西门子6ES7341-1AH02-0AE0技术参数
户外开关设备安装方式简单、应用范围宽广、投入费用低廉以及因它自身具备的较完整的保护功能，在输配电线路中占有重要的地位。提高产品的可靠性，努力向免维护方向发展是必须追求的目标。
1、户外中压开关设备的关键问题
1.1 开关本体部分
开关本体是产品的主体部分，主要的问题为开断问题和绝缘问题。
户外开关直接处于恶劣的户外运行环境。由于受日晒雨淋的影响，户外开关应具有防雨雪的能力，能承受紫外线照射而其绝缘强度和机械强度不发生有损开关性能的改变；户外温差大，开关必具备有效的防凝露、防腐、防锈、防机构卡死功能。
户外开关直接暴露在外界环境条件下的绝缘部分，主要有套管，包括瓷套管、复合绝缘套管（内芯为环氧树脂，外表为硅橡胶）和户外环氧树脂套管等。对于SF6开关，SF6气体起着灭弧和绝缘两个作用，除在灭弧室中的灭弧和断口绝缘外，SF6还可用作对地及相间绝缘。而对于真空开关，因真空技术主要是真空灭弧室断口的开断和绝缘技术，它不能作为对地和相间绝缘，它们只能以油介质、SF6介质、大气介质、复合介质和固体绝缘作为绝缘。对于户外真空开关而言，其灭弧室外的绝缘如何处理是产品设计的关键。
（1）以油作为绝缘介质
油以其良好的绝缘性能使开关体积小，并对箱体内各个零部件有良好的防护作用。但有可能渗油且油易燃，易引起二次灾害，特别是某些开关加工与制造质量不良时，使油受潮或油箱进水，绝缘性能劣化，终发展为绝缘被击穿而发生爆炸。箱体内油喷出箱外，发生燃烧，危及人身和设备的安全。
（2）以有机绝缘材料（如环氧制品）与空气组合成的绝缘结构
该类型的产品可克服上述以油为绝缘介质的弊端，不存在绝缘击穿后油燃烧而产生的二次灾害，该类产品易于装配、调试及维修，但体积偏大，重量偏重。近年来，该类产品在国内户外真空断路器市场中占有很大的比例。
（3）复合绝缘
这类绝缘结构的产品以柱式为主，将真空灭弧室安装在绝缘套管内，再用硅脂、聚氨酯材料、硅橡胶填充间隙。
（4）SF6气体绝缘
由于SF6气体良好的绝缘性能和导热性，产品可以做到体积小、重量轻。由于箱体内SF6气体压力不高，加上密封橡胶材料、密封脂、密封结构均有成熟的经验，可以有效地防止漏气及潮气进入。如果采用永磁机构置于箱体内，使机构的各个零部件免受外界大气的污染和锈蚀，该类产品可做成免维护产品。但该类型产品密封结构的设计一定要合理，且对生产工艺的要求较高。
（5）固体绝缘
固体绝缘的真空断路器（重合器）或负荷开关（分段器）大多为柱式结构，它是将真空灭弧室和电流互感器用户外环氧树脂浇注在一起，作为主绝缘和机械支撑，浇注件外表面呈伞形，用以防雨，并达到一定的漏电距离。以上这五种绝缘结构属于将真空作为灭弧介质的开关，但真空开关作为负荷开关，有一定的局限性，因为负荷开关的功能要求与断路器不同，它不需开断短路电流，只需切合负荷电流，对其断口的绝缘性能要求较高，如作为线路分段点时，往往要满足隔离开关的要求。在开发负荷开关产品时许多制造商更中意于采用SF6技术，用简单的灭弧结构就可开断负荷电流（一般在630A以下）；拉大SF6断口的距离，即可提高其绝缘可靠性，满足分段点断口的要求。
1.2 二次单元
由于微机技术在开关设备中的应用，使得户外开关的二次部分得到了突飞猛进的发展。
现代二次技术用于户外开关，其所具备的功能很多，但根据开关本体的不同，它们又有所区别，以柱上开关为例，其主要功能见表1所示。
表1 户外开关的功能
、
根据产品使用场合不同，上述功能可任意选择。制造商在开发多种柱上开关产品时，其控制单元的硬件一般是相同的，仅在软件上根据功能的不同而有所区别。
现代二次设备，将电流互感器的信号传输给微处理器，当电流达到微处理器动作的规定水平时，微处理器发出动作信号，使开关脱扣，此时，微处理器所需的能量很小。
