集成电路可靠性设计十篇

集成电路可靠性设计篇1

[关键词] 电路系统 可靠性 降额设计

[Abstract] With the rapid development of science and technology, the requirements of product reliability is Proposed higher and higher. The circuit system is the most important component of electrical products, its reliability design is important. For circuit system, the measures of reliability design are described, with simplified circuit design, component derating using, PCB board design , software design.

[Key words] Circuit system Reliability Design of Reducing Rating

0.引言

随着科学技术的迅速发展，对产品的可靠性提出越来越高的要求。所谓可靠性是指“产品在规定的条件下和给定的时间内，完成规定功能的能力”。[1]它不但直接反映系统各组成部件的质量，而且还影响到整个系统质量性能的优劣。电路系统是电器产品的最重要组成部分，容易受到热、湿度、振动、电磁波等干扰的影响，其自身的组成元件也存在老化、失效等问题，进而影响到产品的正常运行。因此，电路系统的可靠性设计尤为重要。如何来提高电路系统的可靠性，本文通过简化电路设计，元器件降额使用，PCB板设计的可靠性措施、软件可靠性措施等方面来阐述。

1.简化电路设计

在保证系统性能要求的前提下，尽可能使系统结构简单化，具体的措施有：

①尽量用软件代替硬件功能，尽可能减少系统元件的数量及其相互间的联接。例如采用集成了A/D，PWM，Flash和SRAM等必要功能的MCU芯片；

②尽量采用简单电路代替复杂电路，用集成电路代替分立元件电路；

③尽可能采用经过考验的可靠性有保证的元器件以及功能电路；

④尽可能采用模块化设计，其中包括硬件模块化设计和软件的模块化设计。

2.元器件降额使用

降额设计，主要是指构成仪器的元器件工作时所承受的工作应力(电应力和温度应力)适当低于元器件规定的额定值，以达到延缓其参数退化，增加工作寿命、降低基本故障率，提高使用可靠性的目的。

通常元器件有一个最佳降额范围。在此范围内，元器件工作应力的降低对其失效率的下降有显著的改善，电路的设计易于实现，且不必在设备的重量、体积、成本方面付出大的代价。但过度的降额会使元器件的正常特性发生变化，甚至有可能找不到满足设备或电路功能要求的元器件；过度的降额还可能引入元器件新的失效机理，或导致元器件数量不必要的增加，结果反而会使设备的可靠性下降。根据产品的不同用途及其重要性，一般降额设计分为三个等级。

a.Ⅰ级降额

Ⅰ级降额是最大的降额，对元器件使用可靠性的改善最大。超过它的更大降额，通常对元器件可靠性的提高有限，且可能使设备设计难以实现。适用于下述情况：设备的失效将导致人员伤亡或装备与保障设施的严重破坏；无法或不宜维修；系统对设备的尺寸、重量有苛刻的限制。

b.Ⅱ级降额

Ⅱ级降额是中等降额，对元器件使用可靠性有明显改善。Ⅱ级降额在设计上较Ⅰ级降额易于实现。用于下述情况：设备的失效将可能引起装备与保障设备的损坏；有高可靠性要求，且采用了某些专门的设计；需支付较高的维修费用。

c.Ⅲ级降额

Ⅲ级降额是最小的降额，对元器件使用可靠性改善的相对效益最大，但可靠性改善的绝对效果不如Ⅰ级和Ⅱ级降额，在设计上最易实现。适用于下述情况：设备的失效不会造成人员和设施的伤亡和破坏；设备采用成熟的标准设计；故障设备可迅速、经济地加以修复；对设备的尺寸、重量无大的限制。[2]

对于失效率高、重要元器件一定要进行降额设计。下面列举集成电路、晶体管、二极管的降额设计。

2.1集成电路

集成电路芯片的电路单元很小，在导体断面上的电流密度很大，因此在有源结点上可能有很高的温度。高结温是对集成电路破坏性最大的应力。集成电路降额的主要目的在于降低高温集中部分的温度，降低由于器件的缺陷而可能诱发失效的工作应力，延长器件的工作寿命。

中、小规模集成电路降额的主要参数是电压、电流或功率，以及结温。大规模集成电路主要是降低结温。降低结温可采取以下措施：

a.器件应在尽可能小的实用功率下工作；

b.采用去耦电路，减少瞬态电流冲击应；

c.器件的实际工作频率应低于器件的额定频率，原因是当工作频率接近器件的额定频率时，功耗将会迅速增加；

d.应实施最有效的热传递，保证与封装底座间的低热阻，避免选用高热阻底座的器件。

2.2晶体管

高温是对晶体管破坏性最强的应力，因此晶体管的功耗和结温须进行降额；电压击穿是导致晶体管失效的另一主要因素，所以其电压须降额。功率晶体管有二次击穿的现象，因此要对它的安全工作区进行降额。其降额准则如表1所示。

2.3 二极管

二极管的降额要求类似于晶体管，其功率（或电流）、结温及反向电压必须进行降额。

二极管允许的总耗散功率(或电流)与环境温度(或壳温的)的关系可用“功率（或电流）-温度负荷曲线”表示，图1为整流二极管电流--温度负荷曲线。小电流或小功率二极管最大额定电流或功率对应的环境温度范围通常在-55°C～+25°C之间，当超过了温度上限后，其允许的电流或功率将线性下降，直至下降到0，此时的环境温度（或壳温）对应于二极管的最高结温。曲线斜线部分的斜率约等于热阻的倒数，它与器件的物理常数有关。

图1 整流二极管电流--温度负荷曲线

降额设计是可靠性设计的重要措施之一，但在降额设计中应注意到降额幅值越大将带来仪器的体积、重量和成本的增加，在有些应用情况下将受到限制。

3.PCB板设计的可靠性措施

在PCB板上除了尽量减少元件器的便用量及元件的降额使用，还可以通过以下措施来提高系统的可靠性：

①在PCB板上，弱信号的走线尽可能短而宽，且两边用较粗的地线（不小于3mm）进行屏蔽保护，以防止其他电路的漏电流及电磁干扰进入信号电路。

②为了保证信号的无失真放大，信号线应尽可能宽，并尽量减少过孔。为此，在双面PCB板中，顶层（元件面）基本上均排布信号线和电源线，而底层（焊接面）应尽可能增大接地面积，地线面积应占整体印制板面积的40%，这也是一种屏蔽手段，同时从插件输入的地线出发，形成一个地线回路，在三层印制板中则增加了一个中间层次（电源层），所有的5V和12V的电源线均排布在该层，元件面与焊接面则于双面PCB板相似。

