導(dǎo)語(yǔ)：高可靠強(qiáng)防護(hù)配電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)分析一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要:配電保護(hù)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，時(shí)常面臨惡劣自然環(huán)境和強(qiáng)電磁干擾。為提升配電保護(hù)運(yùn)行可靠性，加強(qiáng)配電保護(hù)防護(hù)水平，研究提出了一種高可靠強(qiáng)防護(hù)配電保護(hù)設(shè)計(jì)方案，從提升保護(hù)裝置內(nèi)部各個(gè)模塊的軟硬件性能入手提高配電保護(hù)裝置的運(yùn)行可靠性，從加強(qiáng)機(jī)箱、板卡等防護(hù)水平等方面提升配電保護(hù)裝置抵御惡劣運(yùn)行環(huán)境的能力。

關(guān)鍵詞:配電保護(hù);高可靠;低功耗;抵御強(qiáng)干擾

配電網(wǎng)是城市電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，發(fā)揮著電能消費(fèi)最后一公里的作用，不同于主網(wǎng)保護(hù)，配電保護(hù)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，給傳統(tǒng)保護(hù)裝置內(nèi)部各類(lèi)電子元器件的正常運(yùn)行帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。深圳地處沿海地區(qū)，鹽霧濃度和空氣濕度均高于內(nèi)地，戶(hù)外配電保護(hù)裝置運(yùn)行環(huán)境更為惡劣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，戶(hù)外配電保護(hù)裝置缺陷率相較于戶(hù)內(nèi)保護(hù)裝置更高。為提高供電服務(wù)質(zhì)量，近年來(lái)深圳地區(qū)配電自動(dòng)化水平大幅提升，配電保護(hù)也有了更為廣闊的應(yīng)用范圍，快速的故障隔離和智能的自愈功能極大地提升了供電可靠性。因此，研究適應(yīng)于配電網(wǎng)復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境的配電保護(hù)裝置，以提升配電保護(hù)抵御惡劣自然環(huán)境的能力，提高其運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)保障高水平供電有著十分重要的意義。本文研究了高可靠、強(qiáng)防護(hù)配電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)架構(gòu)體系，相應(yīng)地提出了高于現(xiàn)行配電保護(hù)裝置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求。

1高可靠強(qiáng)防護(hù)配電保護(hù)裝置整體設(shè)計(jì)思路

1)提高配電保護(hù)裝置運(yùn)行可靠性，即以通過(guò)提升保護(hù)裝置內(nèi)部電源模塊、CPU模塊、開(kāi)入開(kāi)出模塊、A/D采樣模塊、人機(jī)交互模塊的性能，實(shí)現(xiàn)配電保護(hù)裝置的低功耗、長(zhǎng)壽命、高冗余度和免維護(hù)。2)加強(qiáng)配電保護(hù)裝置的防護(hù)水平，即以通過(guò)優(yōu)化機(jī)箱材質(zhì)、改進(jìn)機(jī)箱制作工藝、改進(jìn)機(jī)箱和把座連接方式、提升內(nèi)部板卡防護(hù)水平，實(shí)現(xiàn)配電保護(hù)裝置能夠在惡劣自然環(huán)境和強(qiáng)電磁環(huán)境中正常運(yùn)行。通過(guò)以上兩方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提升了高可靠強(qiáng)防護(hù)配電保護(hù)裝置的運(yùn)行指標(biāo)。

