引言

配電終端設(shè)備的可靠性和自動(dòng)化程度，直接影響到整個(gè)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化水平。由于配電終端設(shè)備一般安裝于戶外或比較偏僻的地方，不可能有直流電源提供，因此，配電網(wǎng)終端設(shè)備的直流供電方式成為各配網(wǎng)自動(dòng)化改造中必須要研究和解決的重要問(wèn)題。

配電自動(dòng)化系統(tǒng)非常復(fù)雜，配電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量龐大，種類(lèi)繁多。為了保證配電自動(dòng)化系統(tǒng)終端設(shè)備良好的工作狀態(tài)，終端設(shè)備配備高穩(wěn)定性、高可靠性的電源模塊十分重要。根據(jù)配電自動(dòng)化系統(tǒng)終端設(shè)備的要求，結(jié)合一次設(shè)備的特點(diǎn)，研究適用于配電網(wǎng)終端設(shè)備的電源模塊具有重要意義。

1 配電自動(dòng)化終端對(duì)電源模塊的特殊要求

由于配電網(wǎng)終端設(shè)備一般安裝于戶外或比較偏僻的地方，并且要求電源系統(tǒng)同時(shí)提供一次供電和二次供電，對(duì)于配電網(wǎng)設(shè)備電源系統(tǒng)應(yīng)提出一些特殊要求。

1.1 環(huán)境要求

由于配電網(wǎng)終端設(shè)備安裝在戶外，要經(jīng)受戶外環(huán)境及其環(huán)境變化的考驗(yàn)，對(duì)于配電網(wǎng)終端電源所用的元器件，應(yīng)滿足環(huán)境條件，才能保證其正常工作。

1.2 電氣性能要求

對(duì)配電網(wǎng)終端設(shè)備電源系統(tǒng)電氣性能的要求，與繼電保護(hù)裝置電源的要求基本相同，但要同時(shí)滿足一次和二次設(shè)備供電電源的要求，主要應(yīng)考慮電源輸入端與輸出端之間的絕緣電阻和介電強(qiáng)度。

1.3 不間斷供電要求

對(duì)于配網(wǎng)終端設(shè)備，一般要求在交流消失后仍可工作較長(zhǎng)的一段時(shí)間，因此要求配網(wǎng)設(shè)備電源系統(tǒng)具有不問(wèn)斷供電的功能，這就要求電源系統(tǒng)應(yīng)具有儲(chǔ)能元件，同時(shí)還應(yīng)具備對(duì)上述儲(chǔ)能元件的管理功能。實(shí)現(xiàn)該要求的設(shè)計(jì)等同于通用的UPS工作原理，本文對(duì)此不做討論。

1.4 輸入要求

安裝于戶外的配電網(wǎng)終端設(shè)備不會(huì)配置專(zhuān)用變壓器，也不會(huì)有單獨(dú)的交流供電，唯一有效的辦法是從電網(wǎng)上直接取得輸入供電。因此要求配電網(wǎng)設(shè)備電源系統(tǒng)具有較寬的輸入電源范圍和較強(qiáng)的電網(wǎng)適應(yīng)性，同時(shí)還要滿足電網(wǎng)的電壓等級(jí)要求。

1.5 輸出要求

由于配電網(wǎng)設(shè)備電源系統(tǒng)的供電對(duì)象既有二次設(shè)備也有一次設(shè)備，其輸出必須滿足這兩方面的要求。對(duì)于二次設(shè)備，輸出電壓一般為5，15，24 V;對(duì)于一次設(shè)備則相對(duì)差別較大，如24 V儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)、110 V永磁操作機(jī)構(gòu)、交流操作機(jī)構(gòu)等，要求配網(wǎng)設(shè)備電源系統(tǒng)應(yīng)可以根據(jù)需要輸出滿足要求的直流電。

配電網(wǎng)設(shè)備作為負(fù)載，除了正常的平穩(wěn)工作狀態(tài)之外，經(jīng)常會(huì)進(jìn)行瞬變動(dòng)作，如合閘、分閘等，這就要求配電網(wǎng)設(shè)備電源能夠承受負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化。

2 配電網(wǎng)設(shè)備電源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于配電網(wǎng)終端設(shè)備電源具有特殊性，在設(shè)計(jì)中必須考慮相應(yīng)的對(duì)策，以滿足特殊性要求。

2.1 器件選擇

器件對(duì)于工作環(huán)境的要求較高，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)選取能夠滿足環(huán)境要求和性能要求的電子元器件。對(duì)元器件的使用溫度、濕度等限制條件要格外注意，對(duì)器件的耐壓、電流等電氣參數(shù)要做降額處理，留出足夠的余量。

2.2 電源封裝形式

普通的開(kāi)板式開(kāi)關(guān)電源無(wú)法完全滿足工作環(huán)境的要求，即使部分開(kāi)板式開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品可以滿足這一要求，但其工作壽命又會(huì)明顯縮短。采用模塊電源的封裝形式代替開(kāi)板形式，可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。

