[科普中国]-电子操动

电子操动概述

随着电子计算机技术及信息技术的飞速发展，高压电器领域正经历新一轮的更新换代，新概念电器层出不穷。在高压开关领域，智能化开关发展迅速。所谓智能化是指使对象具备灵敏准确的感知功能、正确的思维与判断功能以及行之有效的执行功能而进行的工作。感知功能是传感器的任务，思维和判断是计算机的任务，相关理论与实践都比较丰富，也取得了显著的成效。但“行之有效的执行功能”的实现，目前仍在发展阶段，这就涉及电子操动的概念问题。

在机械加工领域，人们把电子技术柔和到机械领域称之机电一体化或电子机械。高压开关的操动机构是一个典型的机械系统，实行电子机械化是操动机构发展的必由之路，我们把电子机械化的操动机构称之为电子操动系统，其基本特征是尽可能地用电子控制取代机械传动与连锁，直至“无传动机构”。

传统操动机构的核心是连杆与锁扣以及能量供应系统，环节多、累计运动公差大且响应缓慢，可控性差、效率低。传统操动机构的响应时间分散，对于交流控制信号一般大于lOms，即使直流操作，控制时间的分散性也在毫秒级。而电子操动系统，依赖电力电子器件保证了执行指令的时间精度，即机构的响应时间可控，能在所希望的相位上动作。这比传统机构考虑在哪个半波分断，提高了一个层次。因此，电子操动的核心概念是“有效、精确的执行”，与传统机构的动作时间与速度是两个概念。一般而言，电子操动机构是在直流电磁机构基础上发展起来的，但后者没有电子控制，仍依赖机械锁扣，传动系统可控性差，没有电子操动的基本特征。

近年来国外真空开关智能化的前沿课题是实现同步操作，即开关主触头在零电压时关合，或在零电流时分断。同步开关的技术关键正是操动精度，要达到微秒量级，传统操动机构是难以胜任的，只有依赖电子操动才有可能实现。显然，断路器的同步分断可以大大提高其分断能力，一台低成本的负荷开关如能保证在电流接近过零时快速分开触头，就可分断相当大的短路电流。开关的选相合闸可以避免系统的不稳定，克服容性负载的合闸涌流与过电压1。

在电力电子技术中，近年来流行一种软开关技术，即设法使半导体开关器件在零电压下关合，在零电流下分断，这与断路器的同步分断与选相合闸的工况是完全一致的。电力电子领域的这种软开关技术已比较成熟了，电子操动的实现将在高压开关领域解决软开关问题。这是电子操动更深层的意义。本文将讨论电子操动涉及的理论与应用问题。

电子操动涉及的理论问题操动精度分析一个典型的真空开关电子操动系统包括能源、控制、电磁机械转换及传动(输出)四部分，其基本等效电路和动作时序如右图所示。

其中小电流电源E和电容器C组成能源部分，Tr及其触发电路为控制系统，L为电磁机械转换系统，其电感值是输出杆位置的函数。a为操作电磁铁的励磁电流波形，l为运动轨迹(d为铁芯总行程)，时刻t1是触发电路时延，ts为电磁铁开始运动时间，te是其运动终了时间。

一般电子控制回路的触发时延t1小于10us，可以控制其时间分散性小于1/100。对于电磁铁励磁启动时间t2要做以下分析。t2由开关的关合负载和流经电磁铁的励磁电流i确定。真空开关的关合载荷是恒定的，因为电子操动系统的机械运动副不超过两个，可不必考虑运动副配合公差产生的时间分散性，因此，影响t2的负载是确定值。

电子操动的可靠度问题在电力系统中工作的元件，可靠性是前提。对于电子操动系统的具体情况，可靠性体现在能源部分是失效问题，在控制部分是电磁兼容问题，在电磁机械转换中则是性能劣化的问题2。

电子操动能源系统的主要元件是储能电容器，其失效原因主要是过电压、高温运行以及介质老化。在有一定过压保护的情况下，长期使用中的主要问题是温升。

电解电容器的使用寿命对温度最敏感，一般产品给出的是上限使用温度下的工作小时数，如10OOOh。实际工作中，如控制纹波损耗，限制其工作温度在50℃以下，其寿命可以提高1到2个数量级，即可达到10到20年。因此降低电容器的工作温度，限制其通过的纹波电压是保证使用寿命的关键。

