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摘要：高压断路器在电力系统中承担着控制和保护的双重重要任务，而其主要功能体现在动触头的分合闸操作上，分合闸操作又是通过操动机构来实现的。因此，操动机构的工作性能和质量的优劣，对高压断路器的工作性能和可靠性起着重要的作用。
关键词：高压断路器，控制系统，断路器操作机构，系统研究
1前言
断路器是电力系统中重要的开关设备,担负着控制和保护的双重任务。随着人们对供电质量和供电可靠性的要求越来越高,对高压断路器的可靠性和免维护的要求也越来越高,因此世界各国对高压断路器的理论研究和设计开发一直在不断进行着。高压断路器是电力系统中最主要的控制、保护元件,直接关系着电网的安全运行。概括地说,高压断路器在电网中主要起到两方面的作用：第一,控制作用,即根据电网的运行需要,用高压断路器把一部分电力线路和设备投入或退出运行。第二,保护作用,高压断路器可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网中快速切除,保证电网中无故障部分正常运行。如果断路器一旦在运行中发生故障或在故障时不能正常的动作,将会造成严重的后果,小则引起一个地区的停电,给人们的社会生活带来很大的不便,重则导致电网瓦解、系统崩溃,给国家的经济建设和政治生活带来不可弥补的重大损失。因此,高压断路器及其运行的可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行和供电质量,在电力系统中起着十分重要的作用。
2高压断路器操动机构的发展
在断路器发展的不同时期,操动机构的形式有所不同。最早在油断路器上，绝大多数利用直流电磁能量进行操作,这种操动机构至今仍在中压断路器中广泛使用。这种机构通常通过直流线圈或电动机将电能转换成机械能,在合闸时储能弹簧吸收动力装置的一部分机械功并转化为弹簧的势能分闸时,由弹簧释放势能实现断路器分闸的目的。它的操作能源通常为大容量蓄电池、硅整流电路、电容贮能及镍福电池。为了获得较大的操作力,需要较大的电磁铁和电源以及较大截面的电缆,因此它主要适用于中小断路器上。
二十世纪五十年代，压缩空气断路器在电压等级和开断容量方面居领先地位,使压缩空气成为广泛使用的操作动力。气压式操动机构的主要优点在于,首先以压缩空气作为操作能源比较经济,空气取之不尽,用之不绝；其次压缩空气是由压气机系统单独制备的,即使暂时失去电源,贮气罐的容量也足以完成断路器的分合操作,而且操作时所需能量较低。气压式操动机构有两种形式；一种是分、合闸操作都用压缩空气作为动力,不设置分闸弹簧；另一种是设置分闸弹簧,分闸弹簧在合闸过程中储存位能,作为分闸时的动力。
二十世纪六十年代，少油断路器有了很大发展,采用了较为成熟的液压技术。液压操动机构按传动方式可分为全液压和半液压。全液压方式的液压油直接操纵动触头进行合闸,因此省去了联动拉杆，减少了机构的静阻力,因而速度加快,但对结构材质要求较高，半液压方式液压油只到工作缸侧,操动活塞将液压能转换成为机械功带动联动拉杆实现断路器合、分闸操作。和其它操动机构相比,液压机构具有操作出力大,操动特性好的优点。
后来出现的弹簧操动机构，与以上三种断路器操动机构有所不同。弹簧操动机构的关键部件为分闸弹簧和合闸弹簧。它将电动机的机械功在短时间内贮存于合闸弹簧中,然后将合闸弹簧能量释放进行合闸。在合闸过程中,分闸弹簧储能,用作分闸动力。这种操动机构工作特性受外界影响的因素较少,维修的要点也容易明确,在中压断路器中已普遍采用。
3真空断路器电机操动机构控制系统的硬件电路的组成
应用于驱动电机来完成断路器分合闸的电机操动机构，克服了以往操动机构不可控的这一缺陷，增加了由电力电子器件所组成的软硬件控制系统，实现了操动机构的智能化。软硬件控制系统的选取与搭建决定了整个电机操动机构运动过程中的稳定性与可靠性，为了得到高稳定性与高可靠性的控制系统，本文设计了以数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）为核心处理器的真空断路器电机操动机构控制系统，该控制系统主要包括整流单元、开关电容器组单元、逆变单元、电容电压检测单元、PWM 隔离驱动单元、主处理器单元、绕组电流信号检测单元、逻辑换向单元和低压电源模块等。
为了确保整个控制过程的实时性，本文选用运算高精度、大速率的 DSP28335 为核心的处理单元，低压电源模块所输出的低压直流电给主处理单元及其各个检测单元提供低压电源。整个控制系统的基本原理为，首先给出储能电容充电指令，经 PWM 隔离驱动单元使 VD7 导通，220V 交流电经过整流器将交流电转化为直流电给电容进行充电，直流电压检测模块检测到储能电容所需的电压后，VD7 断开储能过程结束。随后给出真空断路器的分合闸指令，VD8 导通两组并联的储能电解电容组由并联变成串联，储能电压升为原来的 2 倍。DSP 发出六路控制信号，经 PWM 隔离驱动单元控制 IGBT的导通与关断，驱动电机旋转完成断路器的分合闸操作。在驱动电机的运动过程中，通过霍尔电流传感器对绕组三相电流进行检测，可以观察到电机的导通相序；光电编码器对脉冲进行计数当达到规定脉冲值时进行换相；角位传感器可以检测出电机的旋转角度，通过换算可以得到断路器动触头的运行位置。检测信号经调理回路传输给 DSP，通过对反馈的检测信号进行运算分析来实时的控制驱动电机的旋转，完成断路器的分合闸过程。126kV 真空断路器完成一次分合闸的时间极短，仅有几十毫秒，而通过开关电容器组升压能有效的减少电机的响应时间，增大电机转速，缩短分合闸时间，因此所设计的控制系统需要具有较高的可靠性。
4真空断路器电机操动机构控制系统的软件设计注意事项
高压断路器电机操动控制系统除了需要对硬件电路进行搭建，还需要相应的软件程序设计，软硬件的结合才构成了整个控制系统的完整性。本文所设计的软件程序满足以下三方面要求：
（1）软件程序读写的快速性：真空断路器的开合时间在 80ms 以内，运行时间极短，因此需要软件程序对反馈信号进行实时的快速处理，并快速的输出相应的控制信号。
（2）软件程序的可靠性：本文在指在设定的时间内处理外部反馈信号，并输出相应的控制信号，完成断路器的分合闸操作。
（3）软件程序的易修改性：一个完整的程序在编译运行时可能会出现各种错误，所以需要对程序进行修改调试，经过多次修改调试才能达到相应的功能。所编译的程序必须满足易修改性，方便调试着进行修改，同时也方便在现有的程序上添加新的功能。
5结语
操动机构是断路器的重要组成部分,它不但要保证断路器长期的动作可靠性,而且要满足灭弧特性对操动机构的要求。高压断路器直线伺服电机操动机构采用直线电机驱动断路器操作杆,带动机构运动,实现分、合闸操作,具有良好的快速响应能力及控制性能。本文所提出的控制器设计合理,不但实现了操动机构控制系统所具备的一般功能,并在断路器操作过程中,对触头运动过程进行了控制,使其满足给定的特性要求,为实现开关真正意义上的智能化操作打下一定的基础。
参考文献：
[1]裴建林. 真空断路器电机操动机构控制策略的研究[D].沈阳工业大学,2017.
[2]唐诚,韩书谟,吴军辉,杨鹏,肖曦.高压断路器电机驱动操动机构控制方法[J].微电机,2017,50(02):32-35.