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。

1　数字化时代继电保护结构设计要求和特点
1．1　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。
1．2　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。
1．3　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
　　IEC 255-22-2　　　　静电放电干扰试验
　　IEC 255-22-3　　　　幅射电磁场干扰试验
　　IEC 255-22-4　　　　快速瞬变干扰试验
　　要达到这些标准，产品的电磁兼容设计是不可缺少的，产品的电磁兼容（EMC）设计就是抵御干扰和控制发射。就结构设计来说，实际上就是电磁屏蔽设计。结构屏蔽设计一般包括选择屏蔽材料，结构形式和接地三个方面。
　　（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。
1．4　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。
1．5　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。
1．6　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。