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数字化时代的继电保护结构设计 |
| 数字化时代的全面到来，对继电保护提出了新的要求，甚至对传统的使用方法进行了全新的改革和推进。例如，对继电保护装置的电磁兼容（ EMC）和防护等级（IP）提出了更高的要求。继电保护的功能和应用也从单一的分散式保护向综合自动化方向发展，有些地方还需要建立无人值守的综合自动化变电站，继电保护直接进入就地的高、低开关柜中也成为目前较普遍采用的一种使用方法。这些都给结构设计提出新课题和高要求。另一方面，工业技术的进步也为保护结构设计人员提供了大量的新材料、新工艺、新手段，使结构设计人员在自身的领域里能够发挥更多的主动性和创造性。以下就本人这些年来从事的继电保护结构设计实践，作初浅的探讨。 一、数字化时代继电保护结构设计要求和特点 （一）功能的要求 随着科学技术的进步，继电保护产品也从整流型经过几代的发展进入了全新的数字型产品。单一保护的综合功能越来越强，可靠性和精度越来越高，人机界面要求简单明了，通信、测试的功能要求方便、简便、可靠。 结构设计满足和保证产品的功能要求，这是第一位。同时结构的外型设计要充分体现产品的高科技、高可靠性和高精度，要求结构外型挺拔、线条流畅、表面精细，显示出精湛的设计艺术和工艺技术，使人们直观上感觉产品的高档和精密。 （二）使用方法和使用环境的要求 保护产品的应用逐渐向综合自动化方面发展，低压保护甚至可能要适应无人值守变电站的要求，有些低压保护要直接就地安装于开关柜上。这些要求保护装置向高可靠性以及智能化方向发展，而且要适应各种不同使用环境的要求。众所周知，开关柜的使用环境比保护控制室的环境要恶劣得多。首先温度变化较大，夏天的温度可高达40～50℃，而冬天温度又较低，我国北方地区可能会降至－40～－50℃；其次湿度也千差万别，沿海和南方地区湿度较高，沿海还有盐雾的浸蚀。目前国内开关柜密封性能都不好，灰尘也较大，开关柜本身的运行对继电保护装置影响也较大，开关柜中各种开关的开、合，各种继电器的动作，会产生许多电磁干扰和较强的静电场，同时还会产生一定的振动和冲击。这样的环境就要求保护装置具有耐高低温的能力，外壳设计防护等级要高，密封性要好，整个外壳要有三防要求，装置的抗振动和抗冲击能力要强，具有较好电磁兼容和抗静电能力的设计等。 （三）电磁兼容（EMC）的要求 电磁兼容（EMC）简单的说是一个产品在电磁环境中既不受外来干扰，也不向外发射干扰电磁波的能力。它包括抗干扰（设备抗电磁干扰的能力）和电磁发射控制（设备本身发射电磁能量的控制）两个方面。随着电子技术的快速发展，电磁干扰源越来越多，使得EMC成为制约产品和系统性能的重要因素，也普遍引起各个方面的高度重视。继电保护产品国际电工委员会已经发布了与EMC有关的四项标准： IEC 255-22-1 1 MHz脉冲干扰试验 1．电磁屏蔽主要利用金属表面的反射和金属层内的吸收来抑制电磁辐射干扰。屏蔽体通常采用良导体制作，如钢、铜和铝等。 2．金属体应尽量封闭，连接缝隙处采用包绕迷宫式，必要时加专用的屏蔽衬垫及屏蔽接触簧片。散热孔应采用小园孔和小方孔，窄长孔和长缝隙泄漏严重。 3．在电子设备中，接地是电磁屏蔽的重要方法，正确合理的接地能大大提高屏蔽效能，而且能消除静电感应，同时能起到静电屏蔽的作用。 （四）科学技术的发展带来了机会 科技的发展，尤其电子技术日新月异的进步，给保护装置及其结构设计带来了新的机遇。如电子线路的微型化、电源功率的高效率化，实现功能的低功耗化，这些技术的应用，都为装置功能的强大、结构紧凑和美观开辟了新的途径。 另外机械加工技术的进步，新工艺、新材料的应用也给结构设计带来了广阔的可操作空间。合理的选用新器件和新材料积极应用新工艺，不仅是丰富造型与色彩表现，体现产品时代感的有力手段，更是提高整机可靠性和宜人性的重要手段。 （五）工业设计的指导和应用 工业设计从人机工程、造型原理、色彩配制等方面对继电保护产品结构设计起指导作用。如保护装置的面板设计就要考虑人机界面的宜人性，要符合人的生理特征，且在长期观察与操作中不致于使操作者容易疲劳和产生误操作等。另一方面，产品造型给予观赏者的感情影响是形、色、质三大要素的综合。在继电保护产品的形、色与质的处理上要充分体现数字化时代高科技产品的时代感和高可靠性。 （六）密封和散热 密封和散热是一对矛盾，但随着科学技术的发展，元器件的功耗越来越小，电源效率不断提高，继电保护中散热的矛盾已不是很突出，而密封（防护等级）的要求却越来越高，这在结构设计中要引起足够的重视。 散热一般可以有几种设计解决方案： 1．冷板热管设计； 2．机柜内置空调； 3．通风风道设计。 密封的技术要求，国际电工委员会和我国国标都制定了相应标准——防护等级（IP）。发达国家的继电保护装置防护等级能做到IP54，甚至IP65，也就是能够做到防尘、防溅水，甚至达到尘密和防喷水。数字式继电保护装置也要做到高防护等级，以满足继电保护高可靠性的要求。 二、继电保护结构设计实践 根据继电保护功能要求，以及不同的使用方法及环境要求，继电保护装置结构大抵可以分成两种不同类型：一种为高压线路保护、发变组保护、大型变压器保护等大功率的主设备保护等，这类保护的综合性能要求较高，使用的保护对象非常重要，可靠性要求较高，我们且把它称为高等级保护结构；另一种是低压线路保护、电动机保护、电容器保护等以及一些直接进入就地开关柜的继电保护，我们且把它们称为低等级保护结构。因为这两类保护性能要求、使用场合、使用方法都不尽相同，所以结构型式，设计思路都不一样。 （一）高等级保护结构设计 保护装置结构一般选用符合IEC 297以及GB 3047标准的482．6 mm（19″）标准插箱。 插箱型式大致有4种：钣金结构插箱；铝型材结构插箱；塑木结构插箱；全塑结构插箱。适于做保护结构的一般是前2种。装置面板是分面板、分插件型式；也可以是整面板，插箱内部是各独立的插件笼型式。在人机界面的设计，装置EMC设计，整面板型式已显示出越来越大的优越性。还有一种结构型式：装置前面是整面板，分插件是从插箱背后插入的，也即是后插式。此种结构型式结构紧凑，走线方便，强弱电容易分开，AC，DC引线可以通过滤波器接入装置，EMC要求也得到很好的保证。出线端子使用进口的接插型端子，走线整齐，测试方便。整面板上液晶显示的菜单式人机对话界面，简洁明了，人机关系友好，再配以手感较好的橡胶键盘，操作起来简单明了，不易出错。面板表面选用铝合金拉丝表面精饰工艺，显得表面精细，工艺精湛，给人以内在性能理应卓越的联想。 整个装置的整体EMC设计也比较合理，插箱的侧板和上下盖板，铝型材和上下盖板的联接处，以及面板和插箱连接缝隙处都加了专用EMC簧片，液晶在面板上的空隙处也加了EMC薄膜，上下盖板和前后型材的联接采用迷宫式结构型式（如图1）， 从而使整个装置几乎没有电磁缝隙。采用这种结构的装置很顺利的通过了EMC的有关试验。  图 1 迷宫式结构 （二）低等级保护结构设计 低等级保护结构一般结构较小，可以采用482.6 mm（19″）的1/2宽度，1/3宽度，甚至1/4宽度的插箱，组屏上柜可以如图2、图3布置，也可以单独进入就地开关柜的开关室，因为开关室的大小有限制，一般安装深度＜250。 这种结构如果用482．6 mm（19″）宽度插箱同样结构型式，将显得很不合理，也难以满足它的使用要求，一般采用如下两种型式。  图 2 1/2宽度插箱组屏布置图  图 3 1/3宽度插箱组屏布置图 （一）钣金包绕式 这种结构箱体主体——筒体是一个钣金包绕过来的筒子，自成一体没有缝隙，再加一个前面罩和筒体密封罩合，结构非常紧凑简单，能满足EMC要求，防护等级可以达到很高的标准（如图4）。  图 4 钣金结构 （二）铝型材箱体式 结构型式与上面相似，只是筒体直接拉制成铝型材，同样也能满足各种要求（如图5）。  图 5 铝型材结构 三、结束语 我国的继电保护行业，在原理和设计上并不落后于任何发达国家，甚至有些方面走在国际先进技术的前列。但我们生产出来的装置和发达国家的大公司的继电保护装置比较，却有明显的差距，也就是我们的保护原理和技术较先进，生产出来的保护装配并不是一流的，这其中比较重要原因之一就是结构和工艺相对落后。众所周知，我们的民用产品如彩电、冰箱、空调、洗衣机的外型结构，这几年有了突飞猛进的进步，已完全可以与发达国家的同类产品相媲美。我们的继电保护结构设计及其制造技术差距还较大，要迎头赶上，就需要我们广大的从事继电保护结构工作的人们不断努力，不断学习，还希望整个行业都来重视和支持结构和工艺这个薄弱环节，为提高继电保护产品的整体质量而奋斗。 |