高可靠强防护配电保护关键技术研究

马 帅，刘子俊，潘明俊，贲安然

(1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

配电网是城市电网的关键环节，发挥着电能消费最后一公里的作用，不同于主网保护，配电保护运行环境复杂多变，给传统保护装置内部各类电子元器件的正常运行带来较大挑战。深圳地处沿海地区，盐雾浓度和空气湿度均高于内地，户外配电保护装置运行环境更为恶劣。据统计，户外配电保护装置缺陷率相较于户内保护装置更高。

为提高供电服务质量，近年来深圳地区配电自动化水平大幅提升，配电保护也有了更为广阔的应用范围，快速的故障隔离和智能的自愈功能极大地提升了供电可靠性。因此，研究适应于配电网复杂运行环境的配电保护装置，以提升配电保护抵御恶劣自然环境的能力，提高其运行可靠性和稳定性，对保障高水平供电有着十分重要的意义。本文研究了高可靠、强防护配电保护装置的设计架构体系，相应地提出了高于现行配电保护装置技术标准的指标要求。

1 高可靠强防护配电保护装置整体设计思路

1)提高配电保护装置运行可靠性，即以通过提升保护装置内部电源模块、CPU模块、开入开出模块、A/D采样模块、人机交互模块的性能，实现配电保护装置的低功耗、长寿命、高冗余度和免维护。

2)加强配电保护装置的防护水平，即以通过优化机箱材质、改进机箱制作工艺、改进机箱和把座连接方式、提升内部板卡防护水平，实现配电保护装置能够在恶劣自然环境和强电磁环境中正常运行。

通过以上两方面的优化设计，有效提升了高可靠强防护配电保护装置的运行指标。

2 提高配电保护运行可靠性的设计要点

2.1 电源模块

为提升电源模块的可靠性，延长电源模块使用寿命，需要降低电源的发热，提高电源模块的效率。配电保护装置电源模块的开关器件一般采用常规MOS管，由于其导通电阻存在“硅限”，在额定负载下其开关损耗和导通损耗相对较高，高可靠设计方案采用超结MOS管，超结MOS管可打破硅限，相比常规MOS管，在相同的芯片面积上导通电阻可降低80%～90%，并且具有更高的开关速度，使得电源模块发热降低，效率提高。

此外，常规电源模块额定负载效率一般在80%左右，在轻载情况下的效率可低至50%，为提升电源模块在轻载情况下的工作效率，高可靠设计方案在提高MOS管性能的同时，采用轻载降频控制技术，即在检测出负载电流较小时实时调节MOS管的开关频率，进一步降低电源模块在轻载情况下的工作效率。

通过选用超结MOS管和轻载降频技术，可有效提升电源模块工作效率指标，即在额定负载时工作效率达90%以上，轻载时工作效率达80%以上。

2.2 CPU模块

为提升CPU模块的可靠性，高可靠设计方案主要进行以下三方面提升：选用高性能工业级CPU芯片；改进软件算法以降低CPU功耗；采用冗余双CPU芯片设计。

选用高性能工业级CPU芯片，其核心处理器架构采用集成处理器，以自主FPGA替代网络接口芯片，在保证与常规配电保护装置性能一致的前提下降低功耗，同时工业级的芯片可适应更宽泛的运行环境。改进软件算法，在被保护设备正常运行时，CPU不再进行模拟量高级运算，进入低功耗运行模式，进一步降低CPU功耗。对于冗余双CPU芯片设计，常规配电保护采用单CPU芯片，双CPU芯片分别负责装置起动和故障计算，有效避免因CPU故障导致的保护误动。

通过选用高性能工业级CPU芯片、改进软件算法以降低CPU功耗。采用冗余双CPU芯片，可有效提升CPU模块的运行指标，即将CPU功耗由常规配电保护的10 W降低为3.5 W，可适应的运行环境由-25℃～55℃提升至-40℃～70℃。配电保护CPU和FPGA的SOC芯片构建方式如图1所示。

图1 配电保护CPU和FPGA的SOC芯片构建方式

2.3 开入开出模块

传统开入模块一般采用光耦器件，其工作稳定性易受温度变化影响，容易老化，高可靠设计方案采用磁耦技术，通过磁耦数据通道实现开关量的高效传输和强弱电的隔离，解决了光耦器件易老化的问题，同时采用脉冲式的动作功率电路，降低采集电路的电阻功耗。通过以上技术，可使开入模块的功耗相比于常规开入模块降低30%。

传统开出模块选用的出口继电器，其出口接点通流能力一般不超过5 A，考虑到出口接点有拉弧的可能，高可靠设计方案选用通流能力更高的出口继电器以提升冗余程度，出口继电器通流能力可提升至16 A。