③运算放大器的输入端与输出端应尽可能远离，否则会在两端之间产生杂散电容，会使输出信号返回到输入端而产生自激振荡。

④PCB板中条状线不要长距离平行，否则会在两线之间形成电感耦合及寄生电容耦合。

⑤微弱信号经过的过渡孔、信号放大电路的正负输入端都在元件面走线，在焊接面用地线包围，过孔必须两面焊接，提高焊点的可靠性。

⑥每个集成电路芯片的正负电源端都有0.1μF的电容并联接地去耦，且此电容排布在尽可能接近芯片的电源端，这样可以消除芯片周围分布电容的影响。

⑦PCB板上有多种电源，每个电压源均要在入口处设置去耦电路，防止互相干扰。常用RC滤波电路，如图2所示，其中C1滤除高频干扰，电容值在PF级，C2滤除低频干扰，电容值在μF级。

图2 RC滤波电路

⑧在PCB板的装配工艺上，不用集成电路管座，集成电路直接焊在PCB板上，这样可以抗冲击与振动，同时避免了管座与集成电路之间产生的分布电容的影响。

4.软件可靠性措施

提高电路系统可靠性还可以通过一些软件的措施来实现。通常采用的软件措施有：数字滤波技术、冗余技术、看门狗（Watchdog）技术等。

4.1数字滤波

数字滤波是通过一定的计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，即提高信噪比，它实际上是一个滤波程序。与传统的模拟滤波器相比，它具有灵活、方便、功能强、可靠性高、稳定性好的优点。在一定程度上，可以完全取代模拟滤波器。

4.2冗余技术

冗余技术包括指令冗余和数据冗余。指令冗余是在双字节指令和三字节指令之后插入两条空操作指令NOP，可保护其后的指令不被拆散；或者在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条NOP指令，该指令就不会被前面执行下来的失控程序拆散，并将被完整执行，从而使程序走上正轨。数据冗余是将原始数据（包括状态标志、工作变量、计算结果等）以数据块的形式同时存放在RAM的不同区域，当原始数据被破坏时，可启用备份数据。备份数据的存放地址要与原始数据的地址有一定的距离，以免被同时破坏。

4.3 看门狗技术

看门狗(Watchdog)内置有定时器，每个程序运行周期都得对它重置初值，一旦程序跑飞，进入死循环，定时器溢出将MCU复位，从而退出不正常的运行状态。但是这样做必须注意系统的可重入性，对于与历史状态相关的系统，可以结合数据的冗余技术，启用备份数据来保证为保证其重入性能。

4.4 软件陷阱

为了防止程序跑飞到ROM的盲区，还可以设置软件陷阱。软件陷阱是用一条引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。如果把这段程序的入口标号为ERR，则软件陷阱就是一条“LJMP ERR”指令。为加强其捕获效果，一般还在它前面加多条NOP指令：

5.结束语

在一个具体的系统设计中，为提高系统的稳定性和可靠性，往往要综合采用多种措施来达到满意的效果，这是全面提高系统可靠性的必由之路。系统不同，其具体的控制对象就可能不同，运行环境也会千差万别，因而其面临的主要干扰问题就不同，采取的措施也就不同；但仅采取某项措施就希望全面提高系统的可靠性常常是不现实的，而要针对主要问题综合采取相应措施提高可靠性。

参考文献：

[1]王锡吉.电子设备可靠性工程[M].西安：陕西科学技术出版社，2005.

[2] GJB／Z 35-93《元器件降额准则》.

集成电路可靠性设计篇2

【关键词】 分布式电源 配电网可靠性评估 最小割集算法

1 引言

本文采用改进的最小割集算法对含分布式电源的配电网进行可靠性评估。然后将分布式电源接入传统典型配电网，计算了分布式电源接入前后可靠性的各项指标，验证了分布式电源在改善电网可靠性方面的作用，同时分析了不同数量、不同种类的分布式电源对配电网可靠性的影响。

2 最小割集算法

最小割集法将计算限定在最小的范围之内，这样能够降低计算工作量。由于每个割集中的元件都是相互关联的，运用最小割集法时，首先要对最小割集进行确定，搜索出负荷点到电源点的供电路径。对于满足并联关系的割集内部元件，计算出并联系统的可靠性指标，公式如下：

（1）

（2）

（3）

式中：

为并联系统的年平均停电时间;

为元件Ei的年平均停电时间;

为并联系统的平均停运持续时间;

为并联系统的故障率;

为元件的平均停电持续时间。

3 基于改进最小割集法的配电网可靠性评估

本章假设在负荷总量不超过发电总量时线路的潮流不会出现过载，即认为孤岛能够形成。由于负荷也是随时间变化，考虑到计算的精度和快速性，可以用文献[4]介绍的方法，将负荷分为10个等级水平，并计算出各个负荷水平出现的概率。由于DG发电量的不确定性和负荷的随机变化性，使得在发生故障后孤岛不能总是形成，孤岛的形成具有一定的概率性。

当发生上行故障时，孤岛形成的概率用公式表示为

（4）

式中

为孤岛形成的概率;

为DG的发电量不小于某一负荷水平的累积概率;

为负荷在某一水平的概率;

为DG的故障率。

因此，由全概率公式可以得到，孤岛内负荷点LP的可靠性指标计算公式为：

（5）

（6）

10

式中

为孤岛范围内的负荷点的故障率;

为孤岛范围内的负荷点每次故障平均停电持续时间;

为孤岛范围内的负荷点年平均停电时间;

为配电网不带DG时负荷点的故障率;

为配电网不带DG时负荷点的年平均停运时间;

为配电网带DG且孤岛能够形成时岛内负荷点的故障率;

为配电网带DG且孤岛能够形成时岛内负荷点的年平均停运时间。

对于孤岛外的负荷点，由于没有DG继续为其供电，因此可以按照传统配电网最小割集评估方法进行计算。

4 算例分析

4.1 算例

以IEEE-RBTSBus6系统主馈线F4为基础，在分支线19和25处加入2处DG。当上游供电路径发生故障时，通过断路器操作，形成孤岛1和孤岛2继续给岛内负荷供电，如图1所示。图中LPi表示第i个负荷点。

该系统有23个负荷点、1个隔离开关、23台配电变压器、4台断路器、23个熔断器（装设在负荷线路首端）。隔离开关操作时间为20分钟。

4.2 采用最小割集算法计算可靠性

运用本章提出的方法，对图1所示的配电网进行仿真计算，研究加入分布式电源前后对配电网供电可靠性指标的影响。

方案一：不考虑分布式电源的作用，计算出的负荷点可靠性指标，如表1所示。

方案二：设两处DG均采用微型燃气轮机，其故障率为4%，分别计算了1台、2台和3台微型燃气轮机后的可靠性指标（如表2所示）。

方案三：设两处DG均采用风力发电机组WTG，表3列出了这种方案下分别计算了加入1台、2台和3台WTG后的的负荷点可靠性指标计算结果。

从三种方案的可靠性指标计算结果可以看出：

（1）有DG和无DG的方案相比，DG的接入只对孤岛内的负荷点可靠性有影响，能使孤岛内的负荷点的故障率和年平均停运时间减小，并且显著提高系统可靠性。

（2）随着接入DG数量的增多，孤岛形成概率增大，负荷点的故障率和年平均停运时间降低，负荷点的供电可靠性提高。

（3）随着接入DG数量的增多，其对系统可靠性指标的改善程度逐渐变小，因此可以综合考虑经济成本、环境等各方面的因素，以决定DG的投运数量。

（4）程序的运行结果表明，该方法计算简单快速，但是欠缺灵活性，不能解决各种状态下的可靠性指标计算问题，例如若孤岛采用按等级切负荷措施以保证孤岛继续运行时，这种运行状态下的可靠性指标就无法计算了。

参考文献：

[1]黄伟，孙昶辉，吴子平，等.含分布式发电系统的微网技术研究综述[J].电网技术，2009.33（9）：14～18.

