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永磁机构真空断路器智能控制装置的设计

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  成果简介:

  原创科技创新实物作品成果——永磁机构真空断路器智能控制装置的设计,已在浙江纪元电气集团试验且运行效果良好。

  本成果于2015年5月获得第十届西安高新“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛二等奖;拥有已受理发明专利一项(“单稳态永磁机构户外真空断路器智能控制装置”),已授权使用新型专利一项(“单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置”),同时已发表论文四篇,EI检索三篇(“单稳态柱上永磁机构断路器电源设计”、 “智能变电站断路器状态监测IED设计”、“基于物联网的智能高压开关柜设计”、“10kV永磁机构真空断路器智能控制器设计”)。

  成果内容提要:

  主要观点:

  在配电网中,10kV馈电线路占有相当大的比例,而在10kV馈电线路的用户与供电公司的T接点处,一般仅安装熔断器或分界负荷开关作为保护和控制设备,难以迅速隔离故障用户并且影响非故障用户的供电可靠性。近年来随着各种永磁机构真空断路器相继被研制出来,其作为当前电力系统中一种新型电气设备,具有体积小、结构简单、零部件少、重量轻、灭弧能力强、故障率低等多方面的优势,受到各电力行业的青睐。本装置是针对永磁机构真空断路器控制装置的智能化和综合自动化的发展趋势而研制的,集保护、测量、控制、通信等功能于一体,采用电力电子控制模块,动作迅速,而且可以实现精确的时间控制,使永磁机构真空断路器成为真正意义的免维护智能化断路器。主要实现功能如下:

  电源管理功能:管理配电线路PT与蓄电池组进行互补供电方式,使整个控制装置可以在断电情况下持续运行48小时;对蓄电池组的充放电进行管理,延长蓄电池的使用寿命。

  测量功能:通过继电保护专用PT和CT进行配电线路电压、电流信号的采集,经过FFT算法运算后将采集的数据送入主控MCU,实现实时测量数据更新,提供保护逻辑判断及液晶显示使用,且测量精度达到1级要求。

  保护及报警功能:具有电流速断保护、定时限过电流保护、四种反时限过流保护、零序保护、自动重合闸、后加速保护等保护功能,可以对保护进行选择,整定值设置,延迟时间更改等功能,并且可以实时显示故障状态及SOE事件查询。

  控制功能:通过MCU控制IGBT导通时间进而控制线圈通电时间,以此完成对分合闸操作的精确控制。实验结果表明:该永磁机构真空断路器的可靠分闸脉冲时间为20ms、合闸脉冲时间为40ms。

  通信功能:本控制装置通过RS232实现各模块之间通信,并可通过GPRS或以太网实现控制装置与监控中心进行实时人机交互及通信,从而实现智能断路器与监控中心的遥测、遥控、遥信等功能。

  创新点:

  (1)PT与蓄电池组互补供电方式:当配电线路中出现电压跌落严重或者出现配电线路断电时,可以使用蓄电池组给整个装置供电,最短维持时间不少于48小时,且可以给电容充电,满足最少一组“分-合-分”的操作,从而保证整个控制装置不间断供电的目的。

  (2)永磁机构的驱动电路:采用IGBT全桥驱动电路可以快速关断线圈中的大电流,从而控制断路器实现分合闸操作。与此同时硬件及软件分别采用闭锁功能,防止出现桥臂直通烧坏IGBT,从而减少断路器的误操作。

  (3)减少能量损耗:经过断路器分合闸操作时线圈电流波形分析,从而确定断路器的最优分、合闸脉冲时间。该断路器的分合闸时间缩短即能量消耗少的同时按键、遥控及上位机远方控制分合闸试验成功率均达100%,动作可靠性高。

  (4)继电保护算法的实现:10kV配网中常见的故障有单相接地、相间短路、相间短路接地等故障。本装置通过速断保护保、定时限过流和反时限过流保护、零序保护等功能实现对被保护线路的智能诊断,并通过三次重合闸及加速功能可以有选择性的及时切除瞬时故障,有选择性的切除永久故障,从而保障配网供电的安全、可靠运行。

  (5)操作系统的嵌入:通信程序中嵌入μC/OS-II实时操作系统,可以提高控制装置的可靠性和实时性。同时该控制装置具备实时监测并显示各种电量及非电量参数、设定和修改保护定值及故障事件记录(SOE)等功能,且提供GPRS、以太网通信接口,可以实现与监控中心进行远程控制及监控的同时,并可实现就地遥控及按键,手动机械分闸等操作。

  (6)本装置是针对永磁机构真空断路器控制装置的智能化和综合自动化发展趋势而研制的,采用模块化控制模式集测量、保护、控制、通信等功能于一体。

  这种模块化的设计改变了传统的断路器的控制模式,不同的模块完成不同的功能,且各模块相对独立并行工作,即使其中任一模块发生故障也不会影响其它模块,并且更新换代只需更换模块即可,具有很可观的经济效益,拥有广阔的应用前景。

  实践意义:

  在我国农网及城市配电网中,10kV馈电线路占有相当大的比例,而在10kV馈电线路的用户与供电公司的T接点处,一般仅安装熔断器或分界负荷开关作为保护和控制设备,难以迅速隔离故障用户并且影响非故障用户的供电可靠性。本设计针对10kV配网中的这种问题,并结合新型永磁机构真空断路器的优势开发与其配套的永磁真空断路器控制装置,其主要目的是实现对配电线路的保护、监测及对断路器的远程控制和集中管理。对于提高配电网智能化、自动化程度和安全性      具有重要现实意义。

  本装置是针对永磁机构真空断路器控制装置的智能化和综合化的发展趋势而研制的集保护、测量、控制、通信等功能于一体。采用电力电子控制模块,动作迅速,而且可以实现精确的时间控制,使使永磁机构真空断路器成为真正意义的免维护智能化断路器。具有十分广泛的应用领域:如供电公司、煤矿、电力公司、油田等。不仅减少设备检修费用而且也避免了设备故障所带来的巨大人员及经济损失。面对配网中宽阔的市场,通过对断路器控制装置进行技术改造,使其为我国智能电网输变电工程提供一种新的研究策略,必将取得可观的社会效益和企业经济效益。


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