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摘要：变电站内保护装置电流二次回路未经验证时，保护功能不可投入，必须经过带负荷试验。带负荷试验过程中，使用临时过流保护装置的方法较倒空一条母线利用母联（分段）保护隔离故障的方式更为优越。为适应智能变电站中需要将临时过流装置安装于开关场处的需求，本文从防水设计、机械设计、热设计、抗电磁干扰设计、接口设计等方面，利用软件仿真等技术手段，对临时过流保护装置进行了重新设计，并制作了样机。现场试用情况标明本文设计的智能变电站临时过流保护装置能够满足现场实际使用需求。
关键词：临时过流保护装置；智能变电站；防水设计；机械设计；热设计；抗电磁干扰设计；接口设计
0 引言
当变电站内继电保护设备电流二次回路发生变化时，若保护原理涉及电压与电流的方向和相序，如光纤差动保护、距离保护等，需要对保护设备进行带负荷试验，以确认电流回路极性和相序的正确性。带负荷试验结果正确后，保护方可投运。[1]
带负荷试验时，由于保护设备无法投运，因此通常有两种启动方案，一种是采用母联（分段）保护装置充当临时过流保护装置，此时需要将带负荷线路所在的母线上其它线路全部停役，避免母联（分段）保护装置动作时切除运行线路，另一种是为带负荷线路安装临时过流保护装置，利用临时过流保护装置切除需投运线路上的故障，此时带负荷线路所在的母线上其它线路可正常运行。第一种启动方式会增加运行人员操作的复杂度，破坏电网的正常运行方式，延长电网的非正常运行时间，降低电网的可靠性和稳定性，因此启动时通常采取第二种方式。
随着智能变电站的大量投运，变电站的物理结构发生了变化[2]，保护功能由合并单元、保护装置和智能终端共同实现。合并单元将电流和电压转换为SV信息传送至保护装置，保护装置将跳闸信息利用GOOSE报文传送至智能终端实现跳闸，而合并单元和智能终端通常安装于开关场内的智能组件柜[3]。这种情况下，传统临时过流保护装置由于采用了电缆采样、电缆跳闸的形式，只能安装于智能组件柜处，无法适应开关场户外的恶劣环境，因此急需对临时过流保护装置进行改进。
图1 智能变电站智能组件柜示意图
1智能变电站临时过流保护装置设计需求
1.1智能变电站临时过流保护装置方案
针对引言中的情况，在智能变电站中使用临时过流装置，有两种解决方案。一种是将临时过流保护装置采样与跳闸方式改为与智能变电站中相同，即SV采样和GOOSE跳闸，这样就可以将临时过流保护装置与正式投运的线路保护装置安装在一处，但这种方案需要对临时过流保护装置及智能终端进行配置，以保证临时过流保护装置能够接收合并单元SV采样信息，智能终端能够接收临时过流保护装置的GOOSE跳闸命令，不仅带来大量的配置工作，还需要对站内正式投运的智能终端设备进行配置，现场工作复杂且危险性高。另一种方案是临时过流保护装置仍然采用电缆采样和电缆跳闸的形式，但由于安装地点的变化，临时过流装置需要安装在开关场内，使用环境恶劣，对临时过流保护装置本身提出了更高的要求。
两种针对智能变电站的临时过流保护装置解决方案中，为确保现场工作的安全性，第二种方案更为合理。
1.2智能变电站临时过流保护装置挑战
采用电缆采样和电缆跳闸的智能变电站临时过流保护装置由于安装与开关场就地，面临以下几个挑战。
1.装置必需具备防水性，甚至在某些极端条件下，若雨势较大且装置安装地点不理想，装置可能浸泡在水中，智能变电站临时过流保护装置必需保证浸水条件下能够正常工作。
2.临时过流保护装置被移至户外安装后，不再受原有户内安装的屏柜的支撑及保护，其所在的机械环境变得更为复杂和恶劣。在极端情况下，装置会受到冰雹、台风、飞石等偶发现象的破坏，严重的会直接导致装置及相关电路的失效。因此智能变电站临时过流保护装置必需具备良好的抗震性能和机械强度。
3.装置必需适应更恶劣的温度环境。我国地域宽广，幅员辽阔，各地气候环境差异极大，例如东北地区的极端低温、西北地区的局部极端高温等，智能变电站临时过流保护装置必需保证在各种温度条件均能正常工作。
4.开关场电磁环境较继电保护室内更为恶劣，变电站内一次设备正常运行产生的静态电磁波感应骚扰，高压开关动作、雷电等产生的暂态电磁波的冲击均有可能影响智能变电站临时过流保护装置的正常工作。
2智能变电站临时过流保护装置设计与仿真
2.1防水设计