[2]张勇，吴淳.分布式发电在配电网中的优化配置[J].电力系统保护与控制，2010，38（11）：33～37.

集成电路可靠性设计篇3

关键词：真空断路器 机构 可靠性

0 引言

近年来整个真空断路器行业一直向着小型化发展，在操动机构方面来说经历了从独立整体式机构到与断路器一体化设计，再到今天的集成化设计的发展过程。在主回路和绝缘结构方面，也由空气绝缘到复合绝缘再到现在流行的固体绝缘的设计。目前断路器市场的竞争其实就是品牌与可靠性的竞争。如何在结构设计上提高可靠性就是中压真空断路器设计的主要目标。以下就从断路器的机构及绝缘性能两方面对该型真空断路器的特点及可靠性进行分析。

1、断路器机构特点分析

A.整台机构集成化设计，设计理念先进。

要实现操动机构的高可靠性要求，首先就要求结构紧凑，零部件数量尽可能少，便于装调、维修。操动机构正是符合这样的要求，整个机构设计简洁，各各传动环节不受断路器架体影响，各各功能单元全部集中在储能弹簧的中间位置，易损电器零件全部外露，更换非常方便。

B.储能传动系统

传动系统采用滚柱式超越离合器，而且零件数量大为减小、装配精度提高，由于采用此结构后整个离合过程与断路器架体误差无关，排除断路器架体对储能可靠性的影响。所以该结构的可靠性远远高于目前市场上普通机构的棘轮式离合器。主要工作原理如图所示，电动机工作后通过齿轮传动带动主动轮顺进针转动，主动轮的内壁带动滚柱及离合拐臂顺时针转动，当滚柱进入主动轮与被动轴形成的楔形腔中，这时主动轮与被动轴锁在一起，被动轴及离合拐臂开始跟着主动轮一起转动，机构开始储能，储能弹簧在被动轴拐臂的带动下被拉长，当完成储能后离合拐臂被限位停止转动，之后主动轮、滚柱继续转动时，由于离合拐臂被限位滚柱被推回到楔形另一端，主动轮与被动轮到此分离，实现主动轮与被动轮离合。之后电动机在电气行程开关的作用下失去电源，主动轮也停止转动，储能过程结束。断路器合闸后，离合拐臂不再限位，储能过程便可再次进行。

C.分、合闸系统功能集成为一体

以往产品分闸部分与合闸部分各自设置独立功能单元，分别安装在机构箱的两侧，而该型机构集成分闸部分与合闸部分为一个整体，避免了主轴磨损、架体焊接误差对机构分、合闸可靠性的影响，整体性能均大为提高。

合闸原理如下：

合闸前处于分闸已储能状态，合闸时凸轮顺时针转动，带动滚轮及主拐臂逆时针转动，合闸结束时合闸保持拐臂顺时针转动，半轴顺时针转动，主拐臂被保持在合闸状态，机构进入合闸未储能状态。

分闸原理如下：

分闸前处于合闸未储能或合闸已储能状态，半轴逆时针转动，导致合闸保持拐臂逆时针转动，主拐臂顺时针转动，整个机构在油缓冲器的限位后，处于分闸未储能或分闸已储能的分闸状态。

2、绝缘特点分析

该型断路器绝缘导电部分采用目前最先进的固体灌封技术，运用该技术后，绝缘结构模块化，真空灭弧室及上、下出线端等载流导电元件全部密封成一个整体，相当于电子电路中的集成块，将空气绝缘变为固体绝缘，这样外界环境温度、海拔、灰尘等变化对导电元件的影响减到最少，可拆卸零件比传统形式减少一半，绝缘强度却远远高于空气绝缘强度，绝缘可靠性得到大大提升，真正实现了断路器免维护的要求。

集成电路可靠性设计篇4

关键词：电力系统；配网自动化；配网规划

中图分类号：TM7 文献标识码：A

1 配网自动化的意义和内容

配网自动化就是利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术，将配网实时信息、离线信息、用户信息、电网结构参数、地理信息进行集成，构成完整的自动化管理系统，实现配网系统正常运行及事故情况下的监测、保护、控制和配电管理，集配电自动化与配电生产管理为一体的系统。配网自动化的功能应包括配电网络的数据采集与控制(SCADA)，馈线自动化(FA，即故障定位、隔离、非故障区段的供电恢复)、负荷管理、地理信息系统(AM／FM／GIS)、配电应用分析(PAS)等。配网自动化能够实现配网线路故障的快速排除，缩短配电线路故障停电时间，为配网运行提供现代化的管理手段，提高配网运行管理水平和工作效率，提高配网供电可靠性，提升用户满意度和客户服务水平，实现配网的自动化，是配网发展的必然趋势。

2　电力系统配网自动化的技术分析

2.1　配网自动化的技术原则

2.1.1　可靠性原则

实施配网自动化的首要目标是提高配网的供电可靠性，因此配电网络必须具有可靠的电源点(双电源进线，备自投、变电所自动化)、具有可靠的配网网架(规划、布局、线路)、具有可靠的设备(一次智能化开关，二次户外FTU、TTU)、具有可靠的通信系统(通信介质、设备)、具有可靠的主站系统(计算机硬件、软件、网络)。

2.1.2　分散性原则

由于配网的地域分布性特点，建立配网自动化系统希望功能分散、危险分散，采用具有智能的一次设备(如重合器)，故障可就地解决。对于县级规模的配电网，复杂性并不高，提高可靠性供电，通常双电源即能满足实际要求。为进一步提高整体系统的安全可靠性，主站软件功能分散，以SCADA为主体的实时监控功能独立运行，以GIS(地理信息系统)为主体的在线管理功能独立运行，电网分析计算功能独立运行，各功能间内核(数据库、微内核调度等)一体化设计，保证信息的可靠、高效、优质共享。

2.2　配电自动化的合理规划

配网自动化的基本原理是将环网结构开环运行的配网线路通过分段开关把供电线路分割成各个供电区域。当某区域发生故障时，及时将分割该区域的开关跳开，隔离故障区域，随后将因线路发生故障而失电的非故障区域迅速恢复供电，从而避免了因线路出现故障而导致整条线路连续失电，减少了停电范围，提高了供电可靠性。因此，配电自动化对配网规划提出了以下要求：

