數字化時代的繼電保護結構設計

　　數字化時代的全面到來，對繼電保護提出了新的要求，甚至對傳統的使用方法進行了全新的改革和推進。例如，對繼電保護裝置的電磁兼容（EMC）和防護等級（IP）提出了更高的要求。繼電保護的功能和應用也從單一的分散式保護向綜合自動化方向發(fā)展，有些地方還需要建立無人值守的綜合自動化變電站，繼電保護直接進入就地的高、低開關柜中也成為目前較普遍采用的一種使用方法。這些都給結構設計提出新課題和高要求。另一方面，工業(yè)技術的進步也為保護結構設計人員提供了大量的新材料、新工藝、新手段，使結構設計人員在自身的領域里能夠發(fā)揮更多的主動性和創(chuàng)造性。以下就本人這些年來從事的繼電保護結構設計實踐，作初淺的探討。

1　數字化時代繼電保護結構設計要求和特點
1．1　功能的要求
　　隨著科學技術的進步，繼電保護產品也從整流型經過幾代的發(fā)展進入了全新的數字型產品。單一保護的綜合功能越來越強，可靠性和精度越來越高，人機界面要求簡單明了，通信、測試的功能要求方便、簡便、可靠。
　　結構設計滿足和保證產品的功能要求，這是第一位。同時結構的外型設計要充分體現產品的高科技、高可靠性和高精度，要求結構外型挺拔、線條流暢、表面精細，顯示出精湛的設計藝術和工藝技術，使人們直觀上感覺產品的高檔和精密。
1．2　使用方法和使用環(huán)境的要求
　　保護產品的應用逐漸向綜合自動化方面發(fā)展，低壓保護甚至可能要適應無人值守變電站的要求，有些低壓保護要直接就地安裝于開關柜上。這些要求保護裝置向高可靠性以及智能化方向發(fā)展，而且要適應各種不同使用環(huán)境的要求。眾所周知，開關柜的使用環(huán)境比保護控制室的環(huán)境要惡劣得多。首先溫度變化較大，夏天的溫度可高達40～50℃，而冬天溫度又較低，我國北方地區(qū)可能會降至－40～－50℃；其次濕度也千差萬別，沿海和南方地區(qū)濕度較高，沿海還有鹽霧的浸蝕。目前國內開關柜密封性能都不好，灰塵也較大，開關柜本身的運行對繼電保護裝置影響也較大，開關柜中各種開關的開、合，各種繼電器的動作，會產生許多電磁干擾和較強的靜電場，同時還會產生一定的振動和沖擊。這樣的環(huán)境就要求保護裝置具有耐高低溫的能力，外殼設計防護等級要高，密封性要好，整個外殼要有三防要求，裝置的抗振動和抗沖擊能力要強，具有較好電磁兼容和抗靜電能力的設計等。
1．3　電磁兼容（EMC）的要求
　　電磁兼容（EMC）簡單的說是一個產品在電磁環(huán)境中既不受外來干擾，也不向外發(fā)射干擾電磁波的能力。它包括抗干擾（設備抗電磁干擾的能力）和電磁發(fā)射控制（設備本身發(fā)射電磁能量的控制）兩個方面。隨著電子技術的快速發(fā)展，電磁干擾源越來越多，使得EMC成為制約產品和系統性能的重要因素，也普遍引起各個方面的高度重視。繼電保護產品國際電工委員會已經發(fā)布了與EMC有關的四項標準：
　　IEC 255-22-1　　　　1 MHz脈沖干擾試驗
　　IEC 255-22-2　　　　靜電放電干擾試驗
　　IEC 255-22-3　　　　幅射電磁場干擾試驗
　　IEC 255-22-4　　　　快速瞬變干擾試驗
　　要達到這些標準，產品的電磁兼容設計是不可缺少的，產品的電磁兼容（EMC）設計就是抵御干擾和控制發(fā)射。就結構設計來說，實際上就是電磁屏蔽設計。結構屏蔽設計一般包括選擇屏蔽材料，結構形式和接地三個方面。
　?。?）　電磁屏蔽主要利用金屬表面的反射和金屬層內的吸收來抑制電磁輻射干擾。屏蔽體通常采用良導體制作，如鋼、銅和鋁等。
　?。?）　金屬體應盡量封閉，連接縫隙處采用包繞迷宮式，必要時加專用的屏蔽襯墊及屏蔽接觸簧片。散熱孔應采用小園孔和小方孔，窄長孔和長縫隙泄漏嚴重。
　　（3）　在電子設備中，接地是電磁屏蔽的重要方法，正確合理的接地能大大提高屏蔽效能，而且能消除靜電感應，同時能起到靜電屏蔽的作用。
1．4　科學技術的發(fā)展帶來了機會
　　科技的發(fā)展，尤其電子技術日新月異的進步，給保護裝置及其結構設計帶來了新的機遇。如電子線路的微型化、電源功率的高效率化，實現功能的低功耗化，這些技術的應用，都為裝置功能的強大、結構緊湊和美觀開辟了新的途徑。
　　另外機械加工技術的進步，新工藝、新材料的應用也給結構設計帶來了廣闊的可操作空間。合理的選用新器件和新材料積極應用新工藝，不僅是豐富造型與色彩表現，體現產品時代感的有力手段，更是提高整機可靠性和宜人性的重要手段。
1．5　工業(yè)設計的指導和應用
　　工業(yè)設計從人機工程、造型原理、色彩配制等方面對繼電保護產品結構設計起指導作用。如保護裝置的面板設計就要考慮人機界面的宜人性，要符合人的生理特征，且在長期觀察與操作中不致于使操作者容易疲勞和產生誤操作等。另一方面，產品造型給予觀賞者的感情影響是形、色、質三大要素的綜合。在繼電保護產品的形、色與質的處理上要充分體現數字化時代高科技產品的時代感和高可靠性。
1．6　密封和散熱
　　密封和散熱是一對矛盾，但隨著科學技術的發(fā)展，元器件的功耗越來越小，電源效率不斷提高，繼電保護中散熱的矛盾已不是很突出，而密封（防護等級）的要求卻越來越高，這在結構設計中要引起足夠的重視。
　　散熱一般可以有幾種設計解決方案：
　　（1）　冷板熱管設計；
　?。?）　機柜內置空調；
　?。?）　通風風道設計。
　　密封的技術要求，國際電工委員會和我國國標都制定了相應標準——防護等級（IP）。發(fā)達國家的繼電保護裝置防護等級能做到IP54，甚至IP65，也就是能夠做到防塵、防濺水，甚至達到塵密和防噴水。數字式繼電保護裝置也要做到高防護等級，以滿足繼電保護高可靠性的要求。