破坏影响。

本文通过对电机操动机构采用恒流控制，达到电机操动机构的恒转矩控制和输出合适的功率解决上述问题。

2 永磁无刷直流电机操动机构工作原理

首先，无刷直流电动机通过导线与传感器相连接，传感器能够自动检测并记录转子磁极的大置，当转子转动时，传感器能够将采集到的数据传送到无刷直流电机的控制单元上，并对数据进行保存处理、其次，电机控制单元对上述信息进行整理和分析，根据转子位置按固定顺序驱动三相桥式逆变器的开关管，同时，关闭与转子同步运行的旋转磁场。在无磁场环境下，转子所受阻力较小，可以维持较差时间的自由转动。本次实验所选用的无刷电机采用两相导通星型三相六状态的工作方式。当电机内部的三相定子绕组中通过三相交流电时，在电磁作用的影响下，电机内部就会产生一个具有相同转速的旋转磁场。而当旋转磁场被认为关闭后，磁场静止，此时转子继续旋转，不断的切割电磁场，从而产生电流。

3 电机操动机构控制系统设计方案

3.1 逆变器主电路

IGBT具有输入阻抗高、通态电压低、耐压高和承受大电流的特点，因此逆变主电路采用IGBT构成三相全控桥。在逆变主电路的IGBT关断时，电机绕组电感储存的能量要经过续流，否则会损坏IGBT，因此设计RCD缓冲电路抑制瞬态过电压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。其中逆变主电路缓冲电路，在图中IGBT功率器件Q关断时，电机绕组电感中储存的能量经过电容C通过二极管D向电源充电，电容C储能通过电阻R放电。

3.2 隔离驱动电路

为了提高真空断路器电机运行的稳定性，需要在电机操动机构中安装驱动电路。简单来说，驱动电路主要负责短路保护、过载保护以及电路监控等功能，因此驱动电路必须安装在电网的主线上，以便对整个电网进行控制和保护。但是主线电压和电流负载较高，这也就意味这驱动电路要承受更大的运行功率。为了保障驱动电路的安全，可以采取隔离措施，即将驱动电路从主线上分离出来，采取“多线并联分压”的方式，在不影响驱动电路各项保护功能的前提下，确保电路运行安全。

3.3 位置检测电路

在40.5kV无刷直流电机操动机构中控制器的设计应满足：电机正转60°完成合闸操作，反转60°完成分闸操作。位置检测电路主要有两个作用：检测转子位置控制无刷电机换相；检测电机旋转的角度。电机操动机构外部安装一个由三个1200霍尔位置传感器组成的霍尔盘和角位移传感器进行转子位置检测。DSP从控制面板接收正、反转信号，霍尔传感器信号经过电平转换送人到DSP中，在DSP中进行译码，输出PWM信号控制无刷电机换相。角位移传感器转角信号经过电平转换送人DSP中控制电机正转60°或者反转60°。

3.4 电容充放电电路

电机操动机构采用电容代替传统的弹簧缓冲和存储操动能量。在控制系统中设计了电容的充放电控制回路。当控制器上电后，首先对电容器组进行充电，DSP采集电容电压的信号并进行处理，当电压值达到系统操作要求时DSP发出停止充电指令，切断外界电源。

结束语

文章根据真空断路器的运动原理，利用计算机仿真软件ADAMS构建真空断路器电机操动机构的模型，并采集大量数据进行仿真模拟，得出了断路器触头的运动特性。通过分析仿真结果与实验结果向对照，可以看出两者间的契合度较高，说明了本次实验结果具有正确性和有效性。

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