2.2.1　供电线路要连接成环网，且至少具备双电源，对供电密集区甚至要考虑构成多电源供电系统。

2.2.2　线路干线须进行分段。避免线路某处出现故障导致整条线路都连续失电，即通过分段开关的倒闸，将非故障区域负荷转移。分段原则是：根据具体情况，或按负荷相等，或按线长相等，或按用户数量均等原则。应考虑投资效益，一般线长在3km以内的宜分3段，线路更长时分段不超过5段。

2.2.3　若分段开关使用负荷开关，不使用断路器，可节省部分一次设备的投资。线路发生故障后，分段开关的作用是隔离故障区域，而不是切除故障电流。当故障发生后，变电站内10kV出口断路器分开，切除故障电流，此后，划分故障区域的分段开关才跳开隔离故障，此时故障电流已经切除。

2.2.4　分段开关可使用断路器。目前我国开关生产厂家已经生产出分合负荷电流、过载电流及短路电流的10kV户外真空断路器。这种设备与计算机的遥控技术和数据传输终端设备连接后能够实现遥控操作、数据信息通讯等功能。

2.3　配电设备的选择

要做到利用计算机网络和通信技术，实现对配网正常运行的控制、检测和故障时的快速处理(故障检测、故障定位、隔离和非故障区的恢复供电)以及配网的生产管理、设备管理的自动化，正确的设备选型是关键。在配电自动化系统中，配电设备应包括一次设备——配电开关，二次设备——馈线远方终端(FTU)、配变终端单元(TTU)等，以及为一、二次设备提供操作电源和工作电源的电源设备。

实施配电自动化，必须以重合器、分段器、负荷开关等具有机电一体化特性的自动配电开关设备为基础，在架空线路上作为分段和隔离故障用的开关应该具有免维护、操作可靠、体积小和安装方便的特点，并且能适应户外严酷的环境条件。馈线远方终端(FTU)用于采集开关的运行数据、控制开关的分合，为了达到“四遥”功能，必须具有通信功能。配变终端单元(TTU)用于采集配电变压器低压侧的运行数据，控制低压电容器投切用于无功补偿，通信的实时性要求低于FTU。需要特别注意的是，配电设备都在户外布置，其工况条件恶劣，必须达到特定的运行环境要求，否则实施配电自动化不但无法提高供电可靠性，还会降低供电可靠性。

2.4　通信系统建设

通信系统是电力系统与配网终端设备联接的纽带，电力系统与终端设备间的信息交互都是通过通信系统完成，因此必须有稳定可靠的通信系统，才能实现配电自动化的功能。通信方式有：光纤通信、电力线载波、有线电缆、无线扩频、借助公众通信网等多种。配网自动化的通信具有终端设备多，单台设备的数据量小，实时性要求不同的特点，因此应因地制宜，根据当地环境和经济条件确定合理的通信系统，同时要考虑调度自动化通信系统的建设。

集成电路可靠性设计篇5

【关键词】配网自动化；供电可靠性；实施

随着经济建设和社会生产的发展，人们对供电可靠性提出了更高的要求，电网最终要达到99.99%及以上的供电可靠性。而我国配网自动化发展还处于起步阶段，用户抱怨停电时间长的情况时有发生，供电部门也感到配网故障查找费时费力，所以实施配网自动化就显得特别重要。

1.配网自动化

1.1配网自动化的发展现状和趋势

配网自动化技术是一项现代高端科技的综合应用，是利用现代电子、计算机、通信及网络技术，将配电网在线、离线、用户、电网结构参数、地理图形进行信息集成，构成完整的自动化系统，实现配电网及其设备正常运行及事故状态下的监测、保护、控制和配电管理的现代化。

实施配网自动化的目的就是改进和完善配网结构，优化网络接线，提高供电能力和供电可靠性；实施配网自动化可以提高设备可靠性，减少故障，确保供电质量；可以实现系统故障诊断，提高对故障的查询效性，节约劳动力，提高劳动效性；可以合理地优化和调整负荷，实现对电网的经济运行管理，同时配网自动化借助计算机技术等，使得管理更规范。

发展配网自动化是电力市场和经济建设的必然要求。近几年来，国家为了进一步促进经济的发展，加大了对电力工业建设的投入，这对配网自动化的发展是一个巨大的机遇，我国配网已基本形成，但仍有很多亟待解决的问题。目前人们对停电的承受心理越来越低。针对我国配网的现状，相应的解决方法就是实施配网自动化。

2.配网自动化的要求

配网自动化系统是一个设备多，分工明确，配合紧密的复杂网络。随着自动化程度的提高，运行经验的不断积累，要求配网自动化系统具备以下特点：

可靠性高。可靠性包括通信网络的可靠、配电设备的可靠和采集得到的数据可靠。只有一个可靠的系统才能保证故障得到快速的定位和隔离。

安全性高。安全性包括设备的安全性和数据的安全性。配网上采用的是总线结构的通讯，当某个点的设备故障时，备用通道必须迅速切换。

实时性高。有些数据的实时性要求高（如开关变位，故障电流等），必须要在第一时间内送到控制中心。

操作性好。操作方法简单实用，避免对安全运行带来影响，避免停电。

经济性好。配网自动化系统面广量大，单个设备价格的提高必然使整个工程的造价大幅提升。因此配网改造时需要选择性价比好的产品。对配网中出现问题的解决也正是对照上述要求来进行的。

3.配电网的合理规划

配网自动化的基本原理是将环网结构开环运行的配电网线路经过分段开关把供电线路分割成各个供电区域。当某区域发生故障时，准确及时将分割该区域的开关跳开，隔离故障区域，之后将因线路发生故障而失电的非故障区域迅速恢复供电，从而使得防止了因线路出现故障而使得整条线路持续失电，很大程度上减少了停电范围，提升了供电可靠性。所以，配电自动化对配电网规划提出了以下几点基本要求：

3.1供电线路要连接成环网，且至少具备双电源，对供电密集区特别要考虑构成多电源供电系统。

3.2线路干线须进行分段。防止线路某处出现故障使得整条线路都持续失电，即经过分段开关的倒闸，将非故障区域负荷转出。分段原则是：依照详细状况，或按负荷相等，或按线长相等，或按用户数量均等原则。应考虑投资效果与利益，一般线长在3km以内的宜分3段，线路更长时分段不超过5段。

3.3若分段开关应用负荷开关而不应用断路器，可节约相当一部分一次设备的投资。线路发生故障后，分段开关的作用是隔离故障区域，而不是切除故障电流。当故障发生后，变电站内10kV出口断路器分开，切除故障电流，此后，划分故障区域的分段开关才跳开隔离故障，此时故障电流已经切除。

3.4分段开关可应用断路器。现在我国开关生产厂家已经生产出分合负荷电流、过载电流及短路电流的10kV户外真空断路器。这种设备与统计机的遥控技术和数据传输终端设备连接后可以实现遥控操纵、数据信息通讯等功能。