另一方面，现代二次技术采用接近开关来替代传统的辅助开关。传统的辅助开关需要与主开关机械连接的多重环节，使结构变得复杂，易出现卡滞等故障。由于辅助开关触头的弹跳，不易确定转换时刻，也会造成故障。接近开关属于无触点开关，动作稳定准确，可靠性高。近年来，国外现代的二次技术已逐步用于柱上开关技术中，形成机电一体化新潮流。国内也将会朝这个方向发展。
1.3 操动机构
从国际、国内断路器的故障统计数字来看，机械故障占大多数，高达总故障的70％，为提高断路器的可靠性，满足当今社会对高质量、高可靠性产品的需求，有必要突破传统意义上的机构动作原理，研制新的断路器操动机构—永磁操动机构。永磁机构较其它机构的大优势是可靠性高，由于只有一个运动部件，且又可以与灭弧室直接连接，零部件较弹簧机构减少了60％。它结构简单，零部件的大幅减少使开关机械系统可靠性大大提高，从而实现免维护运行。
2、产品实例——ZW51柱上真空断路器
2.1 概述
柱上断路器重合器是10kV配电系统中重要的开关设备，自从LW3-10、ZWl-10、ZW8-12等系列柱上SF6和柱上真空开关研制成功以来，在系统中得到了广泛的应用并取得了较好的效果，但与目前国外产品相比尚有较大差距。目前柱上负荷开关使用潮流日益扩大，断路器用量有所下降，但由于断路器重合器具有较完善的控制和保护功能，在不同网络、重要部门、系统出线端、特殊联接点等场所仍显示出其它设备的优势，在配电系统中仍占主导地位，柱上断路器重合器必须顺应科技发展的需要，以新材料和新工艺为基础，进行全新设计。
户外环氧树脂在国外已取得了成功的应用，国内也有一些应用经验，将真空灭弧室及一些辅助元件整体进行环氧树脂浇装，可以极大地简化产品的结构并具有较高的可靠性，为实现免维护打下基础。永磁操动机构是近几年兴起的新技术，国内也在积极地研究并取得了成功，它在柱上开关中的应用可以说是一个大的变革。
从国外近几年推出的产品来看，采用户外环氧树脂浇注的真空灭弧室组件、永磁操动机构、单片机控制单元构成断路器重合器是一种主要的发展模式，也为配电系统实现自动化创造了条件。
随着乡镇企业的蓬勃发展和农村生活水平的提高，我国县及县以下用电量不断增长，并对供电的连续性和可靠性要求也越来越高。柱上断路器以其简单的安装方式、经济实惠的投入费用和机动灵活的使用场合而得到广泛地应用。由于户外环境条件恶劣，产品运行一段时间后常常会出现故障，现场维修非常困难，要解决这个问题，好的办法就是提高产品的可靠性，努力向免维护方向发展。在部分经济发达地区，对开关设备参数的提高提出迫切的要求。为此，西安高压电器研究所与行业兄弟厂家共同成功开发了ZW51-12630-20型户外交流高压真空断路器，如图1所示。
图1 ZW51—12630—20断路器
2.2 产品用途和使用范围
ZW51-12630-20型户外交流高压真空断路器系三相交流50 Hz户外高压开关设备，主要用于农网和城网的10kV供电系统，作为分合负荷电流、过载电流及短路电流之用，也可用于其它类似场所。
该产品无油、无SF6气体、采用户外环氧树脂浇注工艺，使真空灭弧室与电流互感器一体化，立式分相布置，底座为铝合金铸件，采用永磁操动机构，配上电子控制单元成为智能化断路器。由于采用新工艺、新技术使得产品灭弧能力强，短路开断次数高，无火灾爆炸危险，操作方便，体积小、重量轻，外形美观，可实现高可靠和免维护。
2.3 总体结构及主要部件
参见图1，该断路器采用三极柱式结构，三个极柱组件垂直安装在铸铝合金箱体上，箱体内装有永磁操动机构和传动系统，电子控制单元与本体分开布置，通过电缆实现信息交换与测控。
