引言

配電終端設(shè)備的可靠性和自動化程度，直接影響到整個配電自動化系統(tǒng)的可靠性和自動化水平。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)自動化改造中必須要研究和解決的重要問題。

配電自動化系統(tǒng)非常復(fù)雜，配電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量龐大，種類繁多。為了保證配電自動化系統(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 配電自動化終端對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)同時提供一次供電和二次供電，對于配電網(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的一段時間，因此要求配網(wǎng)設(shè)備電源系統(tǒng)具有不問斷供電的功能，這就要求電源系統(tǒng)應(yīng)具有儲能元件，同時還應(yīng)具備對上述儲能元件的管理功能。實(shí)現(xiàn)該要求的設(shè)計等同于通用的UPS工作原理，本文對此不做討論。

1.4 輸入要求

安裝于戶外的配電網(wǎng)終端設(shè)備不會配置專用變壓器，也不會有單獨(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，同時還要滿足電網(wǎng)的電壓等級要求。

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。對于二次設(shè)備，輸出電壓一般為5，15，24 V;對于一次設(shè)備則相對差別較大，如24 V儲能操作機(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)常會進(jìn)行瞬變動作，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)載的動態(tài)變化。

2 配電網(wǎng)設(shè)備電源的設(shè)計要點(diǎn)

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

2.1 器件選擇

器件對于工作環(huán)境的要求較高，在設(shè)計中，應(yīng)選取能夠滿足環(huán)境要求和性能要求的電子元器件。對元器件的使用溫度、濕度等限制條件要格外注意，對器件的耐壓、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

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

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，所以該類電源的設(shè)計必須使用隔離方式。

與普通隔離方式的開關(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，要保證器件的耐壓強(qiáng)度滿足該類電源耐壓強(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

由于配電網(wǎng)設(shè)備電源系統(tǒng)要求具有不問斷供電的功能，該系統(tǒng)應(yīng)具有儲能元件。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于充放電曲線需求和對電池的具體管理功能，因此在設(shè)計時要求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)字信號處理器或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，本文對該類電源的智能化實(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)橹绷骱螅o配電網(wǎng)設(shè)備供電，同時對電池進(jìn)行充電或維護(hù);二是電網(wǎng)供電出現(xiàn)問題，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闹绷骱螅o配電網(wǎng)設(shè)備供電。

2.5 輸入特性設(shè)計

特殊的工作方式?jīng)Q定了變換器要同時具有AC/DC和DC/DC的雙重功能。電網(wǎng)作為輸入供電時，變換器工作在AC/DC模式;電網(wǎng)故障，電池作為輸入供電時，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。

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

2.6 輸出特性設(shè)計

為每一個需要供電的配電網(wǎng)設(shè)備部件都單獨(dú)配備電源是不現(xiàn)實(shí)的。所以在同一時間，一個模塊電源要為多個配電網(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)計反饋穩(wěn)壓電路時，不能使各路的輸出信號都處于反饋環(huán)內(nèi)，而只能采用穩(wěn)一個主路，耦合多條副路的方式。

所謂穩(wěn)一個主路，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;而其他副路輸出則不在反饋環(huán)內(nèi)，通過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，與主路繞組耦合緊密的繞組，對應(yīng)輸出電壓的紋波噪聲相對要小一些，相反，與主路繞組耦合松的繞組，對應(yīng)輸出電壓的紋波噪聲相對要大一些。繞組之間的包繞方式大致分為簡單分布、三明治分布、交錯分布和混合分布，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)計需要。配電網(wǎng)設(shè)備的瞬變動作會對電源系統(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)載的動態(tài)變化。

3 設(shè)計舉例

根據(jù)上述配電網(wǎng)設(shè)備對電源的特殊要求，設(shè)計了一款環(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，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)測試，220 V交流輸入，3路滿載時，輸出電壓的紋波噪聲如圖3所示。

在實(shí)際設(shè)計中，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。

動態(tài)響應(yīng)是判定電源系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(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，電源輸出電壓會出現(xiàn)瞬間過沖，經(jīng)過一段恢復(fù)時間后，再回到正常的輸出狀態(tài)，可以通過過沖幅度和恢復(fù)時間來判定系統(tǒng)的穩(wěn)定程度和動態(tài)恢復(fù)能力。理論上，過沖幅度和恢復(fù)時間受電流階躍量、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)電動勢，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，測量結(jié)果就沒有任何意義了，本設(shè)計中動態(tài)測試電流變化率為1 A/μs。

使用電子控制的跳變負(fù)載，對所設(shè)計的電源進(jìn)行負(fù)載動態(tài)跳變測試。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，動態(tài)過沖為176 mV(峰峰值的一半)，動態(tài)恢復(fù)時間為200μs，動態(tài)過沖幅度為輸出電壓的1.17% ，能夠滿足配電網(wǎng)設(shè)備對電源的動態(tài)要求。

4 結(jié)束語

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;通過深入研究和分析該類電源模塊的實(shí)際使用情況，總結(jié)了設(shè)計中應(yīng)注意的幾個要點(diǎn)和這些要點(diǎn)對該類電源模塊的重要性;設(shè)計制作了樣機(jī)，對樣機(jī)進(jìn)行了有針對性的測試，測試結(jié)果表明了設(shè)計的可行性。