4.配电网自动化模式方案

4.1变电站主断路器与馈线断路器配合方案

由变电站出线保护开关和馈线开关相配合，并由两个电源形成环网供电方案。也就是说优化配网结构，推行配电网“手拉手”，变电站出线保护开关具有多次重合功能，重合命令由微机控制，线路开关具有自动操作和遥控操作功能，通信及开关具有自动操作和遥控操作功能，通信及远动装置，事故信息、监控系统由微机一次完成。设备与线路故障由主站系统判断，确认故障范围后，发令使故障段开关断开。

4.2自动重合器方案

此方案是将两电源连接的环网分成有限段数，每段线路由相邻的两侧重合器作保护。故障时，由上一级重合器开断故障，尽可能避免由变电站断路器行分合。当任一段故障时，应使故障段两端重合器分断，对故障进行隔离，线路分支线故障由重合器与分断器动作次数相配合来切除。

4.3自动重合分段器方案

每段事故由自动重合分段器根据关合故障时间来判断。此方案在时间设置上，应保证变电站内断路器跳开后，线路断路器再延时断开。然后站内断路器进行重合，保证从电源侧向负荷侧送电，当再次合上故障点时，站内断路器再次跳开，同时故障点两侧线路断路器将故障段锁定断开，确保再次送电成功。

4.4馈线自动化模式

4.5就地控制模式，即利用重合器加分断器的方式实现。

4.6计算机集中监控模式，即设立控制中心，馈线上各个自动终端采集的信息通过一定的通信通道远传回主站。在有故障的情况下，由主站根据采集的故障信息进行分析判断，切除故障段并实施恢复供电的方案。

4.7就地与远方监控混合模式，采用断路器（重合器），智能型负荷开关，并且各自动化开关具有远方通信能力。这种方案可以及时、准确地切除故障，恢复非故障段供电，同时还可以接受远方监控，配电网高度可以积极参与网络优化调整和非正常方式下的集中控制。

5.配网自动化和供电可靠性的关系

5.1影响供电可靠性的原因

供电可靠性是指：在统计期间内，对用户有效供电总时数与统计时数的比值。供电可靠性是电力系统用户供电可靠性的指标，可以直接反映电力系统的供电能力，也可以反映电力工业对国民经济电力需求的满足能力，供电可靠性既是电网经营企业的服务体现，也是供用电双方关注的焦点。

影响供电可靠性的停电主要包括计划停电和故障停电。计划停电主要包括供电部门的定期维修检查和电网改、扩建工作和电气设备消缺检修。故障停电是由于设备老化、环境等造成的线路故障导致的停电，引起故障停电的主要原因有以下几点：（1）配网设备种类多，运行年久失修，施工质量不过关等设备原因造成的停电，如电缆中间头、环网柜故障；（2）外力破坏和自然因素影响造成的停电，如施工挖坏电缆，树木触碰导线，小动物引起设备短路等；（3）用户设备维护人员技术水平低，管理不到位等造成的停电，如用户误操作。

依靠配网建设和综合停电管理手段，可以减少计划停电时间，但要减少故障停电时间，必须依靠先进的故障查找手段，即配网自动化。

5.2配网自动化和供电可靠性的关系

实施配网自动化是研究提高供电可靠性的重点技术手段。实施配网自动化可以实现故障的快速定位、故障隔离和非故障区域的恢复供电，大大减少配电网的故障停电时间。以某供电局为例，2011年供电可靠率为99.9448%，其中故障停电平均持续时间为4.24小时，如实施配网自动化，故障停电平均持续时间可以减少2.1小时，这样供电可靠性可提高到99.9558%，大大提高供电可靠性。

配网自动化结合了现代电子、通信、计算机及网络技术，对电网中的各个部分的数据进行集成，对配电系统正常和事故状况下进行监控、保护和管理。城市和乡村处在不断的发展中，市政、道路、楼房等不断新建或改建，配电网容易发生突发性事故，如果只要人工传统的技术，已不能应对这种局面了，采用配网自动化可以通过对获得的大量数据进行分析，采取高效的操作处理配网线路的故障，减少处理故障的时间，从而提高供电的可靠性；同时实施配网自动化可以实现对复杂配电网络、配电设备、供电方式、用户供电状况进行实时掌握，对配电网的生产进行有效合理的调度管理，提高配网管理水平。

集成电路可靠性设计篇6

关键词 数据采集远程控制代维服务

中图分类号：C64文献标识码： A

随着社会科技化水平的快速发展和提高，对电力的需求越来越大，计算机技术、网络技术、控制技术、通讯技术、显示技术在配电系统中得到了广泛应用，电网智能化趋势不断加速。智能电网研究和建设的不断开展，对配电系统的数字化、自动化、智能化的要求必然会不断提高，对电流、电压等数据采集以及对配电系统的控制、保护等必须通过网络化来实现。本文介绍的数据采集系统，适用于35KV、10KV及以下的智能配电系统，能够实时掌握系统的运行状态，获得系统的各项运行数据，通过配电远程监控平台对配电系统进行远程、集中监控，配电室可实现“无人值守”，由专业的维护人员来实行“代维”管理。该系统的应用，有力的提高了配电网络的信息化和智能化管理水平。

一、系统简介

智能数据采集系统是以配电代维服务为宗旨建立的集数据采集、传输、保护、控制、报警等功能为一体的智能化系统，它对电流互感器、电压互感器和断路器通过采集器输出的数字量进行合并和处理，并转换成以太网数据，再通过光纤输出到过程层网络或相关的智能电子设备。还可以对温湿度、烟感、变压器、火灾探测器等状态进行监控，实现模块化设计，可根据需求选配相关模块。服务控制中心完成数据的接受、存储、分析、告警等功能，并能够发送远程控制指令，使用电设备按照最佳工况运行，可保障配电室即便是在无人监控的状态下也能够处于安全状态中，对于故障、检修等问题、由专业的技术人员提供维修服务。适用于中低压变电站、工厂、楼宇、小区配电、配电系统的监控和管理。不但可以在新建的配电系统使用，也可以在旧的用电系统中加装，以实现对系统的代维和监控，提高服务质量。

二、系统组成

智能数据采集系统采用模块化结构，每个功能单元为一个模块，包括电流采集模块、电压采集模块、断路器采集模块、通讯模块、中央控制器、及其他功能模块，可根据实际情况选配。

1、电流采集模块

电流采集模块是智能数据采集系统的终端采集单元之一，其主要作用是实时采集电流信号，并将信号通过光纤传送至中央处理器。测量三相电流，并通过光纤通讯上传至中央处理器模块。模块具有一路光纤通讯接口，与中央处理器模块连接。模块有两组电流互感器，分别是测量互感器电流监测和保护互感器电流监测，每组互感器监测有三相输入，可以测量30 Hz~3 kHz频率范围内的电流有效值。具备动态性能，可以进行电能质量测量，保护、和扰动记录。

2、电压采集模块

电压采集模块实时测量三相电压有效值，并通过光纤通讯上传至中央处理器模块。模块具有一路光纤通讯接口，与中央处理器模块连接。模块可以通过不同接线方式，测量三相相电压、线电压或者三路单相电压。

