高可靠強防護配電保護關鍵技術研究

馬 帥，劉子俊，潘明俊，賁安然

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

配電網是城市電網的關鍵環節，發揮著電能消費最后一公里的作用，不同于主網保護，配電保護運行環境復雜多變，給傳統保護裝置內部各類電子元器件的正常運行帶來較大挑戰。深圳地處沿海地區，鹽霧濃度和空氣濕度均高于內地，戶外配電保護裝置運行環境更為惡劣。據統計，戶外配電保護裝置缺陷率相較于戶內保護裝置更高。

為提高供電服務質量，近年來深圳地區配電自動化水平大幅提升，配電保護也有了更為廣闊的應用范圍，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，研究適應于配電網復雜運行環境的配電保護裝置，以提升配電保護抵御惡劣自然環境的能力，提高其運行可靠性和穩定性，對保障高水平供電有著十分重要的意義。本文研究了高可靠、強防護配電保護裝置的設計架構體系，相應地提出了高于現行配電保護裝置技術標準的指標要求。

1 高可靠強防護配電保護裝置整體設計思路

1)提高配電保護裝置運行可靠性，即以通過提升保護裝置內部電源模塊、CPU模塊、開入開出模塊、A/D采樣模塊、人機交互模塊的性能，實現配電保護裝置的低功耗、長壽命、高冗余度和免維護。

2)加強配電保護裝置的防護水平，即以通過優化機箱材質、改進機箱制作工藝、改進機箱和把座連接方式、提升內部板卡防護水平，實現配電保護裝置能夠在惡劣自然環境和強電磁環境中正常運行。

通過以上兩方面的優化設計，有效提升了高可靠強防護配電保護裝置的運行指標。

2 提高配電保護運行可靠性的設計要點

2.1 電源模塊

為提升電源模塊的可靠性，延長電源模塊使用壽命，需要降低電源的發熱，提高電源模塊的效率。配電保護裝置電源模塊的開關器件一般采用常規MOS管，由于其導通電阻存在“硅限”，在額定負載下其開關損耗和導通損耗相對較高，高可靠設計方案采用超結MOS管，超結MOS管可打破硅限，相比常規MOS管，在相同的芯片面積上導通電阻可降低80%～90%，并且具有更高的開關速度，使得電源模塊發熱降低，效率提高。

此外，常規電源模塊額定負載效率一般在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，高可靠設計方案在提高MOS管性能的同時，采用輕載降頻控制技術，即在檢測出負載電流較小時實時調節MOS管的開關頻率，進一步降低電源模塊在輕載情況下的工作效率。

通過選用超結MOS管和輕載降頻技術，可有效提升電源模塊工作效率指標，即在額定負載時工作效率達90%以上，輕載時工作效率達80%以上。

2.2 CPU模塊

為提升CPU模塊的可靠性，高可靠設計方案主要進行以下三方面提升：選用高性能工業級CPU芯片；改進軟件算法以降低CPU功耗；采用冗余雙CPU芯片設計。

選用高性能工業級CPU芯片，其核心處理器架構采用集成處理器，以自主FPGA替代網絡接口芯片，在保證與常規配電保護裝置性能一致的前提下降低功耗，同時工業級的芯片可適應更寬泛的運行環境。改進軟件算法，在被保護設備正常運行時，CPU不再進行模擬量高級運算，進入低功耗運行模式，進一步降低CPU功耗。對于冗余雙CPU芯片設計，常規配電保護采用單CPU芯片，雙CPU芯片分別負責裝置起動和故障計算，有效避免因CPU故障導致的保護誤動。

通過選用高性能工業級CPU芯片、改進軟件算法以降低CPU功耗。采用冗余雙CPU芯片，可有效提升CPU模塊的運行指標，即將CPU功耗由常規配電保護的10 W降低為3.5 W，可適應的運行環境由-25℃～55℃提升至-40℃～70℃。配電保護CPU和FPGA的SOC芯片構建方式如圖1所示。

圖1 配電保護CPU和FPGA的SOC芯片構建方式

2.3 開入開出模塊

傳統開入模塊一般采用光耦器件，其工作穩定性易受溫度變化影響，容易老化，高可靠設計方案采用磁耦技術，通過磁耦數據通道實現開關量的高效傳輸和強弱電的隔離，解決了光耦器件易老化的問題，同時采用脈沖式的動作功率電路，降低采集電路的電阻功耗。通過以上技術，可使開入模塊的功耗相比于常規開入模塊降低30%。

傳統開出模塊選用的出口繼電器，其出口接點通流能力一般不超過5 A，考慮到出口接點有拉弧的可能，高可靠設計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16 A。

