電子操動

在機械加工領域，人們把電子技術柔和到機械領域稱之機電一體化或電子機械。高壓開關的操動機構是一個典型的機械系統，實行電子機械化是操動機構發展的必由之路，電子機械化的操動機構稱之為電子操動系統，其基本特徵是儘可能地用電子控制取代機械傳動與連鎖，直至“無傳動機構”。

基本介紹

• 中文名：電子操動
• 外文名：Electronic operation
• 學科：電氣工程
• 領域：電力電子技術
• 優點：具有較高的執行速度和控制精度
• 特點：無機械化傳動，採用電子控制方式

電子操動概述

隨著電子計算機技術及信息技術的飛速發展，高壓電器領域正經歷新一輪的更新換代，新概念電器層出不窮。在高壓開關領域，智慧型化開關發展迅速。所謂智慧型化是指使對象具備靈敏準確的感知功能、正確的思維與判斷功能以及行之有效的執行功能而進行的工作。感知功能是感測器的任務，思維和判斷是計算機的任務，相關理論與實踐都比較豐富，也取得了顯著的成效。但“行之有效的執行功能”的實現，目前仍在發展階段，這就涉及電子操動的概念問題。

在機械加工領域，人們把電子技術柔和到機械領域稱之機電一體化或電子機械。高壓開關的操動機構是一個典型的機械系統，實行電子機械化是操動機構發展的必由之路，我們把電子機械化的操動機構稱之為電子操動系統，其基本特徵是儘可能地用電子控制取代機械傳動與連鎖，直至“無傳動機構”。

傳統操動機構的核心是連桿與鎖扣以及能量供應系統，環節多、累計運動公差大且回響緩慢，可控性差、效率低。傳統操動機構的回響時間分散，對於交流控制信號一般大於lOms，即使直流操作，控制時間的分散性也在毫秒級。而電子操動系統，依賴電力電子器件保證了執行指令的時間精度，即機構的回響時間可控，能在所希望的相位上動作。這比傳統機構考慮在哪個半波分斷，提高了一個層次。因此，電子操動的核心概念是“有效、精確的執行”，與傳統機構的動作時間與速度是兩個概念。一般而言，電子操動機構是在直流電磁機構基礎上發展起來的，但後者沒有電子控制，仍依賴機械鎖扣，傳動系統可控性差，沒有電子操動的基本特徵。

近年來國外真空開關智慧型化的前沿課題是實現同步操作，即開關主觸頭在零電壓時關合，或在零電流時分斷。同步開關的技術關鍵正是操動精度，要達到微秒量級，傳統操動機構是難以勝任的，只有依賴電子操動才有可能實現。顯然，斷路器的同步分斷可以大大提高其分斷能力，一台低成本的負荷開關如能保證在電流接近過零時快速分開觸頭，就可分斷相當大的短路電流。開關的選相合閘可以避免系統的不穩定，克服容性負載的合閘涌流與過電壓。

在電力電子技術中，近年來流行一種軟開關技術，即設法使半導體開關器件在零電壓下關合，在零電流下分斷，這與斷路器的同步分斷與選相合閘的工況是完全一致的。電力電子領域的這種軟開關技術已比較成熟了，電子操動的實現將在高壓開關領域解決軟開關問題。這是電子操動更深層的意義。本文將討論電子操動涉及的理論與套用問題。

電子操動涉及的理論問題

操動精度分析

一個典型的真空開關電子操動系統包括能源、控制、電磁機械轉換及傳動(輸出)四部分，其基本等效電路和動作時序如右圖所示。

其中小電流電源E和電容器C組成能源部分，Tr及其觸發電路為控制系統，L為電磁機械轉換系統，其電感值是輸出桿位置的函式。a為操作電磁鐵的勵磁電流波形，l為運動軌跡(d為鐵芯總行程)，時刻t1是觸發電路時延，ts為電磁鐵開始運動時間，te是其運動終了時間。

典型電子操動系統的基本等效電路和動作時序

一般電子控制迴路的觸發時延t1小於10us，可以控制其時間分散性小於1/100。對於電磁鐵勵磁啟動時間t2要做以下分析。t2由開關的關合負載和流經電磁鐵的勵磁電流i確定。真空開關的關合載荷是恆定的，因為電子操動系統的機械運動副不超過兩個，可不必考慮運動副配合公差產生的時間分散性，因此，影響t2的負載是確定值。

電子操動的可靠度問題

在電力系統中工作的元件，可靠性是前提。對於電子操動系統的具體情況，可靠性體現在能源部分是失效問題，在控制部分是電磁兼容問題，在電磁機械轉換中則是性能劣化的問題。

電子操動能源系統的主要元件是儲能電容器，其失效原因主要是過電壓、高溫運行以及介質老化。在有一定過壓保護的情況下，長期使用中的主要問題是溫升。

電解電容器的使用壽命對溫度最敏感，一般產品給出的是上限使用溫度下的工作小時數，如10OOOh。實際工作中，如控制紋波損耗，限制其工作溫度在50℃以下，其壽命可以提高1到2個數量級，即可達到10到20年。因此降低電容器的工作溫度，限制其通過的紋波電壓是保證使用壽命的關鍵。