3、断路器采集模块

断路器接口模块通过光纤接收中央处理器单元的指令操作并监控开关设备。断路器接口模块具有多路继电器输出，继电器采用半封闭模式，以常开方式输出信号。还具有多路数字输入，可以直接外接无源开关输入信号，分别控制继电器输出单元，切换手动自动控制，继电器测试。断路器接口模块对自身继电器具备自动状态监测的功能，当接触不良造成输出电阻过高或继电器触头不接触，以及触头烧结等故障时，自动将故障上报中央处理器。

4、通讯模块

通信模块通过光纤与中央处理器连接，并通过透明传输协议，将中央处理器单元发出的信号，直接接入网络，将数据信息上传至服务器，同时能够将服务器指令发送至中央处理器，实现远程控制和维护。

5、中央控制器

分散式模块化数据采集系统的计算设备之一，由一个可扩展的带闪存盘的单板计算机及数量可选择的光纤接口板构成。

中央处理器模块的主要作用是通过光纤连接终端采集单元，接收实时采集的电压和电流信号，并根据采集的信号，利用断路器接口单元实现基本的继电保护，同时将配电系统的状态发送至服务器。通过任意一网的计算机，通过登录网站即可查询配电系统的运行状态并实现远程控制，还可以使用手机客户端来实现对配电系统运行状态的监控。

三、功能特点

智能数据采集系统的主要功能有：电流、电压等电量测量；故障定位与事件分析；报警及事件处理；自我诊断及自我修复；就地及远程控制；状态监测；数据传输；保护功能及远程更新等。

1、模块化设计节约成本

智能数据采集系统采用模块化设计，可根据需要选配功能模块，便于安装和维修更换，降低了维护成本，同时增加了产品的可靠性。

2、提高配电代维服务的质量和效率

智能数据采集系统不仅可以作为独立的装置用于配电系统中，还可与配电代维服务相结合，提高配电室的安全性和可靠性。

四、系统应用

智能数据采集系统通过对用户配电网络和电气设备的不间断保护和监控，提高供电可靠性和供配电系统的自动化水平，来实现可靠、安全、先进、高效的供配电系统。系统在配电发生故障时，能在最快的时间内切除故障，保护一次设备，缩小停电范围；对于发生故障的部分，能协助运行人员分析故障原因，快速查找和排除故障，尽量缩短停电时间；对于有备用电源或者备用设备的场合，发生故障时还能在极短的时间内有选择性的自动使用备用电源或者设备，提高系统供电可靠性。

本系统用于电力服务行业，可以提升代维护的可靠性和效率。电力服务行业市场主体最重要一项工作是保障电力安全，减少和杜绝电力事故的发生，为经济发展保驾护航。本系统把计算机网络技术及现代通信技术应用于配电室代维业务中，通过对电力系统运行参数的实时监控、统计和管理、可实现即时管理人员不到现场也可全面了解整个配电系统的运行状况，并能够根据实际情况进行远程控制，实现配电室的“无人值守”。

集成电路可靠性设计篇7

[关键词]单片机系统 可靠性 设计

中图分类号：C931.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）44-0050-01

随着科学技术的不断进步，人们对于单片机系统的设计也更加关注，不断研究出新的技术，来提升单片机系统运行的可靠性。但是其可靠性与用户需求依然存在着一定的差距，亟需对其进行完善，提升可靠性。

一、软件方面可靠性设计措施

（一）正确设计软件

1.认真设计

对于单片机系统每部分的硬件地址，要清楚明确，对于汇编语言指令以及机器状态影响要了解和掌握，对于CPU内部的RAM功能要划分正确，仔细认真编写单片机系统软件。同时，在编写中，应用软件工程做法，保证程序的透明易懂，提升可维护性和可读性。

2.合理安排中断

按照系统的具体特点，对于工段优先级和中断功能进行合理的安排，保护和恢复中断现场，防止发生中断冲突。

3.模块化结构

按照系统功能，可以将软件划分为多个模块，保证变成具有清楚的思路，便于调试和阅读，不易出错。

（二）提升可靠性具体措施

1.设计合理的软件陷阱

在运行软件的过程中，有可能会出现失控的情况，例如，受到干扰，或者程序飞逸到非程序区。所以，在重要程序段、程序断裂点、非程序区以及向量区，可以埋设陷阱，从而及时捕捉飞逸程序。

2.指令冗余技术的应用

在不对实时性造成影响的情况下，反复执行同一指令，应用三选二方式实施判定，可以消除一些偶然的干扰，从而提升可靠性。

3.NOP指令的应用

在进行单片机的地面测井仪的研制时，在对编好程序进行仿真运行时能够通过，但是写入指令时却无法运行，这是就可以将发生问题的字节用NOP代替，从而正常运行。

4.软件消抖方式

在按键操作中经常会发生意外的抖动，为了有效消抖，在处理程序内，可以通过延时再判，保证人机对话运行的可靠性。

5.直接地址的应用

固定寄存器内的Ri寄存器，可以应用直接地址来提升可靠性，所以在设计软件时，应用直接地址，防止出现误传递。

6.数字滤波技术

在测量参数的时候，可以通过数字滤波技术来消除随机干扰。例如，针对核测井信号，通过加权平滑，可以消除高斯噪声。针对井温信号，可以采用程序判断滤波或者中值滤波，提高可信度。

二、硬件方面可靠性设计措施

（一）系统合理设计

各种器件应该保证速度匹配，不能混用高、低速器件。匹配电平，CMOS和TTL接口电平应该匹配。匹配温度性能，不能混用高、低温器件。匹配可靠性等级，不能混用可靠性不同的器件。对于系统时钟要合理的选择。在保证实时性的情况下，系统时钟较低，能够降低速度要求，可以提高可靠性。对于连接件的布局和选型、器件安装结构等要合理设计。单机片系统的键盘板、接口板和主机板需要应用总线板插槽进行相互连接，插槽的工艺会影响系统运行的可靠性。因此，可以减少中间环节，用插座和插头来代替插槽。

（二）保证元器件的可靠

尽量保证元器件的可靠性等级高。筛选元器件，对于元器件要进行分级分类的使用。

（三）人-环境特性的可靠性策略

第一，按照硬件的功能，采用模块化布局，主要包括两个层次，分别是板级，以及印制板内部的单元电路。例如，将不同参数的测量电路进行划分，形成不同接口板，然后在板内将数字电路和模拟电路进行集中布局。第二，保证元器件的引线走向和布局满足信号传输特性要求。第三，在印制板的电源入口部分，增加电容，从而滤除电源干扰。第四，对于同一印制板内部的同一组电源，防止翻面走线，避免不同电源互相干扰。

