（河南省高压电器研究所 河南平顶山 467001）
摘要：电机驱动断路器是由电机直接驱动进行分合闸操作的开关设备，突破了传统操动机构的传动结构复杂，机械故障率高等弊端，提供了一种全新且通用的方法来操动高压断路器，逐渐得到用户的认可。但电机驱动操动机构的控制和保护电路相对复杂，使用有电子设备和元件，导致电磁兼容性能下降，故本文着重分析电机驱动操动机构的电磁兼容设计与检测过程中需要注意的问题，分析电磁干扰的类型，应对措施及检测方案，给出了参考意见。
关键词：电机驱动断路器；操动机构；电磁兼容性
1引言
断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备，其性能优劣直接影响着电网的安全运行。操动机构是驱动断路器进行分合闸操作的机构。目前比较常用的操动机构主要有弹簧操动机构、气动操动机构和液压操动机构等，这些操动机构的控制和保护电路结构简单，电磁兼容抗扰度性能好，但普遍存在噪音大、传动结构复杂、机械特性调整困难，不易实现实时状态监测，机械故障率高等弊端。
电机驱动操动机构克服了传统操动机构的局限性,提高断路器的操作性能。该操动机构用电容器代替弹簧或压缩空气来存储控制操动机构的能量,能量从储能电容器经过电力电子器件组成的逆变器输出,电机在数字信号处理器(DSP)的控制下,直接驱动断路器动触头,进行分合闸操作, 传动部件和直接撞击的部位大幅度减少，无需通过链带,液压液或者压缩空气来传递能量,提高了操动机构的效率和可靠性。通过闭环控制电机的转动速度和角度,该操动机构的分合闸速度和时间都是可以调节的，配合外部电路容易实现分合闸的选相操作，减少断路器分合闸过程中触头的烧损。
图1为电机驱动操动机构原理结构图，主要由交流电源、整流电路、储能电容器、逆变电路、控制电路、霍尔传感器、滤波器、信号处理器、计算机、驱动电路、光电编码器，开关特性仪、电机和计算机组成。计算机（或其他操作电路）通过控制电路向信号处理器发出分合闸操作命令，同时驱动电路向逆变电路发出门极信号，从而驱动电机,实现对断路器操作的分合闸操作。霍尔电流传感器检测到电机的电流信号，经滤波反馈给控制电路。电机的转速和转子位置由安装在转轴上的光电编码器获得,经开关特性仪分析处理后，通过计算机记录和显示数据。
从图1可以看出电机驱动操动机构，电路结构相对复杂，使用大量电子设备和元件，电磁兼容性问题不容忽视。在来自机构内部和使用现场的电磁干扰危害是各种各样的，都有可能对电机驱动操动机构造成性能降低直到产品误动或拒动，甚至造成不可估量的设备和人身伤害事故。具体危害体现如下：
1）干扰导致操动机构系统性能下降、无法工作甚至损坏；
2）干扰操动机构的通讯系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递；
3）干扰操动机构的数字电路的逻辑关系，影响其正常工作，造成系统死机；
4）干扰引起操动机构的误动或拒动，导致电网事故。
2 电磁干扰源的分析
在电厂、变电站、控制室等场所中，包括操动机构各元件间存在诸多对电机驱动操动机构构成影响的干扰源，其中最典型的干扰源有：
1)由高压电气回路，如高压断路器、隔离开关等，操作时因电气暂态过程所引起的高频电磁辐射；
2)由高压回路的绝缘击穿或避雷器放电等暂态过程所引起的电磁干扰；
3)由高压设备的工频电磁场所产生的干扰；
4)在接地系统中，由短路电流导致的电位升高所引起的干扰；
5)由闪电所引起的电气暂态现象构成的电磁辐射，这种现象在输电塔及架空输电线路上尤为突出；