2.4 A/D采样模块

为提升A/D采样模块的运行可靠性，高可靠设计方案主要从以下两方面进行提升：一是采用双A/D采样校核设计，二是设置A/D采样低功耗运行模式。

常规配电保护采用单A/D采样芯片，采样芯片故障后保护装置极易出现不正确动作的事件，高可靠设计方案采用双A/D采样配置，两路采样同步校核，有效提升运行可靠性。此外，在软件层面增设低功耗采样模式，在被保护设备正常运行时降低A/D芯片工作电压，降低采样频率，可将A/D芯片功率降低至0.1 W以下。

2.5 人机交互模块

常规配电保护装置采用液晶屏幕承载人机交互功能，液晶屏幕属于易损件，难以适应配网复杂的运行环境，且影响整机防护水平。高可靠设计方案采用取消液晶屏幕，而以蓝牙无线技术实现配电装置与移动客户端的通讯及数据交互。蓝牙通信速率可达2 Mbit/s，满足传输要求，且具有连接稳定性高，传输延时低，运行功耗较低的优点。而移动客户端可实现采样查看、报告查询、定值整定、录波召唤等高级应用，使无线运维更加智能。

同时，移动客户端通过与Web服务器安全认证系统交互信息以完成使用者身份认证，移动客户端与配电保护装置之间的数据采用国标规范要求进行加密校验，确保数据传输的准确性和安全性。

3 加强配电保护对恶劣自然环境防护水平设计要点

3.1 提升外壳密封水平

常规配电保护外壳防护等级为IP20～IP54 ，强防护设计方案采用一体化成型外壳，减少外壳拼接，外壳拼接处采用硅胶密封圈进行密封，而配电装置与外部回路连接采用密封航插连接。

通过以上设计，可使配电保护装置外壳防护水平达到IP67，大幅提升户外运行情况下的可靠性。

3.2 提升配电保护抗震水平

常规配电保护装置内部板卡采用与机箱固定联接的形式，抗震等级为Ⅰ级，强防护设计方案采用将板卡与机箱通过软排线联接的柔性联接方式，而板卡通过灌胶工艺固定在机箱内部，同时机箱与板卡之间采用氯丁橡胶发泡材料进行缓冲，该材料具有耐燃、耐油、耐腐蚀的优异特性。

通过以上缓冲设计，可将配电保护装置的抗震性能提升至Ⅱ级。

3.3 提升配电保护耐腐蚀水平

为提升配电保护耐腐蚀水平，强防护设计方案在机箱材质选择、机箱处理工艺、内部PCB板处理方面进行了改进优化。

在机箱材质选择方面，选取5系列铝材，该材料具有电渡性好、抗腐蚀能力强、韧性强、不变形等优点。在机箱处理工艺方面，对铝合金表面进行阳极氧化处理，去除表面自然氧化膜、油脂和杂质，便于铝合金表面形成规则致密的氧化防护膜层。之后在机箱表面喷户外塑粉，进一步提升耐腐蚀能力。在内部板卡处理方面，对PCB板进行三防处理，保护线路板及其相关设备免受环境，增强核心单元电路板的防潮、防盐雾、防霉性能。

通过以上耐腐蚀处理，可将配电保护的耐盐度等级由常规保护的A1级提升至A3级，将耐腐蚀度等级由常规保护的C1级提升至C5级。

4 加强配电保护对强电磁环境防护水平设计要点

4.1 装置级防护

在装置级层面，强防护设计方案采取以下举措：①采用一体成型壳体，构建更为严密的电磁屏蔽，同时配置防雷器件。②将各部件良好搭接，确保导电连续性和低阻抗。③布板时在信号层之间加入内电层，降低信号环路面积，提升集成电路鲁棒性。

4.2 板卡级防护

在板卡级层面，强防护设计方案采取以下举措：①采用多级绝缘加强方式，增加电气间隙和爬电距离，增大高压信号与配电保护壳体、高压信号与FGND接地端子之间的绝缘距离。②采用三级组合式防护电路设计加强电源端口防护，第一级抑制共模和差模信号，第二级抑制浪涌电流快速变化带来的电压抬长，第三级降低干扰对后级直流变换电路的影响。

4.3 连接器防护

在连接器层面，强防护设计方案采取以下举措：①连接器采用全密封航插形式，提升电磁屏蔽性能。②航插内部增设导电垫片，保证航插底座和壳体可靠接触。③将航插外壳可靠接地，使航插连接器与配电保护电位保持一致，抑制共模电压激励产生的共模电流干扰。

通过以上强防护设计，可有效提升配电保护装置对强电磁环境的防护水平，具体指标提升如表1所示。

表1 强防护配电保护电磁防护水平

5 结语

现阶段日益提升的供电可靠性对配电保护安全稳定运行提出了更高的要求，因运行环境复杂，常规配电保护装置存在防护水平不足，部分场景下运行稳定性不高的问题。本文提出了一种高可靠强防护配电保护的设计方案，提升配电保护运行可靠性的同时兼顾经济性和运维的便利性，以该方案试制的配电保护设备已在深圳地区试点运用，取得了良好的运行效果。