模塊電源采用了密閉金屬外殼、整體灌封的生產(chǎn)工藝，使其工作環(huán)境的溫度范圍、適應(yīng)環(huán)境溫度變化的能力、防潮、防濕、抗干擾、抗震、散熱性等都有了很大程度的提高，可以完全滿足配電網(wǎng)終端設(shè)備電源對(duì)于工作環(huán)境的要求。

2.3 輸入端與輸出端之間的電氣隔離

由于配電網(wǎng)終端設(shè)備電源采取直接與電網(wǎng)相連的工作方式，所以要保證該類(lèi)電源的輸入端與輸出端之間的隔離。如果不采取隔離方式，與輸入端連接的設(shè)備故障可能通過(guò)電源傳輸?shù)脚c輸出端連接的設(shè)備上，導(dǎo)致與電源輸出端連接的設(shè)備受到損害，所以該類(lèi)電源的設(shè)計(jì)必須使用隔離方式。

與普通隔離方式的開(kāi)關(guān)電源相比，隔離方式?jīng)]有什么區(qū)別，是在功率傳輸回路使用變壓器，控制反饋回路使用光電耦合器，輸入端與輸出端的地線分開(kāi)后用隔離電容連接，實(shí)現(xiàn)輸入端與輸出端之間的隔離。而不同點(diǎn)在于，配電網(wǎng)終端設(shè)備電源所要求的絕緣電阻更大，要求的介電強(qiáng)度更強(qiáng)，這就要求在設(shè)計(jì)中，必須在電路板上留出更大的安全距離;在變壓器骨架帶引腳兩端先繞絕緣介質(zhì)，再繞漆包線，從而保證漆包線與變壓器骨架引腳之間的安全距離;另外選擇光電耦合器和隔離電容時(shí)，要保證器件的耐壓強(qiáng)度滿足該類(lèi)電源耐壓強(qiáng)度的要求。電源的實(shí)際耐壓是由電路板、變壓器、光電耦合器和隔離電容共同決定的。

2.4 工作方式設(shè)計(jì)

由于配電網(wǎng)設(shè)備電源系統(tǒng)要求具有不問(wèn)斷供電的功能，該系統(tǒng)應(yīng)具有儲(chǔ)能元件。當(dāng)前一般選用蓄電池作為交流斷電后的供電電源，但是電池本身又要求必須滿足其對(duì)于充放電曲線需求和對(duì)電池的具體管理功能，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要求UPS具有智能化工作方式，以滿足不同電池及設(shè)備的需求。該工作方式一般使用數(shù)字信號(hào)處理器或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，本文對(duì)該類(lèi)電源的智能化實(shí)現(xiàn)不做討論。

配電網(wǎng)設(shè)備電源工作方式如圖1所示。

其中，核心部件為變換器，也就是本文討論的重點(diǎn)。為了滿足配電網(wǎng)設(shè)備電源的各種特殊要求，將該變換器設(shè)計(jì)為模塊電源，采用金屬外殼封裝，抗干擾和電網(wǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)。根據(jù)要求變換器的工作狀態(tài)大致可分為2種：一是電網(wǎng)直接為變換器提供交流輸入，變換器實(shí)現(xiàn)AC/DC功能，將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷骱?，給配電網(wǎng)設(shè)備供電，同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電或維護(hù);二是電網(wǎng)供電出現(xiàn)問(wèn)題，電池為變換器提供直流輸入，變換器實(shí)現(xiàn)DC/DC功能，將電池直流轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰闹绷骱?，給配電網(wǎng)設(shè)備供電。

2.5 輸入特性設(shè)計(jì)

特殊的工作方式?jīng)Q定了變換器要同時(shí)具有AC/DC和DC/DC的雙重功能。電網(wǎng)作為輸入供電時(shí)，變換器工作在AC/DC模式;電網(wǎng)故障，電池作為輸入供電時(shí)，變換器工作在DC/DC模式。所以要在變換器內(nèi)部并聯(lián)輸入端需要的2種輸入模式，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

無(wú)論是電網(wǎng)供電模式，還是電池供電模式，輸入電壓都會(huì)有一定范圍的波動(dòng)，電源本身必須在這種波動(dòng)范圍內(nèi)正常工作。

2.6 輸出特性設(shè)計(jì)

為每一個(gè)需要供電的配電網(wǎng)設(shè)備部件都單獨(dú)配備電源是不現(xiàn)實(shí)的。所以在同一時(shí)間，一個(gè)模塊電源要為多個(gè)配電網(wǎng)設(shè)備(一次和二次用電設(shè)備)供電，這就要求電源要具有多路輸出，且各路之間是非均載狀態(tài)。在設(shè)計(jì)反饋穩(wěn)壓電路時(shí)，不能使各路的輸出信號(hào)都處于反饋環(huán)內(nèi)，而只能采用穩(wěn)一個(gè)主路，耦合多條副路的方式。