6)由于内部和附近的低压回路开断操作产生的快速瞬变脉冲群引起的干扰；
7)由于静电放电所引起的干扰；
8)由外部无线电发射装置产生的高频电磁辐射干扰；
9)由电机瞬间快速启动和制动或其他电气回路所产生的高频电磁辐射干扰；
10)由整流电路引起的谐波和谐间波干扰；
11)由储能电容器充放电引起的工频磁场干扰。
3操动机构的电磁兼容性设计
电机驱动操动机构电磁兼容性设计的目的是使操动机构能够有效抑制和抵御各种外来的电磁干扰，使其在复杂的电厂、变电站的电磁环境下能够正常工作，同时又能减少其对周围环境的电磁污染。本文针对电机驱动操动机构的一些使用特点，总结出如下两方面设计注意要点。
3.1 机构箱的设计
为应对操动机构内部各元器件的相互电磁干扰，根据电机驱动操动机构电磁兼容性特点和便利，建议分箱布置操动机构，将整流电路、储能电容器、逆变电路、霍尔传感器、滤波器、信号处理器、光电编码器和电机布置在同一箱体内，因为这些元器件相比其他电子元器件抗扰度相对较好，多是强模拟信号（如电压，电流信号）或强逻辑信号（如继电器信号）。控制电路、驱动电路、开关特性仪和计算机布置在另一箱体内。这样分箱布置也可以尽可能降低电机瞬间快速启动和制动所产生的高频电磁辐射干扰、整流电路引起的谐波、谐间波干扰和储能电容器充放电引起的工频磁场干扰和对控制电路、驱动电路、开关特性仪和计算机影响，隔离和保护敏感的电子电路。
为应对复杂电磁环境下多种干扰对电机驱动操动机构构成的影响，有效屏蔽外界干扰信号是保证操动机构能正常运行的关键。因此我们可以在设计机构箱时，采用全封闭的金属外壳、尽量少的壳体开孔。对于机构箱壳体连接处的缝隙，根据屏蔽效能公式：
其中K 是一个屏蔽系数，与金属材料有关，g 是缝隙深度，t 是缝隙宽度，L是缝隙长度。
由上式可知，对机构箱而言，减少泄漏、增加屏蔽效能的途径有：
1.增加缝隙深度，也就是增加箱体于盖板之间的配合宽度；
2.减小缝隙长度；
3.减小缝隙宽度，在缝隙处加入导电衬垫或提高结合面加工精度，即减小缝隙长度。一般比较经济的做法通常是安装导电衬垫，这样既可以减小缝隙，又不要求很高的加工成本。
对于机构箱体上的观察窗，可以在箱体表面覆盖导电玻璃，以屏蔽电场和高频电磁场干扰。在观察窗表面覆盖导电玻璃时，必须确保导电玻璃的导电层与控制柜面板良好接触，可以在其之间加入导电衬垫。同样的道理，也可以在机构箱门与机构箱壳体之间加入导电衬垫，以屏蔽外界干扰信号。
对于通气有要求的机构箱体可以用穿孔的金属板做通气孔。用许多小孔替代大口径的通气窗口是提高屏蔽效能的有效方法，与常见的金属网相比，穿孔金属板的特点是屏蔽性能稳定，因为它不存在金属网固有的网丝交叉点接触电阻不稳定的问题。
在机构箱体上应设置固定的接地端子，用来保证箱体能可靠接地，也可以大幅降低静电放电、浪涌（冲击）和振荡波等干扰对操动机构的影响。
3.2 电路的抗扰性设计
电源是操动机构最关键的部分，很多干扰都是经电源耦合而来，如果操动机构电源模块的抗干扰能力不足，会严重影响断路器的操作性能。安装电源滤波器是一个基本的方法。电源滤波器是一种低通滤波器，专用于去除电源中的共模和差模干扰，能够很好的抑制浪涌，电快速瞬变脉冲群等干扰，只允许直流或50Hz 工频电流通过。在使用电源滤波器时，要注意以下几点：
a) 选择滤波器的电流参数时，要选择较大的裕量，以使滤波器始终工作在最佳状态。
b) 滤波器一定要安装在设备离电源入口最近的地方，其外壳一定要良好接地。
c) 滤波器的电源输入线要尽可能短，且最好选择屏蔽线，它的输入线和输出线不能重叠捆绑。