2.4 A/D采樣模塊

為提升A/D采樣模塊的運行可靠性，高可靠設計方案主要從以下兩方面進行提升：一是采用雙A/D采樣校核設計，二是設置A/D采樣低功耗運行模式。

常規配電保護采用單A/D采樣芯片，采樣芯片故障后保護裝置極易出現不正確動作的事件，高可靠設計方案采用雙A/D采樣配置，兩路采樣同步校核，有效提升運行可靠性。此外，在軟件層面增設低功耗采樣模式，在被保護設備正常運行時降低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0.1 W以下。

2.5 人機交互模塊

常規配電保護裝置采用液晶屏幕承載人機交互功能，液晶屏幕屬于易損件，難以適應配網復雜的運行環境，且影響整機防護水平。高可靠設計方案采用取消液晶屏幕，而以藍牙無線技術實現配電裝置與移動客戶端的通訊及數據交互。藍牙通信速率可達2 Mbit/s，滿足傳輸要求，且具有連接穩定性高，傳輸延時低，運行功耗較低的優點。而移動客戶端可實現采樣查看、報告查詢、定值整定、錄波召喚等高級應用，使無線運維更加智能。

同時，移動客戶端通過與Web服務器安全認證系統交互信息以完成使用者身份認證，移動客戶端與配電保護裝置之間的數據采用國標規范要求進行加密校驗，確保數據傳輸的準確性和安全性。

3 加強配電保護對惡劣自然環境防護水平設計要點

3.1 提升外殼密封水平

常規配電保護外殼防護等級為IP20～IP54 ，強防護設計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。

通過以上設計，可使配電保護裝置外殼防護水平達到IP67，大幅提升戶外運行情況下的可靠性。

3.2 提升配電保護抗震水平

常規配電保護裝置內部板卡采用與機箱固定聯接的形式，抗震等級為Ⅰ級，強防護設計方案采用將板卡與機箱通過軟排線聯接的柔性聯接方式，而板卡通過灌膠工藝固定在機箱內部，同時機箱與板卡之間采用氯丁橡膠發泡材料進行緩沖，該材料具有耐燃、耐油、耐腐蝕的優異特性。

通過以上緩沖設計，可將配電保護裝置的抗震性能提升至Ⅱ級。

3.3 提升配電保護耐腐蝕水平

為提升配電保護耐腐蝕水平，強防護設計方案在機箱材質選擇、機箱處理工藝、內部PCB板處理方面進行了改進優化。

在機箱材質選擇方面，選取5系列鋁材，該材料具有電渡性好、抗腐蝕能力強、韌性強、不變形等優點。在機箱處理工藝方面，對鋁合金表面進行陽極氧化處理，去除表面自然氧化膜、油脂和雜質，便于鋁合金表面形成規則致密的氧化防護膜層。之后在機箱表面噴戶外塑粉，進一步提升耐腐蝕能力。在內部板卡處理方面，對PCB板進行三防處理，保護線路板及其相關設備免受環境，增強核心單元電路板的防潮、防鹽霧、防霉性能。

通過以上耐腐蝕處理，可將配電保護的耐鹽度等級由常規保護的A1級提升至A3級，將耐腐蝕度等級由常規保護的C1級提升至C5級。

4 加強配電保護對強電磁環境防護水平設計要點

4.1 裝置級防護

在裝置級層面，強防護設計方案采取以下舉措：①采用一體成型殼體，構建更為嚴密的電磁屏蔽，同時配置防雷器件。②將各部件良好搭接，確保導電連續性和低阻抗。③布板時在信號層之間加入內電層，降低信號環路面積，提升集成電路魯棒性。

4.2 板卡級防護

在板卡級層面，強防護設計方案采取以下舉措：①采用多級絕緣加強方式，增加電氣間隙和爬電距離，增大高壓信號與配電保護殼體、高壓信號與FGND接地端子之間的絕緣距離。②采用三級組合式防護電路設計加強電源端口防護，第一級抑制共模和差模信號，第二級抑制浪涌電流快速變化帶來的電壓抬長，第三級降低干擾對后級直流變換電路的影響。

4.3 連接器防護

在連接器層面，強防護設計方案采取以下舉措：①連接器采用全密封航插形式，提升電磁屏蔽性能。②航插內部增設導電墊片，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電位保持一致，抑制共模電壓激勵產生的共模電流干擾。

通過以上強防護設計，可有效提升配電保護裝置對強電磁環境的防護水平，具體指標提升如表1所示。

表1 強防護配電保護電磁防護水平

5 結語

現階段日益提升的供電可靠性對配電保護安全穩定運行提出了更高的要求，因運行環境復雜，常規配電保護裝置存在防護水平不足，部分場景下運行穩定性不高的問題。本文提出了一種高可靠強防護配電保護的設計方案，提升配電保護運行可靠性的同時兼顧經濟性和運維的便利性，以該方案試制的配電保護設備已在深圳地區試點運用，取得了良好的運行效果。