为保证装置的防水性，装置的外壳只分为两个部分，壳体和顶盖，均采用整体压铸铝合金制作。装置整体的防水性能由壳体和顶盖交界处的防水性能决定。壳体与顶盖之间设置了多个紧固螺孔，便于压力分布设计，以保证紧固的力度和均匀程度。壳体与顶盖间使用橡胶垫防水，一方面合理调整橡胶的硬度，另一方面合理设置紧固力度，使得橡胶垫变形充满缝隙，实现装置的整体密封。
图2 防水设计示意图
此外，当电子设备经历潮湿或其他恶劣气候环境时，有可能由于腐蚀效应而失效；材料受环境介质的化学作用而发生性能下降，状态改变，直至变质损坏。为防止腐蚀介质侵入装置内部，将直接裸露于外部环境的零部件表面镀涂致密的防护层抵御腐蚀。
2.2机械设计
本文利用20J锤击试验模拟装置受到外部冲击的抵御程度。同时本文通过有限元软件ANSYS建立了仿真模型，通过模态分析得到落锤面的固有频率。同时通过瞬态分析求出了锤击过程中的持续时间与最大变形量，仿真结果如图3所示。
图3 锤击仿真结果
根据仿真结果，装置铝制外壳厚度选定为5mm，能够保证受到20J的外部冲击时，其最大塑性形变可控制在0.3mm以内，装置外壳不受损坏。
当装置外表面受到冲击时引起的对内部构件的冲击危害更为显著，特别是印刷电路板上焊接的各类元器件。因此在内部布局时，根据应力及形变分布合理避让失效风险位置。同时装置内部采用辅助支撑增加强刚度，并通过弹性材料吸收瞬间作用产生的能量，对内部构件进行防护。
2.3热设计
为保证装置的防水性，装置采用了密闭结构，为保证装置的机械强度，装置的体积受到了限制，这两个限制条件均使得装置的热设计更为困难。
智能变电站临时过流保护装置整体采用“机箱一体化”散热结构，壳体采用整体压铸铝合金，其外表面为为肋筋式散热翅片，其内部预留可用于安装内部PCB及其他部件的安装柱，各部件间采用垒堆式结构；内部采用导热衬垫及硅脂等材料将电子元器件的热耗导出至壳体，且导热材料在多个方向与壳体相接，实现桥接式多向导热，通过表面肋筋式翅片散热，装置散热结构如图4及图5所示。
为了更好研究散热效果，本文采用有限元分析软件ICPEAK进行就地化装置的热仿真。其仿真结果如图6所示，在室温20℃时，就地化装置的外壳温度在33~35℃左右，其中温度最高点在CPU芯片附近，即装置中部及左上角温度较高。后续采用红外测温仪对装置温度进行了实际测量，相同条件下外壳正面温度在33~34.5℃之间，温度分布与仿真结果一致。
图6 装置温度仿真结果图
2.4抗电磁干扰设计
为确保继电保护装置不因受到干扰而造成误动、拒动或其他不正常工作状态，装置内部设置了有效的泄放回路，确保将各类干扰所产生的有害能量及时导出，实现了智能变电站临时过流保护装置能够承受不低于6kV的快速瞬变和6kV浪涌。
2.5接口设计
装置的对外接口处也是制约装置防水和机械性能的薄弱环节。智能变电站临时过流装置采用军用标准的航空插头实现对外连接。电连接器采用卡扣连接的金属圆形连接器，符合GJB598B标准，光连接器采用插针式螺纹多芯圆形连接器，符合GJB599A标准。电连接器与光连接器的分别选用了卡扣和螺纹形式，主要是由于光连接器对于连接的紧密程度和牢固程度要求更高，而卡扣形式现场安装时更为便捷。
3智能变电站临时过流保护装置现场试验
图7 智能变电站临时过流保护装置实物图
图7为智能变电站临时过流保护装置实物图，该装置已在杭州供电公司220千伏罗家变、天湖变等变电站进行了现场试用，使用效果良好。
4结论
本文优选了智能变电站临时过流保护装置，采用电缆采样电缆跳闸的方式，通过提升装置的防水性能、机械强度、散热性能、抗电磁干扰能力，设计并制作了适用与智能变电站的临时过流保护装置。在设计过程中采用软件对装置的散热和机械性能进行仿真，仿真结果与最终实际试验结果相符合。采用本文设计方法制作的智能变电站临时过流保护装置具备良好的防水、机械和散热性能，能够满足变电站现场的实际使用需求。
参考文献:
[1] 汪卫东，顾水平.继电保护带负荷投产试验的优化研究[J].浙江电力， 2009(1)：54-56.
[2] 冯正伟，刘力华，卢洪峰.智能变电站新增间隔IED装置的接口试验[J].浙江电力，2014(3)：21-24.
[3] 刘曦，朱继红. 关于合并单元和智能终端应用模式的探讨，2011，3：15-18
论文作者:胡晨,黄旭亮
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
标签：变电站论文; 保护装置论文; 过流论文; 装置论文; 智能论文; 壳体论文; 负荷论文; 《电力设备》2019年第8期论文;