(国网浙江省电力公司衢州供电公司电力经济技术研究所)
摘要：研究高可靠性的过程层设备具有很好的实用价值，可以有效提高过程层设备的可靠性，提高智能化变电站稳定性、可靠性和安全性。对提高智能化变电站的稳定运行水平有非常重要的意义。
关键词：智能变电站；过程层设备；优化分析
一、原理简述
众所周知，过程层设备在智能化变电站中是安装于就地智能柜中。国调2015年迎峰度夏期间智能变电站缺陷及故障统计数据，高温季节过程层设备故障明显增多，表明当前构架下的过程层设备在高温情况下的可靠运行还普遍存在一定问题。
过程层设备在进行相关入网试验的时候均进行过严格的高低温（-40℃到70℃）测试，那为何到了夏天还是会出现相关的故障情况？
当柜内环境温度一定时，影响过程层设备稳定工作的另外一个指标是设备的温升。“温升”是指电子电气设备中的各个部件高出环境的温度。为验证电子产品的使用寿命、稳定性等特性，通常会测试其重要元件（IC芯片等）的温升，将被测设备置于高于其额定工作温度（如T=25℃）的某一特定温度（如T=70℃）下运行，稳定后记录其元件高于环境温度的温升，验证此产品的设计是否合理。
对某厂家的合并单元进行测试，当环境温度为70℃的，合并单元内部某芯片的温度已超过93℃，这样芯片的温升为23℃。目前国家电网企标已将合并单元的工作温度范围调整为-40℃~85℃，在环境温度为85℃时，可想而知合并单元内部芯片的温度会非常高。
相关研究表明，在高温情况下，温度每上升10℃，元器件的寿命将会下降一半。温升越小装置生命周期越长，对装置稳定工作越有益，因此本文提出了一种高效的双向散热机箱结构，用以大幅度降低设备核心大功率器件的温升，提高装置在高温环境下的可靠性以及延长装置工作的寿命，进而解决过程层设备夏天故障率高的问题。
二、实施方案
随着电子计算机制造技术和工艺水平的不断提高，嵌入式微处理器CPU朝高集成化小型化和高频化趋势发展，导致CPU散热量的增加。
根据电子学理论，热量不直接损伤CPU(CPU因过热炸裂除外)，而是过热引起的“电子迁移”现象⋯在损坏CPU内部的芯片。“电子迁移”是指电子做定向流动时，会撞击金属原子，导致金属原子的移动。在CPU内部电流强度很高的金属导线上，电子的流动提供金属原子的动量，一旦与金属原子碰撞，金属原子就会脱离其表面四处流动，导致金属表面上形成坑洞或土丘，造成不可逆转的永久性损伤。“电子迁移”现象不会立刻损坏芯片，对芯片的伤害是一个缓慢的过程，如果CPU持续在高温下工作，最后会造成核心内部电路短路或断路，最后彻底损坏CPU。且温度越高，彻底破坏CPU的速度就越快，CPU的寿命就越短。
温度对半导体器件寿命的影响可以用阿伦纽斯模型描述
式中M ：化学反应量；A ：比例常数；k ：玻尔兹曼常数（0. 8617> 10 -4 电子伏／度）；E ：激活能；T ：绝对温度；t ：时间.将元器件的失效看作是由某种反应量的原始值M0累积到一定程度M 所引起的，那么寿命就是反应量累积到M 所需的时间t。从公式中可以看出，器件寿命随温度呈指数下降，高有源区温升不但会对半导体器件寿命产生影响，也会影响器件的特性并且引发其他的失效机理。
因此在环境温度一定的时候降低核心芯片的温升对提高过程层设备的可靠性及寿命具有非常重要的作用。
过程层设备一般安装在就地户外柜中，没有强迫冷却的设备，只有通过自然冷却的方式散热，这对于过程层设备的散热设计提出了很高的要求。
