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(wǎng)是城市電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，發(fā)揮著電能消費最后一公里的作用，不同于主網(wǎng)保護，配電保護運行環(huán)境復(fù)雜多變，給傳統(tǒng)保護裝置內(nèi)部各類電子元器件的正常運行帶來較大挑戰(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，戶外配電保護裝置運行環(huán)境更為惡劣。據(jù)統(tǒng)計，戶外配電保護裝置缺陷率相較于戶內(nèi)保護裝置更高。

為提高供電服務(wù)質(zhì)量，近年來深圳地區(qū)配電自動化水平大幅提升，配電保護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)雜運行環(huán)境的配電保護裝置，以提升配電保護抵御惡劣自然環(huán)境的能力，提高其運行可靠性和穩(wěn)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(shè)計架構(gòu)體系，相應(yīng)地提出了高于現(xiàn)行配電保護裝置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求。

1 高可靠強防護配電保護裝置整體設(shè)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(nèi)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(xiàn)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(yōu)化機箱材質(zhì)、改進機箱制作工藝、改進機箱和把座連接方式、提升內(nèi)部板卡防護水平，實現(xiàn)配電保護裝置能夠在惡劣自然環(huán)境和強電磁環(huán)境中正常運行。

通過以上兩方面的優(yōu)化設(shè)計，有效提升了高可靠強防護配電保護裝置的運行指標(biāo)。

2 提高配電保護運行可靠性的設(shè)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(fā)熱，提高電源模塊的效率。配電保護裝置電源模塊的開關(guān)器件一般采用常規(guī)MOS管，由于其導(dǎo)通電阻存在“硅限”，在額定負載下其開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗相對較高，高可靠設(shè)計方案采用超結(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)計方案在提高MOS管性能的同時，采用輕載降頻控制技術(shù)，即在檢測出負載電流較小時實時調(diào)節(jié)MOS管的開關(guān)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(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(shè)計方案主要進行以下三方面提升：選用高性能工業(yè)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(shè)計。

選用高性能工業(yè)級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)配電保護裝置性能一致的前提下降低功耗，同時工業(yè)級的芯片可適應(yīng)更寬泛的運行環(huán)境。改進軟件算法，在被保護設(shè)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(shè)計，常規(guī)配電保護采用單CPU芯片，雙CPU芯片分別負責(zé)裝置起動和故障計算，有效避免因CPU故障導(dǎo)致的保護誤動。

通過選用高性能工業(yè)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(biāo)，即將CPU功耗由常規(guī)配電保護的10 W降低為3.5 W，可適應(yīng)的運行環(huán)境由-25℃～55℃提升至-40℃～70℃。配電保護CPU和FPGA的SOC芯片構(gòu)建方式如圖1所示。

圖1 配電保護CPU和FPGA的SOC芯片構(gòu)建方式

2.3 開入開出模塊

傳統(tǒng)開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)計方案采用磁耦技術(shù)，通過磁耦數(shù)據(jù)通道實現(xiàn)開關(guān)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(shù)，可使開入模塊的功耗相比于常規(guī)開入模塊降低30%。

傳統(tǒng)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(shè)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(shè)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(shè)計，二是設(shè)置A/D采樣低功耗運行模式。

常規(guī)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(xiàn)不正確動作的事件，高可靠設(shè)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(shè)低功耗采樣模式，在被保護設(shè)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(guī)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(yīng)配網(wǎng)復(fù)雜的運行環(huán)境，且影響整機防護水平。高可靠設(shè)計方案采用取消液晶屏幕，而以藍牙無線技術(shù)實現(xiàn)配電裝置與移動客戶端的通訊及數(shù)據(jù)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(wěn)定性高，傳輸延時低，運行功耗較低的優(yōu)點。而移動客戶端可實現(xiàn)采樣查看、報告查詢、定值整定、錄波召喚等高級應(yīng)用，使無線運維更加智能。

同時，移動客戶端通過與Web服務(wù)器安全認證系統(tǒng)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(shù)據(jù)采用國標(biāo)規(guī)范要求進行加密校驗，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和安全性。

3 加強配電保護對惡劣自然環(huán)境防護水平設(shè)計要點

3.1 提升外殼密封水平

常規(guī)配電保護外殼防護等級為IP20～IP54 ，強防護設(shè)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(shè)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(guī)配電保護裝置內(nèi)部板卡采用與機箱固定聯(lián)接的形式，抗震等級為Ⅰ級，強防護設(shè)計方案采用將板卡與機箱通過軟排線聯(lián)接的柔性聯(lián)接方式，而板卡通過灌膠工藝固定在機箱內(nèi)部，同時機箱與板卡之間采用氯丁橡膠發(fā)泡材料進行緩沖，該材料具有耐燃、耐油、耐腐蝕的優(yōu)異特性。

通過以上緩沖設(shè)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(shè)計方案在機箱材質(zhì)選擇、機箱處理工藝、內(nèi)部PCB板處理方面進行了改進優(yōu)化。

在機箱材質(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、韌性強、不變形等優(yōu)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(zhì)，便于鋁合金表面形成規(guī)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(nèi)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(guān)設(shè)備免受環(huán)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(guī)保護的A1級提升至A3級，將耐腐蝕度等級由常規(guī)保護的C1級提升至C5級。

4 加強配電保護對強電磁環(huán)境防護水平設(shè)計要點

4.1 裝置級防護

在裝置級層面，強防護設(shè)計方案采取以下舉措：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布板時在信號層之間加入內(nèi)電層，降低信號環(huán)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(shè)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(shè)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(shè)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(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電位保持一致，抑制共模電壓激勵產(chǎn)生的共模電流干擾。

通過以上強防護設(shè)計，可有效提升配電保護裝置對強電磁環(huán)境的防護水平，具體指標(biāo)提升如表1所示。

表1 強防護配電保護電磁防護水平

5 結(jié)語

現(xiàn)階段日益提升的供電可靠性對配電保護安全穩(wěn)定運行提出了更高的要求，因運行環(huán)境復(fù)雜，常規(guī)配電保護裝置存在防護水平不足，部分場景下運行穩(wěn)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(shè)計方案，提升配電保護運行可靠性的同時兼顧經(jīng)濟性和運維的便利性，以該方案試制的配電保護設(shè)備已在深圳地區(qū)試點運用，取得了良好的運行效果。