所謂穩(wěn)一個(gè)主路，耦合多條副路，就是將多路輸出中的一路進(jìn)行輸出采樣，作為系統(tǒng)的反饋信號(hào);而其他副路輸出則不在反饋環(huán)內(nèi)，通過(guò)變壓器磁通耦合主路，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。在這種穩(wěn)壓方式下，主路輸出電壓精度一定能滿足設(shè)備要求，而各個(gè)副路的輸出電壓精度取決于與主路耦合的緊密程度。

為了使副路輸出電壓達(dá)到預(yù)期的精度，要適當(dāng)調(diào)整變壓器上各個(gè)繞組之間的包繞方式，從而調(diào)節(jié)耦合的緊密程度。繞組之間耦合的緊密程度，從輸出電壓的紋波噪聲中可以觀察出來(lái)，與主路繞組耦合緊密的繞組，對(duì)應(yīng)輸出電壓的紋波噪聲相對(duì)要小一些，相反，與主路繞組耦合松的繞組，對(duì)應(yīng)輸出電壓的紋波噪聲相對(duì)要大一些。繞組之間的包繞方式大致分為簡(jiǎn)單分布、三明治分布、交錯(cuò)分布和混合分布，不同方式各有利弊，具體采用哪種包繞方式，取決于實(shí)際設(shè)計(jì)需要。配電網(wǎng)設(shè)備的瞬變動(dòng)作會(huì)對(duì)電源系統(tǒng)本身造成沖擊，這就要求配電網(wǎng)設(shè)備電源能夠承受負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化。

3 設(shè)計(jì)舉例

根據(jù)上述配電網(wǎng)設(shè)備對(duì)電源的特殊要求，設(shè)計(jì)了一款環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、高隔離耐壓、雙供電模式、輸入電壓范圍寬、3路輸出(+15 V，±24 V)且動(dòng)態(tài)性能好的電源。

該電源輸入和輸出端之間能夠承受3 500 V、5O Hz的交流電，漏電流小于等于5 mA，絕緣阻抗大于等于100 MΩ，1 min不擊穿;采用交流供電或直流供電或交直流同時(shí)供電的方式作為輸入;輸入交流電壓圍繞中心值220 V上下浮動(dòng)，范圍可達(dá)165～265 V;3路輸出采用穩(wěn)主路、耦合副路的穩(wěn)壓方式，可使主路輸出的精度達(dá)到±1% ，副路輸出電壓精度達(dá)到±3%。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，220 V交流輸入，3路滿載時(shí)，輸出電壓的紋波噪聲如圖3所示。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，3路輸出繞組在變壓器中的繞制順序依次為主路、第一副路、第二副路。此種繞制方式中，第一副路與主路的耦合程度要比第二副路與主路的耦合程度緊密，從而造成第一副路的電壓精度高于第二副路，并且第一副路的紋波噪聲小于第二副路。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)是判定電源系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)恢復(fù)能力的重要指標(biāo)。當(dāng)電源所帶負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，電源輸出電壓會(huì)出現(xiàn)瞬間過(guò)沖，經(jīng)過(guò)一段恢復(fù)時(shí)間后，再回到正常的輸出狀態(tài)，可以通過(guò)過(guò)沖幅度和恢復(fù)時(shí)間來(lái)判定系統(tǒng)的穩(wěn)定程度和動(dòng)態(tài)恢復(fù)能力。理論上，過(guò)沖幅度和恢復(fù)時(shí)間受電流階躍量、電流變化率和允許變化量的影響。

在實(shí)際中，電源輸出回路或測(cè)試連接回路必然存在一定電感，而電流變化率與電感的乘積將產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此電流階躍并不是理想的，總是存在一定的斜率，如果不規(guī)定電流變化率，測(cè)量結(jié)果就沒(méi)有任何意義了，本設(shè)計(jì)中動(dòng)態(tài)測(cè)試電流變化率為1 A/μs。

使用電子控制的跳變負(fù)載，對(duì)所設(shè)計(jì)的電源進(jìn)行負(fù)載動(dòng)態(tài)跳變測(cè)試。交流220 V輸入，副路滿載，主路負(fù)載跳變范圍為滿載的50% 一75% ～50% ，輸出電壓波形如圖4所示。

示波器2通道為電子負(fù)載跳變信號(hào)波形，示波器1通道為電源輸出電壓波形。從圖4中可以看出，動(dòng)態(tài)過(guò)沖為176 mV(峰峰值的一半)，動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間為200μs，動(dòng)態(tài)過(guò)沖幅度為輸出電壓的1.17% ，能夠滿足配電網(wǎng)設(shè)備對(duì)電源的動(dòng)態(tài)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從配電網(wǎng)設(shè)備電源實(shí)際使用情況出發(fā)，介紹了配電網(wǎng)設(shè)備電源的特殊性;通過(guò)深入研究和分析該類(lèi)電源模塊的實(shí)際使用情況，總結(jié)了設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)要點(diǎn)和這些要點(diǎn)對(duì)該類(lèi)電源模塊的重要性;設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了有針對(duì)性的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明了設(shè)計(jì)的可行性。