国内通用二次保护控制设备厂家的控保设备，都采用通用的4U机箱，所有板卡竖式排列，这样便于插拔、维护、更换，但是带来了一个最大的问题，就是板卡上元器件的热量不能有效地散热。究其原因，4U机箱内部是一个密闭的腔体，散热的路径如下：机箱内板卡的热量传给机箱内部的空气，空气将热量传递给机箱壳体，壳体最终将热量散发出去，所有的热传递的方式都是空气辐射的方式，交换效率极低。如图所示：
图1 通用二次控制保护设备采用的竖式插拔方案
一种采用横向板卡排列的较好散热设计，在交换机设备上得到了广泛的应用。其将板卡主要发热元件和金属外壳之间通过散热器连接，元器件的热量可以高效的传递到机箱外壳上，而外壳是一个非常大的金属面，与装置外空气的接触面积较大，可以很好的实现散热。但这种设计的缺点是板卡不能方便的插拔，需要整装置进行更换，不符合过程层设备的维护要求。为此，本课题提出了一种新的散热设计方案，集合4U竖式板卡便于插拔、交换机横向板卡便于散热的两种特点，如图2所示：
图2 横向插拔方案
仍然采用类似于交换机一样的横向板卡方式，机箱内部板卡从上往下板卡的排列顺序依次为：CPU板卡、操作回路板卡、开入开出板卡、电源&交流头合一板卡，将发热量最大的CPU板卡排布在机箱的上部，CPU板卡上的主要发热元件（上图中棕色图块）通过散热器（上图中浅蓝色图块）与机箱盖板（上图中深蓝色图块）压接在一起，这种设计能够高效地将元器件的热量通过散热器交换到机箱上盖板，然后散到外部空气中，大大降低了核心芯片的温升。
对比通用4U竖式插拔、横向插拔两种方案CPU板卡的温度，两者散热设计的温度仿真图如下：
综合图3、图4的温度分布仿真图来分析，采用横向插拔的散热设计方案后，机箱内温度比传统的竖式插拔方案的散热设计下降了5到10度左右，在夏天的高温时候这个指标是非常可观的。
此外，横向插拔方案还需要满足插拔便利的需求，操作回路板卡、开入开出板卡、电源&交流头合一的板卡，都可以通过机箱内的导轨方便的插拔。针对CPU板卡的插拔，如上图所示，将整个上盖板和机箱分离设计，机箱上盖板是一个可以插拔的部件，也通过导轨安装。
综上所述，上述方案集合了插拔便利、散热高效的两种优点，解决过程设备的散热和维护问题。
三、意义和作用分析
从相关统计数据看，在智能化变电站中合并单元、智能终端的故障概率要高于保护控制设备的故障概率，给现场运行带来一定的压力。究其原因，一方面目前的过程层设备均是就地安装的，设备运行的环境相比保护控制设备要恶劣得多，导致元器件出故障的可能性增大；另外一方面目前主流的过程层设备虽然也有一些防误方面的考虑，比如双AD采样等，但对纯数字化的数据流防误考虑还不是很完善，导致现场出现了一些严重的后果。
河南500kV菊城变、浙江500kV夏金变、青海330kV唐乃亥等由于过程层设备故障导致的误动，说明研究高可靠性的合并单元和智能终端有着非常迫切且重要地意义。
提供高可靠性的过程层设备，能够解决当前智能化变电站可靠性的痛点问题。对支撑坚强智能电网有着巨大的作用。
项目成果推广后，可以大大提高当前智能化变电站的可靠运行水平，解决当前智能化变电站数字化后数据可靠性的痛点问题，具有极大的应用价值。直接效益体现在能够减少变电站内过程层设备异常的情况，由此缩短保护因异常退出的时间；避免过程层设备异常情况造成的保护控制误动，避免造成电网负荷丢失。间接效益体现在为我国建设坚强智能电网提供了强有力的支撑，该项目深层次的研究成果也将确保我国智能化变电站技术方面在国际上处于领先的地位。
论文作者:陈淮芳
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/14
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