第五，在继承芯片的供电引脚处安装去耦电容，提升集成芯片运行可靠性。第六，将调零电路安装到模拟输出通道，抑制输出零漂。第七，抗振设计。单机片系统中存在着较多的插拔器件，不仅要选择较好性能的插座，还应该将插座和器件固定在一起，例如涂敷高温硅胶和应用金属卡等。还可以应用晶振，提高可靠性。第八，设计低功耗系统。通过低功耗设计和加装保温瓶，可以适应高温环境。将单机片系统应用于下井仪中，因为恶劣的散热条件和有限的安装空间，可以简化设计，运用高集成低功耗的元器件。CPU和其他期间应该保证是军品级别，保证正常工作。

第九，当辐射对微电子器件产生影响后，会造成漏电流和表面翻转，为了改善这种情况，可以应用在通讯和航天领域应用比较广泛的GaAs的单片微波集成电路。现阶段，在石油测井行业，还没有出现辐射影响单片机系统运行可靠性的情况，但是也需要重视这方面的因素，从而提升可靠性。

结语：

综上所述，针对于单片机系统，为了保证其运行的安全性和可靠性，需要从软件和硬件两个方面入手，进行合理的设计，提升其运行的可靠性。在软件系统中，需要认真的设计软件，通过一些高新技术的应用，提升软件设计质量，进而提高可靠性。对于硬件，应该选择一些性能优良的硬件设备，降低各种因素的影响，从而提升运行安全性。结合软件和硬件两个方面，综合设计单机片系统，全面提高其运行的可靠性。

参考文献

[1] 孟相武，程劲，罗克露，韩淙.基于Linux的高可用集群系统的设计及实现[J].电子科技大学学报，2005（04）.

[2] 龚征华，施丹，沈国海，王志南.基于嵌入式单片机的角度自动控制系统的可靠性设计[J].船舶，2007（05）.

[3] 唐纬，吴耀庭，葛善锋，宋明，彭乐龙，徐殿平，张圣，刘洋.终端产品常用通讯接口的可靠性设计（续）[J].质量与可靠性，2006（06）.

集成电路可靠性设计篇8

关键词 10kV配出工程项目 集宁区供电现状必要性分析

1乌兰察布市集宁区概况

集宁区地处内蒙古中西部，阴山山脉灰腾梁南麓，是乌兰察布市市府所在地，1992年被国务院正式批准为对外开放城市，2004年4月撤集宁市，设乌兰察布市集宁区，是乌兰察布市政治、经济、文化中心。

集宁及周边地区地上、地下资源丰富，形成“东土、南石、西陶、北铁、遍地牛羊”的格局。集宁区地理位置优越，交通发达，是内地通往蒙古、俄罗斯和东欧各国的交通要道，也是北部边疆重要的商品集贸地。京包线、集二线、集通线及在建的集－－张电气化铁路在此交汇，成为连接华北、西北的大动脉。110国道、208国道、京藏高速公路、二河高速公路等8条公路在此连通，形成四通八达的交通网络。

2集宁区供电现状分析

集宁北220kV变电站位于能源矿产品物流区，园区占地面积约108平方公里，该区域目前只有两条10kV农电线路供电，红海线和道北线，主干导线均为LGJ－70型，现有最大用电负荷3400千瓦。园区内分铁路站场区，煤炭、矿石产品洗选加工区，能源仓储区，其它产品仓储加工区，配套服务区等五大功能区。

目前，物流区已有7个项目入驻，近期有大批企业陆续进入投产期，负荷聚增，集宁北220kV变电站难以确保供电可靠性。供电能力明显不足，用户近期报装新增用电负荷无法接待。有部分入驻企业只能靠自备发电机维持施工作业。由于电力保障供给能力不足，已经影响到园区建设和区域经济的快速发展。

3集宁北220kV变电站10kV配出工程项目建设规模

本期集宁北220kV变电站10kV接入配出工程项目建设与改造项目共有8回10kV线路接入，主要是黄家村线、殡仪馆线、八二线、机场线、物流I线、薯业线、物流II线、南梁线等10kV线路接入工程。

（1）黄家村线路接入改造工程

按照城市配网规划，对原红海线黄家村分支线进行切改后接入集宁北220千伏变电站，新建10kV单回线路6.344公里，其中电缆线路0.46公里、架空线路5.884公里。

（2）八二线、机场线、备用Ⅲ线同杆三回接入工程

按照城市配网规划，对原道北线八二分支线进行切改重新整合后接入集宁北220千伏变电站，按同杆三回设计，新建线路路径全长12.1公里，同杆三回架空线路4.5公里、同杆双回架空线路5.30公里、单回架空线路2.097公里，三回架空线路累计长度26. 556公里，出口电缆线路2条0.97公里。本期建设10千伏线路分别为：①八二线全长10.252公里（其中电缆0.48公里、架空9.772公里）；②机场线全长12.292公里（其中电缆0.49公里、架空11. 802公里）；③备用Ⅲ线4.982公里（同杆三回架空线路）。

（3）物流I线、薯业线、物流II线、南梁线同杆四回接入改造工程

按照城市配网规划，对薯业线进行切改，首端与物流I线、物流II线、南梁线同杆四回架设，新建架空线路累计长度30.353公里，电缆总长度2.34公里。本期接入集宁北220千伏变电站10kV线路长度分别为：①物流I线全长6.872公里（其中电缆0.360公里、架空6.512公里）；②薯业线全长8.571公里（其中电缆0.370公里、架空8.201公里）；③物流II线全长9.311公里（其中电缆0. 380公里、架空8.951公里）；④南梁线全长7.079公里（其中电缆0.390公里、架空6.689公里），穿越110kV线路电缆4条共计0.84公里。

（4）殡仪馆线、备用Ⅰ线、备用Ⅱ线接入工程

按照城市配网规划，新建一条10kV线路至殡仪馆，线路全长2.271公里，其中电缆线路0.96公里、架空线路1.311公里（含同杆三回线路段0.58公里，单回线路段0.731公里），三回路杆塔、基础一次建成，导线按单回架设。

四、项目建设的必要性分析

目前，集宁区城乡结合部电网改造覆盖面低，主要是因为城乡结合部的地理位置特殊，在它的形成和发展过程中，各种管理难以到位造成的，而且随着城市的发展这种情况变得更加严重。

城市配电网的建设改造，能促进环保节能的高新技术、设备将在配电网中的广泛推广与应用。通过实施集宁北220kV变电站10kV接入配出工程项目，能使配电网络结构更加趋于科学性、实用性，实现配网运行方式的灵活、可靠，进一步满足地方各方面的发展，为社会及本企业带来明显的效益，具有良好的经济效益和社会效益。

一方面，通过实施配电网建设改造工程项目，能牢固配电网络结构，增强互带能力及配电网运行方式的灵活性，提高了城市配电网的供电可靠性，明显增加了售电量。通过提高供电量，能降低检修维护成本和线损率。通过提高单线承载能力，增强接待负荷能力，可进一步开拓电力需求市场，满足用电需求，实现真正意义上的增供扩销，为供用电双方增加经济效益。

