輸配電線路跳閘保護(hù)裝置的固態(tài)開關(guān)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

屈 田，葛 亮

（國家電網(wǎng)陜西省電力有限公司西咸新區(qū)供電公司，陜西 西安 712000）

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展和電力需求的增長(zhǎng)，輸配電線路的可靠性和安全性成為重要的關(guān)注點(diǎn)。在電力系統(tǒng)中，跳閘保護(hù)裝置起著保護(hù)電力設(shè)備和線路的重要作用。然而，傳統(tǒng)的跳閘保護(hù)裝置存在著響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、可靠性低等問題，無法滿足日益嚴(yán)苛的電力系統(tǒng)運(yùn)行要求。為了解決這些問題，固態(tài)開關(guān)技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段被引入跳閘保護(hù)裝置。固態(tài)開關(guān)具有快速響應(yīng)、可靠性高以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，能夠提高跳閘保護(hù)裝置的性能和可靠性[1]。因此，研究固態(tài)開關(guān)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化對(duì)于提升輸配電線路的跳閘保護(hù)水平具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)原理與需求分析

1.1 固態(tài)開關(guān)的基本原理

固態(tài)開關(guān)是一種基于半導(dǎo)體器件的電子開關(guān)，其基本原理是通過控制半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)來實(shí)現(xiàn)電路的斷開和閉合。常見的固態(tài)開關(guān)器件包括晶閘管、金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）以及絕緣柵雙極晶體管（Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT）等。以晶閘管為例，它由4個(gè)層狀的半導(dǎo)體材料組成，通過控制其控制端的電壓來控制其導(dǎo)通與截止。當(dāng)控制端施加正向電壓時(shí)，晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)[2]。當(dāng)控制端施加負(fù)向電壓或斷開電源時(shí)，晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。通過控制晶閘管的導(dǎo)通和截止，可以實(shí)現(xiàn)電路的斷開與閉合，從而實(shí)現(xiàn)跳閘保護(hù)裝置的功能。

1.2 輸配電線路的特性與保護(hù)要求

由于輸配電線路具有一定的特性和保護(hù)要求，在設(shè)計(jì)固態(tài)開關(guān)跳閘保護(hù)裝置時(shí)需要充分考慮這些因素。首先，輸配電線路的電壓等級(jí)和負(fù)荷特性對(duì)跳閘保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)有重要影響。不同電壓等級(jí)的輸配電線路對(duì)固態(tài)開關(guān)的額定電壓和電流要求不同，需要選擇適合的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，負(fù)荷特性的變化也會(huì)對(duì)跳閘保護(hù)裝置的響應(yīng)速度和靈敏度提出要求。其次，跳閘保護(hù)裝置需要具備快速響應(yīng)和可靠性的特點(diǎn)。由于輸配電線路中可能存在電力故障和短路等異常情況，跳閘保護(hù)裝置需要能夠在最短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到故障并迅速斷開電路，以保護(hù)線路和設(shè)備的安全運(yùn)行。同時(shí)，跳閘保護(hù)裝置還需要具備可靠的性能，能夠在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，并且具備自動(dòng)恢復(fù)功能[3]。最后，跳閘保護(hù)裝置也需要考慮過電流、過電壓以及短路等異常情況的保護(hù)需求。通過監(jiān)測(cè)電流和電壓的變化，跳閘保護(hù)裝置能夠及時(shí)判斷是否存在過載、過電壓或短路等故障，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如斷開電路或降低負(fù)載。

2 固態(tài)開關(guān)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 開關(guān)器件選型與參數(shù)設(shè)計(jì)

針對(duì)中壓輸配電線路的跳閘保護(hù)裝置，文章選擇使用額定電壓為1 200 V的IGBT作為開關(guān)器件，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)負(fù)荷特性和電路要求，可以確定IGBT的額定電流為50 A。此外，為了確保開關(guān)器件在跳閘保護(hù)裝置中的正常工作，還考慮了IGBT的導(dǎo)通和截止特性。在參數(shù)設(shè)計(jì)方面，根據(jù)IGBT的數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)際需求，確定了IGBT的導(dǎo)通和截止電壓。本文設(shè)置的導(dǎo)通電壓為1.2 V，截止電壓為0.6 V，這樣可以確保在正常工作條件下，IGBT能夠穩(wěn)定導(dǎo)通和截止，以實(shí)現(xiàn)快速、可靠的跳閘保護(hù)功能。通過選擇合適的開關(guān)器件和進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，能夠滿足中壓輸配電線路的要求，并確保跳閘保護(hù)裝置在正常工作范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠的工作。

2.2 控制策略優(yōu)化

在固態(tài)開關(guān)跳閘保護(hù)裝置的控制策略優(yōu)化方面，可以采取以下措施。首先，采用電流保護(hù)策略。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路中的電流，當(dāng)電流超過設(shè)定閾值時(shí)，跳閘保護(hù)裝置將迅速響應(yīng)并切斷電路。為了提高準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可以使用高精度的電流傳感器，并通過數(shù)字信號(hào)處理算法對(duì)電流進(jìn)行濾波和精確測(cè)量。其次，結(jié)合電壓保護(hù)策略。除了電流監(jiān)測(cè)，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路的電壓。當(dāng)電壓異常或超過設(shè)定閾值時(shí)，跳閘保護(hù)裝置將立即采取行動(dòng)，切斷電路來保護(hù)設(shè)備和線路。該策略可以有效應(yīng)對(duì)電壓波動(dòng)、過高或過低的情況。最后，引入過電流保護(hù)策略[4]。通過設(shè)定合適的過電流閾值，當(dāng)電路中出現(xiàn)短路或過負(fù)荷情況時(shí)，跳閘保護(hù)裝置將立即觸發(fā)并切斷電路。此策略可有效防止電路過載，保護(hù)設(shè)備免受損壞。為了提高控制策略的精確性和可靠性，可以使用先進(jìn)的控制器和算法，如模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制或模型預(yù)測(cè)控制。這些算法可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)規(guī)則，快速做出決策并觸發(fā)跳閘保護(hù)裝置的動(dòng)作。通過以上優(yōu)化控制策略的方案，能夠提高跳閘保護(hù)裝置的性能和響應(yīng)速度，確保其在電路故障或異常情況下能夠可靠地?cái)嚅_電路，保護(hù)線路和設(shè)備的安全運(yùn)行。