控制系统的电磁兼容是除技术方案外的技术关键，人们在这一领域已做了大量工作，有很多成熟有效的措施可以借鉴。在组成系统时，元件的可靠性及使用寿命至关重要，从线路板的设计到元件的选型、筛选、老化及线路的焊接工艺，都要严格按电子线路可靠性与电磁兼容的要求处理。

电磁机械转换中的性能劣化问题一般指磁性材料磁性能的劣化和绝缘材料的绝缘劣化，在使用永磁材料的系统中前者较为突出。工作条件造成的退磁劣化应由工况设计解决，随时间推移的自然劣化则应在出厂工艺处理方面和冗余设计方面给予解决。如永磁铁充磁后出厂前，根据可能遇到的情况人工退掉10%左右的剩磁，以提高磁稳定性。此外，要控制外界交变磁场对永磁体的影响。

在产品的规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率称之产品的可靠度。电力系统供电可靠度的要求为99. 99%，这是电力系统元件的下限。即在规定寿命周期内整机失效率不能大于万分之一。各部分的可靠度要比整机可靠度高一个数量级以上。

电子操动真空开关的工程实现近年来国外推出的真空开关永磁操动机构是一个典型的电子操动系统，右图为IPEC公司真空开关电子操动系统框图。从图中可见，闭合的磁路提供了保持合闸或分闸位置锁扣的力量，合、分闸线圈通以不同方向的电流，改变磁路中的合成磁通方向，并驱动铁芯运动形成另一闭合的磁路，另一稳态仍依靠永磁铁提供的锁扣力量。新的运动控制形式使传统机构数以百计的传动零件减少到几个零件，大大提高了反应速度、精度以及整机的可靠性。

电子操动的优势电子操动的优势在于能直接与数字电路接口，驱动电路简单、所需功率很小，控制精度可以在微妙量级。借助简单的光电转换，它还可以准确的执行光指令信号，这在机械系统是很难实现的。与之相关的保护驱动源可大大缩减，如反应短路信号的电流互感器由于有驱动功率的要求，必须做到200VA以上，人们只好选用体积很大的电磁式CT。电子操动就可以直接接受小功率的光电互感器了。连带的还有辅助开关，也可以用光电隔离开关进行输出3。

电子操动需要输出位置反馈。常规开关中反映工作位置的辅助开关一般由若干组触点组成，通断时间不稳定，触点弹跳容易熔焊或烧毁，是开关控制系统的薄弱环节。右上图中是用一种感应临近开关(传感器)取代上述辅助开关，使之无触点化，解决了控制单元的可靠性问题。临近开关引用导电材料临近感应元件时所产生的涡流，破坏原电路谐振状态的原理，当连动杆件运动到操作面前时，输出一个lOV以上的电平。临近开关的所有元件密封在一个带自锁外螺纹的金属管内，安装在机构传动杆的一侧。由于和外界隔离，同时解决了污秽、温升、震动及外磁场影响的问题，信号也可融入其他电子控制系统1。

由于电子操动系统大多采用微电子器件，工作电压和信号传递电平低，耐压水平低，外界电磁场干扰很容易使其失效或损坏，而这种情况对于传统开关电器的影响是不大的。因此，电磁兼容是电子操动真空开关要添加的试验项目。国际电工委员会于1990年发表了《电气与电子设备的电磁兼容性》的试验方法和标准(IEC 1000-4)。以后，在IEC694《高压封闭开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中又引用上述标准，要求相关的控制设备除满足例行试验要求外，还要进行电磁兼容试验。主要试验内容包括:辐射电磁场干扰试验，振荡波干扰试验，瞬变脉冲串试验，静电放电试验等。

结语随着真空开关在中压开关领域的迅速普及与发展，人们发现影响其进一步发展的关键问题已从灭弧室的结构改进转移到开关机构方面了。机械故障占中压开关失效事件中的比例越来越高，已远超过50%。现在普遍应用的弹簧储能机构，零部件达200多个，故障概率显而易见。要进一步提高开关可靠性也必须彻底改造操动机构。

电子操动涉及很多电器领域的新概念，要求做很多深入细致的工作。要战胜传统观念的疑问，很多试验和考验是必须的，结合必要的理论计算和计算机仿真可以大大推进研究开发工作。