输配电线路跳闸保护装置的固态开关设计与优化

屈 田，葛 亮

（国家电网陕西省电力有限公司西咸新区供电公司，陕西 西安 712000）

0 引 言

随着电力系统的快速发展和电力需求的增长，输配电线路的可靠性和安全性成为重要的关注点。在电力系统中，跳闸保护装置起着保护电力设备和线路的重要作用。然而，传统的跳闸保护装置存在着响应时间长、可靠性低等问题，无法满足日益严苛的电力系统运行要求。为了解决这些问题，固态开关技术作为一种新兴的技术手段被引入跳闸保护装置。固态开关具有快速响应、可靠性高以及体积小等优点，能够提高跳闸保护装置的性能和可靠性[1]。因此，研究固态开关的设计与优化对于提升输配电线路的跳闸保护水平具有重要意义。

1 设计原理与需求分析

1.1 固态开关的基本原理

固态开关是一种基于半导体器件的电子开关，其基本原理是通过控制半导体器件的导通与截止状态来实现电路的断开和闭合。常见的固态开关器件包括晶闸管、金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）以及绝缘栅双极晶体管（Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT）等。以晶闸管为例，它由4个层状的半导体材料组成，通过控制其控制端的电压来控制其导通与截止。当控制端施加正向电压时，晶闸管处于导通状态[2]。当控制端施加负向电压或断开电源时，晶闸管处于截止状态。通过控制晶闸管的导通和截止，可以实现电路的断开与闭合，从而实现跳闸保护装置的功能。

1.2 输配电线路的特性与保护要求

由于输配电线路具有一定的特性和保护要求，在设计固态开关跳闸保护装置时需要充分考虑这些因素。首先，输配电线路的电压等级和负荷特性对跳闸保护装置的设计有重要影响。不同电压等级的输配电线路对固态开关的额定电压和电流要求不同，需要选择适合的器件进行设计。此外，负荷特性的变化也会对跳闸保护装置的响应速度和灵敏度提出要求。其次，跳闸保护装置需要具备快速响应和可靠性的特点。由于输配电线路中可能存在电力故障和短路等异常情况，跳闸保护装置需要能够在最短的时间内检测到故障并迅速断开电路，以保护线路和设备的安全运行。同时，跳闸保护装置还需要具备可靠的性能，能够在各种环境条件下稳定工作，并且具备自动恢复功能[3]。最后，跳闸保护装置也需要考虑过电流、过电压以及短路等异常情况的保护需求。通过监测电流和电压的变化，跳闸保护装置能够及时判断是否存在过载、过电压或短路等故障，并采取相应的保护措施，如断开电路或降低负载。

2 固态开关设计与优化

2.1 开关器件选型与参数设计

针对中压输配电线路的跳闸保护装置，文章选择使用额定电压为1 200 V的IGBT作为开关器件，并进行参数设计。根据负荷特性和电路要求，可以确定IGBT的额定电流为50 A。此外，为了确保开关器件在跳闸保护装置中的正常工作，还考虑了IGBT的导通和截止特性。在参数设计方面，根据IGBT的数据手册和实际需求，确定了IGBT的导通和截止电压。本文设置的导通电压为1.2 V，截止电压为0.6 V，这样可以确保在正常工作条件下，IGBT能够稳定导通和截止，以实现快速、可靠的跳闸保护功能。通过选择合适的开关器件和进行参数设计，能够满足中压输配电线路的要求，并确保跳闸保护装置在正常工作范围内稳定可靠的工作。

2.2 控制策略优化

在固态开关跳闸保护装置的控制策略优化方面，可以采取以下措施。首先，采用电流保护策略。通过实时监测电路中的电流，当电流超过设定阈值时，跳闸保护装置将迅速响应并切断电路。为了提高准确性和稳定性，可以使用高精度的电流传感器，并通过数字信号处理算法对电流进行滤波和精确测量。其次，结合电压保护策略。除了电流监测，还可以实时监测电路的电压。当电压异常或超过设定阈值时，跳闸保护装置将立即采取行动，切断电路来保护设备和线路。该策略可以有效应对电压波动、过高或过低的情况。最后，引入过电流保护策略[4]。通过设定合适的过电流阈值，当电路中出现短路或过负荷情况时，跳闸保护装置将立即触发并切断电路。此策略可有效防止电路过载，保护设备免受损坏。为了提高控制策略的精确性和可靠性，可以使用先进的控制器和算法，如模糊逻辑控制、神经网络控制或模型预测控制。这些算法可以根据实时监测数据和预设规则，快速做出决策并触发跳闸保护装置的动作。通过以上优化控制策略的方案，能够提高跳闸保护装置的性能和响应速度，确保其在电路故障或异常情况下能够可靠地断开电路，保护线路和设备的安全运行。