极柱组件是免维护部件，其内组合了真空灭弧室、电流互感器和进出线导电体，采用户外环氧树脂一次浇注成型，外绝缘漏电比距在IV级以上，对地内绝缘漏电比距在II级以上，可用于较严酷的环境条件下。在极柱组件内通过喇叭型软联接件将真空灭弧室动导电杆与下出线座连通以构成主回路，绝缘操纵杆一端用于连接真空灭弧室动导电杆，另一端伸入机构箱内，用于安装触头弹簧并与主轴上的驱动拐臂铰连，以实现分合闸操作。
该产品真空灭弧室采用陶瓷外壳，杯状纵磁场触头结构，铜铬触头材料，具有优良的开断和关合短路电流能力及长的电寿命。
永磁操动机构为双线圈双稳态结构，利用电磁能量实现断路器的合闸操作并给触头弹簧储能，断路器的分闸操作则由电磁能量和触头弹簧释能来完成。综合考虑技术经济指标，采用一台机构驱动一根主轴的传动方案。
电子控制单元由微型单片计算机构成主控电路，由大功率半导体器件实现输出驱动，电源采用高性能蓄电池组来担任，蓄电池的能量补充由本体B相TA来提供。
2.4 几个关键问题及解决方案
（1）极柱组件的浇注问题
极柱组件集真空灭弧室、电流互感器、进出线导电座于一体，由户外环氧树脂整体浇注成型。其关键问题在于如何解决好因真空灭弧室和环氧层膨胀系数不同，造成浇注后应力导致极柱开裂的现象。经多次反复试验，该产品采用了一种硅酮基胶粘剂，价格便宜、操作简便、粘接强度高、绝缘性能好。试浇样品，剥离环氧层后发现，涂层被从中间撕开，在环氧内壁及瓷壳外壁均粘有致密的橡胶层，可见其粘接力远大于自身的结合力。再通过改小出线座直径，再增加端部环氧层厚度，控制缓冲层厚度。
（2）永磁操动机构与断路器的特性配合问题
由于在开始阶段，对永磁机构特性认识不足，设计方案中采用了单线圈式永磁机构来驱动，传动比选为1∶1，与断路器要求的动作特性可以匹配，但调试难度特别大，往往需要更换零部件、调整线圈参数才能达到要求，触头弹簧、分闸弹簧直接影响到分合闸的动态特性和合闸保持的可靠性，生产调试极为困难。为此，对总体传动方案进行了根本性的改进：采用单台双线圈式永磁机构，传动比为1∶2，采用平动输出驱动杆方式使底座尺寸无明显增加。试验结果表明，此方案是成功的。
（3）电子控制单元
采用16位单片机为核心设计，外辅各功能电路模块，以IGBT大功率管驱动，采用开关电源隔离及模拟、数字滤波等技术，具有很强的抗干扰能力，电源由内部110V蓄电池组提供，蓄电池的充电可由TA、AC200V提供。初始阶段出现的问题是抗干扰和功率管烧毁的情况，采取合适的保护措施后得到解决。
该产品具有机械寿命长、检修周期长、使用简单方便等优点。产品也可使用于污秽地区和高海拔地区。由于采用新工艺、新技术使得产品灭弧能力强，短路开断次数高，无火灾爆炸危险，操作方便，体积小、重量轻，外形美观，可实现高可靠和免维护，为我国城乡电网的更新换代提供了的新型开关设备。
3、发展趋势
随着对供电可靠性指标的要求越来越高，随着新技术、新材料、新工艺的发展与应用，各种新型的户外开关不断问世，这些开关的设计思路也代表了近年开关设备的发展趋势。
环保型——清洁、无油、无漏气、无噪声的环保型产品越来越多。如真空开关的固体绝缘结构，SF6开关小型化箱体一次性密封工艺等技术的应用。
模块化——基于真空灭弧室及电流互感器构成的免维护组件及SF6灭弧室的单元化结构，采用永磁技术的操动机构，使开关整体结构简单化、模块化，基本实现了免维护。
防腐防锈——外壳采用不锈钢或铸铝合金等防锈材料，绝缘子的户外环氧浇注工艺及其有机绝缘材料包封技术的应用等，提高了产品的使用寿命和外观。
智能化——数字化的保护和控制、特性的选择、故障定位、功能自检等，满足配电自动化的需要。
