基于線(xiàn)圈電流的永磁真空斷路器控制方法

　　為使永磁真空斷路器(VCB)分合閘的動(dòng)作時(shí)間保持一致，實(shí)現可靠的同步關(guān)合，基于永磁機構(PMA)的動(dòng)態(tài)特性，分析了動(dòng)觸頭在不同運動(dòng)階段下的線(xiàn)圈電流，以及參考電流曲線(xiàn)的獲取方法�；�于Simulink控制模型，通過(guò)改進(jìn)滯環(huán)控制方法有效實(shí)現了對參考電流曲線(xiàn)的跟蹤。為檢驗控制算法，設計了以ARM 處理器為核心的智能控制器，通過(guò)選取3種不同容量的儲能電容，在150～200V電壓范圍內進(jìn)行了斷路器的分合閘實(shí)驗。結果表明，基于上述控制原理設計的控制器可以有效控制斷路器的動(dòng)觸頭的行程軌跡，使動(dòng)觸頭的運動(dòng)軌跡與參考電流曲線(xiàn)的運動(dòng)軌跡保持一致；在選定的線(xiàn)圈參考電流曲線(xiàn)下，實(shí)際斷路器分合閘的動(dòng)作時(shí)間的誤差≤0.3ms。

　　引言

　　當斷路器開(kāi)斷和閉合電力設備時(shí)，電壓初相角是隨機的，因此關(guān)合瞬間系統會(huì )產(chǎn)生涌流和過(guò)電壓，對電力設備造成損害。同步關(guān)合技術(shù)可以減小操作過(guò)程中的涌流和過(guò)電壓、縮短系統暫態(tài)過(guò)程、提高電力系統的穩定性、減小對斷路器自身的損害、提高其分斷能力。其技術(shù)關(guān)鍵在于提高機構操作的準確性。傳統斷路器的操動(dòng)機構的動(dòng)作分散性大、運動(dòng)可控性差、響應速度慢，限制了其在同步關(guān)合領(lǐng)域的發(fā)展。永磁機構的零部件少，結構簡(jiǎn)單，通常只有一個(gè)運動(dòng)部件，其動(dòng)作分散性小，機械壽命長(cháng)，為開(kāi)關(guān)同步關(guān)合技術(shù)的實(shí)現提供了很好的保證。由于操動(dòng)機構的可靠性直接影響永磁真空斷路器的運行可靠性，因此，永磁機構動(dòng)態(tài)特性的研究受到了廣泛的關(guān)注。文獻對永磁機構動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了相應的理論分析，為基于電流曲線(xiàn)控制的方法提供了理論基礎。

　　雖然永磁機構的動(dòng)作分散性較小，但是由于其儲能電容的容量易受溫度影響，且電壓不穩定，線(xiàn)圈電阻率會(huì )發(fā)生變化，因此會(huì )造成斷路器的動(dòng)作時(shí)間發(fā)生改變。由于永磁機構動(dòng)態(tài)方程較為復雜，幾乎不可能建立一個(gè)精確的數學(xué)模型來(lái)在線(xiàn)計算上述原因造成的動(dòng)作時(shí)間誤差進(jìn)行補償、進(jìn)而實(shí)現實(shí)時(shí)控制。因此，使用基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )的方法來(lái)預測動(dòng)作時(shí)間成為實(shí)現同步關(guān)合的一種可行方案。由于該算法是在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下完成控制的，因此斷路器觸頭的動(dòng)作過(guò)程無(wú)法控制，使同步關(guān)合技術(shù)存在不確定因素。此外，基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )需要大量的實(shí)驗數據進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )訓練，增加了實(shí)施的難度。而斷路器動(dòng)觸頭位移曲線(xiàn)的閉環(huán)控制方法雖然可以對斷路器動(dòng)觸頭的行程進(jìn)行準確控制，但其位移傳感器在工作過(guò)程中的內部測量抽頭處于運動(dòng)狀態(tài)，測量次數有限，自身容易發(fā)生故障，且位移傳感器通常需要與動(dòng)觸頭連桿直接連接，不易安裝，也容易誘發(fā)電氣故障，因此限制了其應用。

　　本文提出了一種以永磁機構線(xiàn)圈電流為控制對象，通過(guò)改進(jìn)型的滯環(huán)控制算法對參考線(xiàn)圈電流進(jìn)行跟蹤控制的方法。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為基于這種控制方法，永磁機構本身無(wú)需增加任何部件，即可實(shí)現對斷路器觸頭狀態(tài)的控制，使斷路器的動(dòng)作時(shí)間保持在一定值，為斷路器同步關(guān)合的實(shí)現提供了可靠基礎。通過(guò)設計以ARM處理器為核心的硬件系統，實(shí)現了對12kV單穩態(tài)永磁真空斷路器分合閘的準確控制，使分合閘動(dòng)作時(shí)間誤差在≤0.3ms，滿(mǎn)足同步關(guān)合時(shí)要求的合閘時(shí)間誤差≤1ms、分閘誤差≤2ms的技術(shù)要求；同時(shí)也使得永磁機構的勵磁線(xiàn)圈和斷路器的動(dòng)觸頭得到保護。

　　1、永磁機構的線(xiàn)圈電流特性

　　永磁機構的動(dòng)態(tài)特性是由電磁和機械的綜合過(guò)渡過(guò)程決定的。為了能夠有效滅弧，應適當加快動(dòng)觸頭的速度；然而若動(dòng)觸頭速度過(guò)大，則會(huì )引起碰撞能量的增加，不利于電氣和機械壽命的提高。因此，準確計算并分析永磁機構的動(dòng)態(tài)特性、使斷路器動(dòng)作過(guò)程中電磁力與運動(dòng)反力合理配合對機構與開(kāi)關(guān)本體檢特性的配合具有重要意義。永磁機構的動(dòng)態(tài)特性可以由式(1)來(lái)描述

　　式中：Uc為電容電壓；i、Ψ 分別為線(xiàn)圈電流和電磁系統全磁鏈；δ為磁場(chǎng)間隙；t為時(shí)間；Wμ為電磁系統的磁能，是i、Ψ 的函數；x 為銜鐵位移；m 為系統運動(dòng)部件歸算到銜鐵處的質(zhì)量；Fmag、Ff分別為銜鐵受到的電磁吸力和運動(dòng)反力；C、R 分別為電容容量和線(xiàn)圈等值電阻；f1和f2分別為合閘過(guò)程中電磁吸力和磁通的變化。

　　6、結論

　　1)文中所述獲取電流參考曲線(xiàn)的獲取方法，可以有效控制動(dòng)觸頭的運動(dòng)狀，減小動(dòng)觸頭的碰撞能量，使相同條件下，斷路器的重合閘次數得到提高，有利于實(shí)現多次重合閘。

　　2)實(shí)驗表明，基于所述控制算法設計的控制器，實(shí)現了對12kV單穩態(tài)真空斷路器的智能控制，使真空斷路器的分閘和合閘誤差范圍均≤0.3ms，保證了分合閘時(shí)間的一致性，為同步關(guān)合創(chuàng )造了可靠的基礎。由于無(wú)須在斷路器本體機構增加任何環(huán)節，參考曲線(xiàn)獲取由控制器自身采樣獲得，因此控制方法簡(jiǎn)單可行，具有較高的實(shí)用價(jià)值。