數(shù)字化時代的繼電保護結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　數(shù)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(tǒng)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(yīng)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(guān)柜中也成為目前較普遍采用的一種使用方法。這些都給結(jié)構(gòu)設(shè)計提出新課題和高要求。另一方面，工業(yè)技術(shù)的進步也為保護結(jié)構(gòu)設(shè)計人員提供了大量的新材料、新工藝、新手段，使結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在自身的領(lǐng)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(jié)構(gòu)設(shè)計實踐，作初淺的探討。

1　數(shù)字化時代繼電保護結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和特點
1．1　功能的要求
　　隨著科學(xué)技術(shù)的進步，繼電保護產(chǎn)品也從整流型經(jīng)過幾代的發(fā)展進入了全新的數(shù)字型產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計滿足和保證產(chǎn)品的功能要求，這是第一位。同時結(jié)構(gòu)的外型設(shè)計要充分體現(xiàn)產(chǎn)品的高科技、高可靠性和高精度，要求結(jié)構(gòu)外型挺拔、線條流暢、表面精細，顯示出精湛的設(shè)計藝術(shù)和工藝技術(shù)，使人們直觀上感覺產(chǎn)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(chǎn)品的應(yīng)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(yīng)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(guān)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(yīng)各種不同使用環(huán)境的要求。眾所周知，開關(guān)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(nèi)開關(guān)柜密封性能都不好，灰塵也較大，開關(guān)柜本身的運行對繼電保護裝置影響也較大，開關(guān)柜中各種開關(guān)的開、合，各種繼電器的動作，會產(chǎn)生許多電磁干擾和較強的靜電場，同時還會產(chǎn)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(shè)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(shè)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(chǎn)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(shè)備抗電磁干擾的能力）和電磁發(fā)射控制（設(shè)備本身發(fā)射電磁能量的控制）兩個方面。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電磁干擾源越來越多，使得EMC成為制約產(chǎn)品和系統(tǒng)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(chǎn)品國際電工委員會已經(jīng)發(fā)布了與EMC有關(guān)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(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計是不可缺少的，產(chǎn)品的電磁兼容（EMC）設(shè)計就是抵御干擾和控制發(fā)射。就結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，實際上就是電磁屏蔽設(shè)計。結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計一般包括選擇屏蔽材料，結(jié)構(gòu)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(nèi)的吸收來抑制電磁輻射干擾。屏蔽體通常采用良導(dǎo)體制作，如鋼、銅和鋁等。
　　（2）　金屬體應(yīng)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(yīng)采用小園孔和小方孔，窄長孔和長縫隙泄漏嚴重。
　?。?）　在電子設(shè)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(yīng)，同時能起到靜電屏蔽的作用。
1．4　科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶來了機會
　　科技的發(fā)展，尤其電子技術(shù)日新月異的進步，給保護裝置及其結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)功能的低功耗化，這些技術(shù)的應(yīng)用，都為裝置功能的強大、結(jié)構(gòu)緊湊和美觀開辟了新的途徑。
　　另外機械加工技術(shù)的進步，新工藝、新材料的應(yīng)用也給結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)用新工藝，不僅是豐富造型與色彩表現(xiàn)，體現(xiàn)產(chǎn)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(shè)計的指導(dǎo)和應(yīng)用
　　工業(yè)設(shè)計從人機工程、造型原理、色彩配制等方面對繼電保護產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計起指導(dǎo)作用。如保護裝置的面板設(shè)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(chǎn)生誤操作等。另一方面，產(chǎn)品造型給予觀賞者的感情影響是形、色、質(zhì)三大要素的綜合。在繼電保護產(chǎn)品的形、色與質(zhì)的處理上要充分體現(xiàn)數(shù)字化時代高科技產(chǎn)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(xué)技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計中要引起足夠的重視。
　　散熱一般可以有幾種設(shè)計解決方案：
　?。?）　冷板熱管設(shè)計；
　?。?）　機柜內(nèi)置空調(diào)；
　?。?）　通風(fēng)風(fēng)道設(shè)計。
　　密封的技術(shù)要求，國際電工委員會和我國國標都制定了相應(yīng)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(shù)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。