采用现代二次技术以实现配电自动化，是柱上开关的发展方向；采用永磁机构可以提高开关机械可靠性；使用非瓷性绝缘套管可以减轻开关设备的重量，提高其绝缘可靠性。作为断路器（重合器），用真空灭弧技术可以获得更高的可靠性，投较低的维护费用，以及无污染、无公害等。作为负荷开关（分段器），采用SF6灭弧方式能够简化开关的结构，降低成本，且可以满足负荷开关对隔离断口的要求
伺服技术是现代工业重要的支柱性技术，随着近年来不断的发展，交流伺服在很多场合逐步取代了以往的直流伺服技术，而三相交流永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMotor，简称PMSM)是交流永磁伺服电动机的一种，随着永磁体性能的提高和价格的下降，以及由永磁取代绕线式转子中的励磁绕组所带来的一系列优点如转子无发热问题、控制系统简单、具有较高的运行效率和较高的运行速度等等。在数控机床，机器人等小功率应用场合，已获得了广泛应用。
随着现代工业对精密化、高速化、高性能的要求的不断发展，传统的控制器在高要求的场合已经不能够胜任，在很多要求高实时性，高效率的场合，就必须要用专门的数字信号处理器(DSP)来代替传统的控制器的部分功能。特别是在控制算法复杂或对算法进行改进优化的时候，DSP独特的快速计算的能力就明显的体现出来。
随着集成电路制造技术的进步和电力电子技术的发展，交流伺服也得到了长足的发展。集三相逆变器和保护电路、隔离电路、能耗制动电路等功能为一体的智能功率模块、先进的电力电子器件的出现、使交流伺服控制更方便、功耗更低、开关时间更短、变频范围更宽、性能更优越。这些都使交流伺服相对直流伺服体现出了明显的优越性。
系统概述
交流伺服数字化系统的硬件由DSP作为信号处理器，用旋转编码器和电流传感器提供反馈信号，智能功率模块IPM作为逆变器，经传感器出来的信号经过滤波整形等处理后反馈给DSP进行运算，DSP经过对参考信号和反馈信号的处理运算来调节伺服系统的电流环，速度环，和位置环的控制，后输出PWM信号经过隔离驱动IPM模块实现电机的伺服闭环控制。系统的硬件结构如图1所示。
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图1硬件结构图
系统的控制为三环控制方式，位置控制是外环，也是终目标，速度控制是中环，电流控制是内环。为了保证动态响应速度和定位时不产生震荡，电流环和速度环均采用PID调节，位置调节器采用PI调节。系统的控制框图如图2：
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图2控制系统框图
编码器检测的转子位置实际信号与系统给定位置信号进行比较，比较后的差值经位置调节器PI调节后输出转子转速给定信号，给定转速信号再与编码器检测的实际速度信号进行比较，比较后的差值经速度调节器调节后，输出给定电流指令值，在于电流反馈实际值比较后进行PWM控制。
矢量控制
在同步电机中，励磁磁场与电枢磁通势间的空间角度不是固定的，调节电枢电流就不能直接控制电磁转矩。通过电机的外部控制系统，对电枢磁通势相对励磁磁场进行空间定向控制，控制两者之间的角度保持固定值，对电枢电流的幅值也进行控制，这种控制方式就称为矢量控制。
矢量控制也就是通过控制两相的转子参考坐标d-q轴的电流来等效控制电枢的三相电流。通过前面的系统控制框图可以清楚理解这种等效，可以用下面的公式表示：
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由电机非负载轴端安装的编码器随时检测转子磁极位置，不断的取得位置角信息，通过检测实时的知道了θ，也就是说能够进行实时的坐标变化，变换后的电流对逆变器进行控制，产生PWM波形去控制电机。