光控真空斷路器模塊應(yīng)用于多斷口真空斷路器對電源可靠性和低功耗提出了更高的要求，為此進(jìn)行了光控真空斷路器模塊低功耗自具電源模塊設(shè)計(jì)。分析了自具電源的工作原理，優(yōu)化設(shè)計(jì)了其取電電磁感應(yīng)線圈(取電CT)的結(jié)構(gòu)。電容器充電模塊從電路結(jié)構(gòu)，器件選型，轉(zhuǎn)變工作方式等降低其工作時(shí)損耗。建立了永磁機(jī)構(gòu)操動(dòng)電容充放電特性模型，分析得到低損耗的最佳間歇控制策略。進(jìn)行了智能控制器低功耗設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在線低功耗控制策略和離線休眠工作方式。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后的取電CT 工作范圍在200 A~3 000 A，滿足在線自具電源模塊工作，整體自具電源正常工作時(shí)損耗做到了300 mW，滿足電網(wǎng)停電3 周，自具電源系統(tǒng)仍能驅(qū)動(dòng)光控真空斷路器動(dòng)作。設(shè)計(jì)的自具電源滿足系統(tǒng)對斷路器的可靠性和智能性的要求。

　　引言

　　真空斷路器應(yīng)用真空作為滅弧及絕緣介質(zhì)，熄弧能力強(qiáng)、體積小、重量輕，使用壽命長，無火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)，不污染環(huán)境，因此廣泛應(yīng)用于中壓領(lǐng)域。但由于真空擊穿電壓與間隙長度間的飽和效應(yīng)，單斷口真空開關(guān)無法應(yīng)用于更高電壓等級，多斷口真空開關(guān)可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。

　　國內(nèi)外已經(jīng)對多斷口真空斷路器的動(dòng)、靜態(tài)絕緣特性及動(dòng)態(tài)均壓問題研究多年，參文通過引入“擊穿弱點(diǎn)”概念和概率統(tǒng)計(jì)方法建立了雙斷口及多斷口真空開關(guān)的靜態(tài)擊穿統(tǒng)計(jì)分布模型，得出三斷口真空滅弧室的擊穿概率比單斷口真空滅弧室更低，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。參文分析并驗(yàn)證了均壓電容對多斷口真空斷路器靜動(dòng)態(tài)均壓效果。參文分析了雙斷口真空開關(guān)開斷機(jī)理與關(guān)鍵因素。

　　傳統(tǒng)的多斷口真空開關(guān)采用的是傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，整個(gè)操動(dòng)系統(tǒng)的環(huán)節(jié)多.累計(jì)運(yùn)動(dòng)公差大而且響應(yīng)緩慢，可控性差，效率低，各斷口的動(dòng)作同期性較差，不能滿足多斷口真空斷路器的同期性和可靠性的要求。參文提出了基于模塊化串聯(lián)技術(shù)構(gòu)成的多斷口真空斷路器實(shí)現(xiàn)策略：采用永磁機(jī)構(gòu)操動(dòng)，光纖隔離控制，模塊高電位操動(dòng)，分散性小，可靠性高，體積小，易于串并聯(lián)。傳統(tǒng)的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用220 V 交流電控制電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)脫扣。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源主要有站內(nèi)直流電源、電容器組、蓄電池或者鋰電池，來對合、分閘線圈放電[10]，但這些電源設(shè)計(jì)都是低電位電源供電，最終電源都是220 V 市電供電，基于光控真空斷路器模塊處于高電位，自具電源模塊采用高壓母線電流取電，解決了高電位供電問題。光控真空斷路器模塊采用電流取電與蓄電池儲存電能聯(lián)合為整套控制系統(tǒng)浮地供電，由于電流取電磁性元件的非線性限制了取電工作范圍和取電功率，所以需要對光控真空斷路器模塊低功耗自具電源模塊進(jìn)行研究，滿足在線充電和離線長時(shí)間維持供電的要求。

　　本文對電源模塊的電磁感應(yīng)線圈部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲取更寬的工作范圍和輸出功率。通過操動(dòng)電容器充電模塊電路結(jié)構(gòu)，器件選型，改變工作方式等，降低其工作損耗。建立了永磁機(jī)構(gòu)操動(dòng)電容充放電特性模型，分析得到低損耗的最佳間歇控制策略。從低功耗和智能化兩方面著手進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，以滿足光控真空斷路器模塊對可靠性和智能化的要求。

　　1、光控真空斷路器模塊自具電源工作原理

　　光控真空斷路器模塊(FCVIM)是由真空滅弧室，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和自具電源模塊構(gòu)成。光控真空斷路器模塊系統(tǒng)框圖如圖1 所示：永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電桿與真空滅弧室動(dòng)觸頭導(dǎo)電桿直接相連，電磁感應(yīng)線圈(取電CT)從高壓母線取能先為蓄電池充電，然后蓄電池通過電容充電模塊為操動(dòng)機(jī)構(gòu)電容充電，在多斷口串聯(lián)時(shí)，整個(gè)光控真空斷路器模塊處于高電位，每個(gè)模塊的動(dòng)作和狀態(tài)檢測由自具電源模塊的智能控制器通過光纖與低電位主控制器實(shí)現(xiàn)控制和通信。

圖1 光控真空斷路器模塊系統(tǒng)框圖

　　為了滿足光控真空斷路器模塊的連續(xù)可靠的地工作，一方面，取電CT應(yīng)該有盡量寬的取電工作范圍和取電功率，本設(shè)計(jì)的CT取電范圍5%~120%母線電流，取電功率10 W 左右。另一方面需要降低自具電源模塊的空載損耗。這樣可以確保在線母線電流較小，取電功率較小的時(shí)能夠滿足模塊工作而且離線檢修停電時(shí)，增加蓄電池持續(xù)保證模塊工作的時(shí)間，保證系統(tǒng)可靠。

　　6、結(jié)論

　　1)取點(diǎn)CT 在小電流情況下會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)，大部分工作在過渡飽和區(qū)，輸出電壓畸變嚴(yán)重，有尖峰。通過采用串聯(lián)濾波電感50 mH 和匝數(shù)50 配合得到滿足母線額定電流2 500 A 的5%~120%變化時(shí)，輸出電壓滿足自具電源模塊工作。

　　2)建立了間歇工作方式下，電容器低功耗控制的數(shù)學(xué)描述，并利用優(yōu)化算法，得到最佳間歇控制策略，并利用智能控制器實(shí)現(xiàn)了該低功耗控制器策略。

　　3)通過試驗(yàn)測試，將自具電源模塊空載損耗降至300 mW 以下，滿足電網(wǎng)停電3 周時(shí)，整機(jī)仍能正常工作。整機(jī)可靠性通過了試驗(yàn)驗(yàn)證，為基于光控真空斷路器模塊構(gòu)成的多斷口真空斷路器的應(yīng)用提供了保障。