隔离开关操动机构电机输出轴扭矩和电流关系的研究

赵昕

（国网冀北电力有限公司唐山供电公司河北唐山063000）

摘要：在高压开关设备中，隔离开关（DS）的使用量是最大的，在高压电网中起到隔离线路，建立可靠绝缘间隙的作用，DS还用于换接线路以及变换母线接线方式。DS性能的好坏直接影响电网的安全运行，是高压电网中最重要的设备之一。高压隔离开关在分合闸过程中常由于操动机构速度的快或慢而引起拒分、拒合、分合闸不到位以及传动部件损坏变形等故障，因此，有必要对开关触头的运动过程进行控制。以往的高压隔离开关操动机构采用弹簧、液压或气动技术，具有连杆多、结构复杂的缺点，因此，其累计运动公差大、响应缓慢、可控性差，难以实现触头的运动控制。

关键词：隔离开关；操动机构；电机输出；扭矩；电流关系；分析

1导言

高压隔离开关主要用于倒闸操作、隔离电源或者分合小负荷设备。在倒换运行方式或者设备停电检修时，隔离开关能否顺利操作直接影响到系统的供电可靠性和安全性。高压隔离开关多工作于户外环境，转动或传动机构长期暴露在空气中易发生锈蚀，加之运行维护不及时，出现隔离开关分合闸不到位、运动卡滞等机械故障，这已经成为隔离开关安全运行急需解决的难题之一。隔离开关工作时，操动机构电机通过轴系统带动传动机构运动，完成分合闸动作。当传动机构出现卡滞等异常情况时，操动机构电机输出轴的扭矩增大，因此电机输出轴扭矩是反映隔离开关机械故障的重要指标。

2DS电机机构控制系统

2.1分合闸隔离驱动控制电路设计

本文采用功率开关器件IGBT来控制三相绕组电流的通断，并设置ＲCD缓冲电路改变器件的开关轨迹控制各种瞬态过压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。在IGBT关断过程中，电容C通过二极管充电，吸收关断过程产生的du/dt，在IGBT开通后，通过电阻Ｒ放电．吸收二极管必须选用快速恢复二极管，其额定电流应不小于主电路器件额定电流的1/10。此外，应尽量减小线路电感，应选用内部电感尽量小且高频特性好的吸收电容。

2.2电机位置检测电路设计

位置检测电路起着测量转子磁极相对位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，然后控制定子绕组换相。本控制系统采用三个锁存型霍尔元件按一定角度固定在霍尔盘上作为电机位置检测传感器。霍尔盘固定在电机外壳上，制作一个圆形磁钢模拟电机内部磁场分布，磁钢固定在电机主轴上。当电机运动时带动磁钢旋转，霍尔元件输出电平发生变化，DSP通过捕获霍尔元件输出信号获取电机转子所处位置。

2.3速度检测电路设计

采用光电旋转编码器去检测转子的速度，光电旋转编码器由固定在定子上的光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成。光电耦合开关沿圆周均匀分布，每只光耦合开关由相互对着的红外发光二极管和光敏三极管组成。遮光盘位于发光二极管和光敏三极管中间，盘上开有一定角度的窗口．红外发光二极管通电后发出红外光，当遮光盘随电机转子一同旋转时，红外光间断地照在光敏三极管上，使其不断导通和截止，其输出信号反映了转子的速度。

2.4绕组线圈电流检测电路设计

传统的电流检测电路多利用分压电阻的方式，此种方法简单，但电阻会因为温漂而发生变化，无法保证测量的精度．同时外部电路与控制电路之间没有电气隔离，极易造成主回路中的较高电压对控制回路的冲击，对控制系统的安全构成威胁．因此在电流测量电路中，采用可实现电气隔离的霍尔型电流传感器CHF-400B，传感器输出电压与输入电流成比例，比值为1/100。电机在正常运行过程中每相绕组中的电流是交变的，但是A/D模块的输入电压范围是0-3.3V，所以在传感器输出信号前应先通过加法器，再经过比例运算电路以保证线圈电流信号的安全性。

2.5电容充放电控制电路设计

BLDCM采用储能电容代替传统的弹簧等储能方式．在控制系统中设计了电容的充放电控制回路，当控制器上电后，首先对电容器组进行充电，由DSP采集电容电压的信号并进行处理，当电压值达到系统操作要求时，DSP发出停止充电指令，切断外界电源。

3扭矩—电流关系拟合

GW6H-252型隔离开关分合闸过程中，扭矩对工频电流进行了幅度调制，试验中监测的电流幅值中包含着低频扭矩信息，电流幅值随着扭矩的变化而变化。对电机电流进行包络提取，对电机输出轴应变波形进行换算求出扭矩波形，具体操作过程如下：在电机电流数据中，跳过启动电流数据段，取电流波形趋于平稳至合闸结束电流值趋于零的时间段内的电流数据作为处理对象。对于合、分闸过程，均取0.1-6.8s时间段内的电流数据进行波形包络提取。

首先，采用MATLAB软件编程进行希尔伯特解调处理，对选取的合、分闸过程电机电流数据段进行希尔伯特变换，变换数据实部和虚部的平方和的平方根即为电流包络数据；然后进行截止频率为8Hz的低通滤波，得到平滑的电流包络波形。GW6H-252型隔离开关CJ2A型电机的输出轴材质为钢，其弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，电机的输出轴直径为3.6cm。取合、分闸过程中相应时间段内电机输出轴的应变数据，得到扭矩数据。试验测量了隔离开关3次合、分闸过程中电机电流数据和电机输出轴扭矩数据，采用上述方法提取出3次合、分闸过程中电机电流包络波形和扭矩波形。

隔离开关合闸过程中，电机电流包络波形与电机输出转轴扭矩波形非常相似，在0.9、2.7、3.6、4.2、5.3s时，分别出现5个波峰；隔离开关分闸动作时，电机输出轴扭力方向和合闸动作时相反，因此扭矩出现负峰值，分闸过程中，电机电流包络波形与电机输出转轴扭矩波形也具有一定的相似性，在0.6、2.3、4.3、5.7s时，分别出现4个波峰。隔离开关分合闸过程中电机电流包络波形和电机输出轴扭矩波形均很稳定，3次测量所得波形几乎重合，电流包络波形的稳定性略好于电机输出轴扭矩波形。

电机电流包络波形信息能够很好地反映电机输出转轴上扭矩情况。合、分闸过程中电机输出轴扭矩数值相反，而且合闸过程中扭矩数值远大于分闸过程中扭矩数值，这说明合、分闸过程中电机电流包络和电机输出转轴扭矩的函数关系不同，需要分开进行关系拟合。

4结论

总之，1）在隔离开关合闸过程中，电机定子相电流波形出现多个波峰；在分闸过程中，电机定子相电流波形比较平稳，仅出现一个较小的波峰。电流出现波峰时，隔离开关动作出现短暂停顿状态。2）电机电流监测系统和电机输出轴扭矩监测系统的稳定性均很好，电机电流监测系统稳定性略好于电机输出轴扭矩监测系统。由于扭矩监测系统采用应变式扭矩测量技术，测量时环境温度、光照、电机输出轴的振动对数据稳定性有一定影响，相比之下电流监测系统受外界环境的影响较小，因此更加稳定。

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