2提高配電保護(hù)運(yùn)行可靠性的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1電源模塊

為提升電源模塊的可靠性，延長(zhǎng)電源模塊使用壽命，需要降低電源的發(fā)熱，提高電源模塊的效率。配電保護(hù)裝置電源模塊的開(kāi)關(guān)器件一般采用常規(guī)MOS管，由于其導(dǎo)通電阻存在“硅限”，在額定負(fù)載下其開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗相對(duì)較高，高可靠設(shè)計(jì)方案采用超結(jié)MOS管，超結(jié)MOS管可打破硅限，相比常規(guī)MOS管，在相同的芯片面積上導(dǎo)通電阻可降低80%～90%，并且具有更高的開(kāi)關(guān)速度，使得電源模塊發(fā)熱降低，效率提高。此外，常規(guī)電源模塊額定負(fù)載效率一般在80%左右，在輕載情況下的效率可低至50%，為提升電源模塊在輕載情況下的工作效率，高可靠設(shè)計(jì)方案在提高M(jìn)OS管性能的同時(shí)，采用輕載降頻控制技術(shù)，即在檢測(cè)出負(fù)載電流較小時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)MOS管的開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)一步降低電源模塊在輕載情況下的工作效率。通過(guò)選用超結(jié)MOS管和輕載降頻技術(shù)，可有效提升電源模塊工作效率指標(biāo)，即在額定負(fù)載時(shí)工作效率達(dá)90%以上，輕載時(shí)工作效率達(dá)80%以上。

2.2CPU模塊

為提升CPU模塊的可靠性，高可靠設(shè)計(jì)方案主要進(jìn)行以下三方面提升:選用高性能工業(yè)級(jí)CPU芯片;改進(jìn)軟件算法以降低CPU功耗;采用冗余雙CPU芯片設(shè)計(jì)。選用高性能工業(yè)級(jí)CPU芯片，其核心處理器架構(gòu)采用集成處理器，以自主FPGA替代網(wǎng)絡(luò)接口芯片，在保證與常規(guī)配電保護(hù)裝置性能一致的前提下降低功耗，同時(shí)工業(yè)級(jí)的芯片可適應(yīng)更寬泛的運(yùn)行環(huán)境。改進(jìn)軟件算法，在被保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，CPU不再進(jìn)行模擬量高級(jí)運(yùn)算，進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式，進(jìn)一步降低CPU功耗。對(duì)于冗余雙CPU芯片設(shè)計(jì)，常規(guī)配電保護(hù)采用單CPU芯片，雙CPU芯片分別負(fù)責(zé)裝置起動(dòng)和故障計(jì)算，有效避免因CPU故障導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)。通過(guò)選用高性能工業(yè)級(jí)CPU芯片、改進(jìn)軟件算法以降低CPU功耗。采用冗余雙CPU芯片，可有效提升CPU模塊的運(yùn)行指標(biāo)，即將CPU功耗由常規(guī)配電保護(hù)的10W降低為3．5W，可適應(yīng)的運(yùn)行環(huán)境由－25℃～55℃提升至－40℃～70℃。配電保護(hù)CPU和FPGA的SOC芯片構(gòu)建方式如圖1所示。

2.3開(kāi)入開(kāi)出模塊

傳統(tǒng)開(kāi)入模塊一般采用光耦器件，其工作穩(wěn)定性易受溫度變化影響，容易老化，高可靠設(shè)計(jì)方案采用磁耦技術(shù)，通過(guò)磁耦數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的高效傳輸和強(qiáng)弱電的隔離，解決了光耦器件易老化的問(wèn)題，同時(shí)采用脈沖式的動(dòng)作功率電路，降低采集電路的電阻功耗。通過(guò)以上技術(shù)，可使開(kāi)入模塊的功耗相比于常規(guī)開(kāi)入模塊降低30%。傳統(tǒng)開(kāi)出模塊選用的出口繼電器，其出口接點(diǎn)通流能力一般不超過(guò)5A，考慮到出口接點(diǎn)有拉弧的可能，高可靠設(shè)計(jì)方案選用通流能力更高的出口繼電器以提升冗余程度，出口繼電器通流能力可提升至16A。