2.3 热管理与散热设计

为了有效管理热量并确保固态开关跳闸保护装置在高温环境下可靠运行，文章提出以下具体的热管理与散热设计方案。首先，选择具有良好散热性能和导热性能的散热器，并合理设计其尺寸和布局。同时，优化开关器件的布局以降低工作温度，并设计风道以提高散热效率。其次，选择适当尺寸和材料的散热风扇，并通过温度传感器实时监测开关器件温度，调节风扇转速以保持在安全温度范围内工作。采用高导热性的热界面材料确保良好的热接触，减小热阻，提高热量传导效率。最后，通过环境温度传感器监测周围温度，并相应调整散热设计和控制策略，如增加散热器数量等[5]。这些方案将有效控制开关器件的工作温度，提高可靠性和稳定性，确保固态开关跳闸保护装置在高温环境下正常运行。

3 实验与数据分析

3.1 实验平台介绍

为了进行固态开关跳闸保护装置的设计与优化实验，文章建立了一个小型的电力输配电线路模拟实验装置作为实验平台。该装置包括电源、负载、跳闸保护装置和监测设备等组成部分。作为实验对象，本实验采用经过设计与优化的固态开关跳闸保护装置。该装置包括固态开关器件、控制器、传感器等关键组件。为了实时监测开关器件的状态，在实验中使用温度传感器、电流传感器和电压传感器等监测设备。这些设备能够提供准确的温度、电流和电压等参数数据，以便进行性能测试与数据分析。通过这个实验平台，能够全面评估固态开关跳闸保护装置的性能，并对其设计进行优化。

3.2 装置性能测试

在实验过程中，文章对固态开关跳闸保护装置进行多方面的性能测试。首先，进行过电流保护测试。通过模拟电力输配电线路中的过电流故障情况，测试装置对过电流的快速响应和准确跳闸保护的能力。这样可以验证装置在故障情况下的保护性能和可靠性。其次，进行温度管理测试。在高负载条件下，监测开关器件的温度变化，并评估所采用的热管理与散热设计方案的效果。通过监测和分析开关器件的温度变化，可以判断装置在长时间运行时的热稳定性和温度控制能力。最后，进行控制策略测试。在测试中采取了多种不同的控制策略，如电流保护、电压保护以及过电流保护策略，并评估这些策略对跳闸保护装置性能的影响。通过比较不同策略下的装置性能，可以确定最优的控制策略，以提供最佳的保护效果和性能表现。

3.3 数据分析与结果对比

通过实验得到过电流保护测试数据如表1所示。

表1 过电流保护测试数据

根据数据分析，可以发现该装置在不同过电流故障情况下均能快速触发跳闸保护，且响应时间与过电流大小呈负相关关系。实验中的温度管理测试数据如表2所示。

表2 温度管理测试数据

根据数据分析，可以发现所采用的热管理与散热设计方案能有效控制开关器件的温度上升，并保持在可接受的范围内。实验中的控制策略测试数据如表3所示。

表3 控制策略测试数据

根据数据分析，可以发现过电流保护策略在触发次数方面表现最好，但误触发率较高，电压保护策略在触发次数和误触发率方面表现较好。

4 结 论

本研究基于固态开关技术设计与优化了输配电线路的跳闸保护装置。研究结果表明，经过设计与优化的固态开关跳闸保护装置具有快速触发、准确保护的特点，能够满足输配电线路的保护需求。本研究对于固态开关跳闸保护装置的设计与优化提供了实用的指导，并为进一步推动输配电线路保护技术的发展提供了有益的探索和参考。相信在未来的研究中，固态开关技术将得到更广泛的应用，并在电力系统的安全运行中发挥更重要的作用。