2.3 熱管理與散熱設(shè)計(jì)

為了有效管理熱量并確保固態(tài)開關(guān)跳閘保護(hù)裝置在高溫環(huán)境下可靠運(yùn)行，文章提出以下具體的熱管理與散熱設(shè)計(jì)方案。首先，選擇具有良好散熱性能和導(dǎo)熱性能的散熱器，并合理設(shè)計(jì)其尺寸和布局。同時(shí)，優(yōu)化開關(guān)器件的布局以降低工作溫度，并設(shè)計(jì)風(fēng)道以提高散熱效率。其次，選擇適當(dāng)尺寸和材料的散熱風(fēng)扇，并通過溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開關(guān)器件溫度，調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以保持在安全溫度范圍內(nèi)工作。采用高導(dǎo)熱性的熱界面材料確保良好的熱接觸，減小熱阻，提高熱量傳導(dǎo)效率。最后，通過環(huán)境溫度傳感器監(jiān)測(cè)周圍溫度，并相應(yīng)調(diào)整散熱設(shè)計(jì)和控制策略，如增加散熱器數(shù)量等[5]。這些方案將有效控制開關(guān)器件的工作溫度，提高可靠性和穩(wěn)定性，確保固態(tài)開關(guān)跳閘保護(hù)裝置在高溫環(huán)境下正常運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

為了進(jìn)行固態(tài)開關(guān)跳閘保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，文章建立了一個(gè)小型的電力輸配電線路模擬實(shí)驗(yàn)裝置作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該裝置包括電源、負(fù)載、跳閘保護(hù)裝置和監(jiān)測(cè)設(shè)備等組成部分。作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，本實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)過設(shè)計(jì)與優(yōu)化的固態(tài)開關(guān)跳閘保護(hù)裝置。該裝置包括固態(tài)開關(guān)器件、控制器、傳感器等關(guān)鍵組件。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開關(guān)器件的狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)中使用溫度傳感器、電流傳感器和電壓傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備。這些設(shè)備能夠提供準(zhǔn)確的溫度、電流和電壓等參數(shù)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行性能測(cè)試與數(shù)據(jù)分析。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠全面評(píng)估固態(tài)開關(guān)跳閘保護(hù)裝置的性能，并對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 裝置性能測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)過程中，文章對(duì)固態(tài)開關(guān)跳閘保護(hù)裝置進(jìn)行多方面的性能測(cè)試。首先，進(jìn)行過電流保護(hù)測(cè)試。通過模擬電力輸配電線路中的過電流故障情況，測(cè)試裝置對(duì)過電流的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確跳閘保護(hù)的能力。這樣可以驗(yàn)證裝置在故障情況下的保護(hù)性能和可靠性。其次，進(jìn)行溫度管理測(cè)試。在高負(fù)載條件下，監(jiān)測(cè)開關(guān)器件的溫度變化，并評(píng)估所采用的熱管理與散熱設(shè)計(jì)方案的效果。通過監(jiān)測(cè)和分析開關(guān)器件的溫度變化，可以判斷裝置在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)的熱穩(wěn)定性和溫度控制能力。最后，進(jìn)行控制策略測(cè)試。在測(cè)試中采取了多種不同的控制策略，如電流保護(hù)、電壓保護(hù)以及過電流保護(hù)策略，并評(píng)估這些策略對(duì)跳閘保護(hù)裝置性能的影響。通過比較不同策略下的裝置性能，可以確定最優(yōu)的控制策略，以提供最佳的保護(hù)效果和性能表現(xiàn)。

3.3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果對(duì)比

通過實(shí)驗(yàn)得到過電流保護(hù)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 過電流保護(hù)測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)該裝置在不同過電流故障情況下均能快速觸發(fā)跳閘保護(hù)，且響應(yīng)時(shí)間與過電流大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中的溫度管理測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 溫度管理測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)所采用的熱管理與散熱設(shè)計(jì)方案能有效控制開關(guān)器件的溫度上升，并保持在可接受的范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中的控制策略測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 控制策略測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)過電流保護(hù)策略在觸發(fā)次數(shù)方面表現(xiàn)最好，但誤觸發(fā)率較高，電壓保護(hù)策略在觸發(fā)次數(shù)和誤觸發(fā)率方面表現(xiàn)較好。

4 結(jié) 論

本研究基于固態(tài)開關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化了輸配電線路的跳閘保護(hù)裝置。研究結(jié)果表明，經(jīng)過設(shè)計(jì)與優(yōu)化的固態(tài)開關(guān)跳閘保護(hù)裝置具有快速觸發(fā)、準(zhǔn)確保護(hù)的特點(diǎn)，能夠滿足輸配電線路的保護(hù)需求。本研究對(duì)于固態(tài)開關(guān)跳閘保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了實(shí)用的指導(dǎo)，并為進(jìn)一步推動(dòng)輸配電線路保護(hù)技術(shù)的發(fā)展提供了有益的探索和參考。相信在未來的研究中，固態(tài)開關(guān)技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用，并在電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行中發(fā)揮更重要的作用。