2.4A/D采樣模塊

為提升A/D采樣模塊的運(yùn)行可靠性，高可靠設(shè)計(jì)方案主要從以下兩方面進(jìn)行提升:一是采用雙A/D采樣校核設(shè)計(jì)，二是設(shè)置A/D采樣低功耗運(yùn)行模式。常規(guī)配電保護(hù)采用單A/D采樣芯片，采樣芯片故障后保護(hù)裝置極易出現(xiàn)不正確動(dòng)作的事件，高可靠設(shè)計(jì)方案采用雙A/D采樣配置，兩路采樣同步校核，有效提升運(yùn)行可靠性。此外，在軟件層面增設(shè)低功耗采樣模式，在被保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)降低A/D芯片工作電壓，降低采樣頻率，可將A/D芯片功率降低至0．1W以下。

2.5人機(jī)交互模塊

常規(guī)配電保護(hù)裝置采用液晶屏幕承載人機(jī)交互功能，液晶屏幕屬于易損件，難以適應(yīng)配網(wǎng)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，且影響整機(jī)防護(hù)水平。高可靠設(shè)計(jì)方案采用取消液晶屏幕，而以藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)配電裝置與移動(dòng)客戶(hù)端的通訊及數(shù)據(jù)交互。藍(lán)牙通信速率可達(dá)2Mbit/s，滿(mǎn)足傳輸要求，且具有連接穩(wěn)定性高，傳輸延時(shí)低，運(yùn)行功耗較低的優(yōu)點(diǎn)。而移動(dòng)客戶(hù)端可實(shí)現(xiàn)采樣查看、報(bào)告查詢(xún)、定值整定、錄波召喚等高級(jí)應(yīng)用，使無(wú)線(xiàn)運(yùn)維更加智能。同時(shí)，移動(dòng)客戶(hù)端通過(guò)與Web服務(wù)器安全認(rèn)證系統(tǒng)交互信息以完成使用者身份認(rèn)證，移動(dòng)客戶(hù)端與配電保護(hù)裝置之間的數(shù)據(jù)采用國(guó)標(biāo)規(guī)范要求進(jìn)行加密校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和安全性。

3加強(qiáng)配電保護(hù)對(duì)惡劣自然環(huán)境防護(hù)水平設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1提升外殼密封水平

常規(guī)配電保護(hù)外殼防護(hù)等級(jí)為IP20～I(xiàn)P54，強(qiáng)防護(hù)設(shè)計(jì)方案采用一體化成型外殼，減少外殼拼接，外殼拼接處采用硅膠密封圈進(jìn)行密封，而配電裝置與外部回路連接采用密封航插連接。通過(guò)以上設(shè)計(jì)，可使配電保護(hù)裝置外殼防護(hù)水平達(dá)到IP67，大幅提升戶(hù)外運(yùn)行情況下的可靠性。

3.2提升配電保護(hù)抗震水平

常規(guī)配電保護(hù)裝置內(nèi)部板卡采用與機(jī)箱固定聯(lián)接的形式，抗震等級(jí)為Ⅰ級(jí)，強(qiáng)防護(hù)設(shè)計(jì)方案采用將板卡與機(jī)箱通過(guò)軟排線(xiàn)聯(lián)接的柔性聯(lián)接方式，而板卡通過(guò)灌膠工藝固定在機(jī)箱內(nèi)部，同時(shí)機(jī)箱與板卡之間采用氯丁橡膠發(fā)泡材料進(jìn)行緩沖，該材料具有耐燃、耐油、耐腐蝕的優(yōu)異特性。通過(guò)以上緩沖設(shè)計(jì)，可將配電保護(hù)裝置的抗震性能提升至Ⅱ級(jí)。