对于其他电路设计方面，根据电机驱动操动机构的一些特点，通讯回路只传递低频弱电信号，测量控制信号是强模拟信号（电压，电流信号），驱动电路与逆变电路间为强逻辑信号（门极信号）和电磁兼容设计一般遵循的方法，可总结出它的电磁兼容设计原则。
a)尽量采用多层印制板技术，可采用四层或六层。电源线、地线、强电信号、弱电信号最好各走一层，以增强浪涌冲击抗扰性能，减少电路器件之间的藕合干扰；
b)信号线尽可能远离电源线，模拟信号线与数字信号线不要平行并排布置；
另外在各电路中的电路板，也都必须通过特定的接地手段，来保证与箱体之间的等电位连接。常用的接地方法可见下图2。
图2 电路设计常用的接地方法
4操动机构的电磁兼容性试验
高压开关产品决定做哪些 电磁兼容 试验，产品设计人员除充分了解高压产品的功能外还应对瞬时干扰现象和 电磁兼容 有丰富的知识，电磁兼容试验也应由经过培训的人员执行，这些都是很重要的。以下四种试验属于脉冲类型的范围，仅仅是模拟单个信号，并不能包含全部电磁脉冲现象。不管怎样，遵照下面的试验顺序，试验其间操动机构器件无损毁，无误分、误合、拒分、拒合现象，试验后，操动机构内的数字化控制单元以及传统继电器控制模块工作均正常。如果在实际试验过程中如果没有更多的故障被发现，做完以下四种电磁兼容试验后，强行增加其它额外的电磁兼容试验是不必要的。如图3为某公司的LW□-126型配电机驱动机构的高压开关产品的电磁兼容试验现场。
4.1 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验
在机构电源回路、控制和其他辅助回路分别施加脉冲群试验电压到 4kV。
4.2静电放电抗扰度试验
在该试验中，人手触摸得到的操作按键和设备外壳都要被试验。金属器件部分，接触放电到 8kV，绝缘器件部分，空气放电到15kV 。实际中，经受电快速瞬变脉冲群抗扰度试验的项目， 对静电放电、射频传导或辐射场有较强的抗扰度。
4.3 浪涌（冲击）抗扰度试验
试验中对操动机构电源线施加试验电压到4kV，对控制和其他辅助回路分别施加试验电压到2kV，连续5次正向以及 5次负向的浪涌（冲击）抗扰度试验。浪涌试验脉冲包含的能量很大，对试品可能产生很大的绝缘危害。
4.4电压暂降、中断和电压变化抗扰度试验
依据GB/T 17626.11-2008附录B电磁环境分类标准，试验中对操动机构电源线应施加试验等级为3类，依次进行0 %UT持续1个周期、40 %UT持续10个周期、70 %UT持续25个周期、80 %UT持续250个周期、电压中断持续250个周期的电压暂降、中断和电压变化抗扰度试验。
5 总结
希望通过本文能够能给配电机驱动机构的高压开关产品的试验检测和产品设计人员提供相应的参考，对产品设计和试验过程中遇到的电磁兼容问题有所帮助，从而减少由于电磁干扰而引起的设备故障，并避免由此引发的生产事故，使得先进的电机驱动机构能够在高压开关产品中得到广泛的应用。
参考文献：
[1]邵盛楠,黄瑜珑,王静君,徐国政,钱家骊 高压断路器电动机驱动操动机构的研究
[2]孙波 高压变电站开关设备二次系统的 EMC 技术设计研究
[3]GB/T 17626 电磁兼容 试验和测量技术
论文作者:刘学申,邢文奇,周忠杰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/12
标签：机构论文; 干扰论文; 电机论文; 电路论文; 信号论文; 断路器论文; 浪涌论文; 《电力设备》2017年第22期论文;