控制系統的電磁兼容是除技術方案外的技術關鍵，人們在這一領域已做了大量工作，有很多成熟有效的措施可以借鑑。在組成系統時，元件的可靠性及使用壽命至關重要，從線路板的設計到元件的選型、篩選、老化及線路的焊接工藝，都要嚴格按電子線路可靠性與電磁兼容的要求處理。

電磁機械轉換中的性能劣化問題一般指磁性材料磁性能的劣化和絕緣材料的絕緣劣化，在使用永磁材料的系統中前者較為突出。工作條件造成的退磁劣化應由工況設計解決，隨時間推移的自然劣化則應在出廠工藝處理方面和冗餘設計方面給予解決。如永磁鐵充磁後出廠前，根據可能遇到的情況人工退掉10%左右的剩磁，以提高磁穩定性。此外，要控制外界交變磁場對永磁體的影響。

在產品的規定條件下和規定時間內完成規定功能的機率稱之產品的可靠度。電力系統供電可靠度的要求為99. 99%，這是電力系統元件的下限。即在規定壽命周期內整機失效率不能大於萬分之一。各部分的可靠度要比整機可靠度高一個數量級以上。

電子操動真空開關的工程實現

近年來國外推出的真空開關永磁操動機構是一個典型的電子操動系統，右圖為IPEC公司真空開關電子操動系統框圖。從圖中可見，閉合的磁路提供了保持合閘或分閘位置鎖扣的力量，合、分閘線圈通以不同方向的電流，改變磁路中的合成磁通方向，並驅動鐵芯運動形成另一閉合的磁路，另一穩態仍依靠永磁鐵提供的鎖扣力量。新的運動控制形式使傳統機構數以百計的傳動零件減少到幾個零件，大大提高了反應速度、精度以及整機的可靠性。

IPEC公司真空開關電子操動系統框圖

電子操動的優勢

電子操動的優勢在於能直接與數字電路接口，驅動電路簡單、所需功率很小，控制精度可以在微妙量級。藉助簡單的光電轉換，它還可以準確的執行光指令信號，這在機械系統是很難實現的。與之相關的保護驅動源可大大縮減，如反應短路信號的電流互感器由於有驅動功率的要求，必須做到200VA以上，人們只好選用體積很大的電磁式CT。電子操動就可以直接接受小功率的光電互感器了。連帶的還有輔助開關，也可以用光電隔離開關進行輸出。

電子操動需要輸出位置反饋。常規開關中反映工作位置的輔助開關一般由若干組觸點組成，通斷時間不穩定，觸點彈跳容易熔焊或燒毀，是開關控制系統的薄弱環節。右上圖中是用一種感應臨近開關(感測器)取代上述輔助開關，使之無觸點化，解決了控制單元的可靠性問題。臨近開關引用導電材料臨近感應元件時所產生的渦流，破壞原電路諧振狀態的原理，當連動桿件運動到操作面前時，輸出一個lOV以上的電平。臨近開關的所有元件密封在一個帶自鎖外螺紋的金屬管內，安裝在機構傳動桿的一側。由於和外界隔離，同時解決了污穢、溫升、震動及外磁場影響的問題，信號也可融入其他電子控制系統。

由於電子操動系統大多採用微電子器件，工作電壓和信號傳遞電平低，耐壓水平低，外界電磁場干擾很容易使其失效或損壞，而這種情況對於傳統開關電器的影響是不大的。因此，電磁兼容是電子操動真空開關要添加的試驗項目。國際電工委員會於1990年發表了《電氣與電子設備的電磁兼容性》的試驗方法和標準(IEC 1000-4)。以後，在IEC694《高壓封閉開關設備和控制設備標準的共用技術要求》中又引用上述標準，要求相關的控制設備除滿足例行試驗要求外，還要進行電磁兼容試驗。主要試驗內容包括:輻射電磁場干擾試驗，振盪波干擾試驗，瞬變脈衝串試驗，靜電放電試驗等。

結語

隨著真空開關在中壓開關領域的迅速普及與發展，人們發現影響其進一步發展的關鍵問題已從滅弧室的結構改進轉移到開關機構方面了。機械故障占中壓開關失效事件中的比例越來越高，已遠超過50%。現在普遍套用的彈簧儲能機構，零部件達200多個，故障機率顯而易見。要進一步提高開關可靠性也必須徹底改造操動機構。

電子操動涉及很多電器領域的新概念，要求做很多深入細緻的工作。要戰勝傳統觀念的疑問，很多試驗和考驗是必須的，結合必要的理論計算和計算機仿真可以大大推進研究開發工作。