3.3提升配電保護(hù)耐腐蝕水平

為提升配電保護(hù)耐腐蝕水平，強(qiáng)防護(hù)設(shè)計(jì)方案在機(jī)箱材質(zhì)選擇、機(jī)箱處理工藝、內(nèi)部PCB板處理方面進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。在機(jī)箱材質(zhì)選擇方面，選取5系列鋁材，該材料具有電渡性好、抗腐蝕能力強(qiáng)、韌性強(qiáng)、不變形等優(yōu)點(diǎn)。在機(jī)箱處理工藝方面，對(duì)鋁合金表面進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，去除表面自然氧化膜、油脂和雜質(zhì)，便于鋁合金表面形成規(guī)則致密的氧化防護(hù)膜層。之后在機(jī)箱表面噴戶(hù)外塑粉，進(jìn)一步提升耐腐蝕能力。在內(nèi)部板卡處理方面，對(duì)PCB板進(jìn)行三防處理，保護(hù)線(xiàn)路板及其相關(guān)設(shè)備免受環(huán)境，增強(qiáng)核心單元電路板的防潮、防鹽霧、防霉性能。通過(guò)以上耐腐蝕處理，可將配電保護(hù)的耐鹽度等級(jí)由常規(guī)24保護(hù)的A1級(jí)提升至A3級(jí)，將耐腐蝕度等級(jí)由常規(guī)保護(hù)的C1級(jí)提升至C5級(jí)。

4加強(qiáng)配電保護(hù)對(duì)強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)水平設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1裝置級(jí)防護(hù)

在裝置級(jí)層面，強(qiáng)防護(hù)設(shè)計(jì)方案采取以下舉措:①采用一體成型殼體，構(gòu)建更為嚴(yán)密的電磁屏蔽，同時(shí)配置防雷器件。②將各部件良好搭接，確保導(dǎo)電連續(xù)性和低阻抗。③布板時(shí)在信號(hào)層之間加入內(nèi)電層，降低信號(hào)環(huán)路面積，提升集成電路魯棒性。

4.2板卡級(jí)防護(hù)

在板卡級(jí)層面，強(qiáng)防護(hù)設(shè)計(jì)方案采取以下舉措:①采用多級(jí)絕緣加強(qiáng)方式，增加電氣間隙和爬電距離，增大高壓信號(hào)與配電保護(hù)殼體、高壓信號(hào)與FGND接地端子之間的絕緣距離。②采用三級(jí)組合式防護(hù)電路設(shè)計(jì)加強(qiáng)電源端口防護(hù)，第一級(jí)抑制共模和差模信號(hào)，第二級(jí)抑制浪涌電流快速變化帶來(lái)的電壓抬長(zhǎng)，第三級(jí)降低干擾對(duì)后級(jí)直流變換電路的影響。

4.3連接器防護(hù)

在連接器層面，強(qiáng)防護(hù)設(shè)計(jì)方案采取以下舉措:①連接器采用全密封航插形式，提升電磁屏蔽性能。②航插內(nèi)部增設(shè)導(dǎo)電墊片，保證航插底座和殼體可靠接觸。③將航插外殼可靠接地，使航插連接器與配電保護(hù)電位保持一致，抑制共模電壓激勵(lì)產(chǎn)生的共模電流干擾。通過(guò)以上強(qiáng)防護(hù)設(shè)計(jì)，可有效提升配電保護(hù)裝置對(duì)強(qiáng)電磁環(huán)境的防護(hù)水平，具體指標(biāo)提升如表1所示。

5結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段日益提升的供電可靠性對(duì)配電保護(hù)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求，因運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，常規(guī)配電保護(hù)裝置存在防護(hù)水平不足，部分場(chǎng)景下運(yùn)行穩(wěn)定性不高的問(wèn)題。本文提出了一種高可靠強(qiáng)防護(hù)配電保護(hù)的設(shè)計(jì)方案，提升配電保護(hù)運(yùn)行可靠性的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)維的便利性，以該方案試制的配電保護(hù)設(shè)備已在深圳地區(qū)試點(diǎn)運(yùn)用，取得了良好的運(yùn)行效果。

作者：馬帥 劉子俊 潘明俊 賁安然 單位：深圳供電局有限公司 南京南瑞繼保電氣有限公司