另一方面，通过实施配电网建设改造工程项目，能够最大限度地满足电力市场发展的需求，为地方各方面的建设发展、招商引资提供充足、可靠的电力保障。提高城市配电网的供电可靠性，进一步降低设备的故障停运率。能够提高城市配电网的供电质量，满足对电能质量要求较高的现代高科技用电设施的需求，延长用电设施的寿命，最大限度地发挥用电设施的功率。能够提高用户的满意程度，切实兑现“让社会满意、政府放心”的承诺，进一步提升企业在社会和用户的形象。对供电可靠性有较高要求的特殊用户，能提供双电源供电，以保障可靠的电能供给，从而提高供电可靠性和输送能力。

因此，集宁北220kV变电站10kV接入配出工程项目的实施，能增加10kV出线，优化配网结构，提升供电能力，有助于解决供需矛盾，支持地方经济建设，实现增供扩销，构建和谐社会，对地区经济的发展意义重大。

集成电路可靠性设计篇9

关键词:供配电系统；供电负荷；供电方式；故障分析

Abstract: highway, the power distribution system for is for highway facilities such as along: surveillance, communication, charge system equipment, maintenance service facilities and road lighting service, the objective in the safety of the power to ensure that its, reasonable and reliability, ensure the safety of expressway and unobstructed, economic, quick, comfortable, and other comprehensive benefit maximum. This paper discusses the highway for distribution system concept, basic requirements of the power supply system and a highway of power supply load calculation and class divide, and power supply system design according to the problems in the common faults and put forward elimination method.

Keywords: for distribution system; Power supply load; Power supply mode; Failure analysis

中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：

1 基本概念

高速公路供配电系统是采用集中或相对集中供电,所用电源从发电厂或从附近地区的高压电网引出10kW或35kW高压送至高速公路自己的变电所,用低压变压器产生220V或380V的供电电压,然后再由低压配电屏及输电线送至有关用电设备。高速公路所用电能,除了少数外场监控设备外,绝大部分都是交流电,有些外场设备所用直流电也是利用整流设备把交流电转变为所需直流电。

2 供配电系统结构图

图1供配电系统结构图

结构图见图1,从结构图分析可知:当市电停电或出现故障不能正常供电时,则由自备柴油发电设备发电供电;通信设备所需的直流电源,一般由整流器、蓄电池组和直流配电屏等设备组成。有时还设置直流变换器等电压变换设备,共同组成稳定可靠的直流供电系统。

当通信设备需要交流电而不允许中继供电时,则需要设置交流不间断电源,一般由交流的主备用电源和直流电源加逆变器组成。

3 供电负荷的计算和等级划分

在高速公路机电工程的实际运行中,各种用电设备的负荷是变化的,但不应超过其额定容量;另外,各种设备的最大负荷一般不会在同一时刻出现,所以如果根据整个系统用电设备的额定容量的总和作为计算负荷来选择导线截面、开关电器和变压器等,显然会造成投资和设备的浪费;反之,如果负荷计算过小,也会导致设备的损坏。因此,在供电系统的设计阶段就要合理计算负荷的大小,以避免资源浪费和确保系统运行的安全。根据供配电可靠性以及中断供配电在社会效应、经济上造成的损失和影响程度,划分为3个等级。

(1)一级负荷中断供配电将造成人身伤亡,在社会效应、经济上造成重大损失。

(2)二级负荷中断供配电将在社会效应和经济上造成较大损失,如引起主要设备损坏、大量产品报废、连续生产被打乱需较长时间才能恢复、重要产品大量减产等的电力负荷。

(3)凡不属于一级和二级负荷的均属于三级负荷。高速公路的用电设备负荷主要包括管理机构设施负荷、养护设施负荷以及服务设施的办公、生活用电负荷。

由于机电工程的监控、通信、收费、辅助系统用电设备的负荷及计算机系统负荷对电源的可靠性和电能的稳定性都有较高的要求,原则上此类设备的供电电源按一级用电负荷设计。收费区域、服务区、停车区域内的道路、收费天棚以及互通立交等重点区域的照明,按二级用电负荷设计。

4 供电方式

一个好的设计方案不仅应安全可靠,还应力求经济合理,即投资少、运行费用低。在设计时,要进行技术和经济性分析,根据公路的实际情况选择合适的供电方式。

(1)整个供电系统由来自电力部门不同变电所提供的2路独立电源供电。此2路独立电源互为备用,足以保证一、二级负荷用电的可靠性。

(2)整个供电系统由来自电力部门变电所提供一路独立电源供电,另一路采用柴油发电机组备用,提供一、二级负荷用电来保证供电可靠性。

(3)整个供电系统由来自电力部门同一变电所不同母线提供的2路电源供电,配合埋地式变压器供电,能够满足供电可靠性。

以上3种方式均可以保证一、二级用电负荷的供电。但是第一方式的2路电源是取自电力部门的不同变电所,难度较大且供电距离长;第二方式要增加备用柴油机组和升压变压器的资金投入;第三方式较为容易实现,且节能省电,降低损耗,是国外先进技术。目前,国内应用最多的是第二种方式。

5 供配电系统设计时需注意的问题

(1)由于高速公路的重要性,供电电源应引自附近的高压供电网,并且采用双备份电源。

(2)为保证供电的可靠性,各控制中心应配置必要的小型发电机组或其他供电装置,以保证关键设备的不间断供电。

(3)为保证供电质量,各收费站或管理所应配备自动稳压电源,如AUPS或DUPS。

(4)由于高速公路多处用电,负荷不大且多为低压单相,考虑低压不宜远供的原则,可采用相对集中供电,电源引自临近的管理所,形成以所或站为供电中心的相对集中供电体系。

(5)由于高速公路沿线多处布设车辆检测器或气象检测器等,沿线供电时应考虑输电对检测器造成的电磁干扰,必要时应采用防干扰措施。

(6)对系统用电设备的供配电要提供继电保护(包括短路保护、过流保护、漏电保护等)、电力计量设备、电力控制设备等;对负荷的分配尽可能采用三相平衡法。此外对电力设备要进行防雷保护。

6 系统故障分析与排除

系统在不正常的情况下,有中断电源、超负荷和短路等情况发生,下面介绍几种常见故障产生的原因和排除方法。

(1)中断供电通常是由于电气设备损坏、短路及误操作等原因造成,因此在设备的选型上,要选择技术指标符合要求、产品质量高、技术先进的设备,确保事故率降低。

(2)过负荷通常是用增容、括容方法来解决。在高速公路上用电负荷比较恒定,出现过负荷的几率很小,万一要增加用电负荷,可在线路输送容量允许的情况下增加变压器的台数和容量,防止变压器超负荷运行。

(3)短路这是供电系统常见的一种故障,分为三相短路、单相接地短路、二相短路、二相接地短路等多种情况,而以三相短路较为常见。在供电系统设计时,为了防止短路发生后扩大故障损失,采取一系列继电保护措施,通常是用过负荷延时跳开关和短路过电流速断,以及备用电源自动切换装置等。

7 结语

高速公路的通信、收费和监控3大系统大部分都是技术含量较高的设备,电网的干扰、频率的波动都直接影响到计算机系统的可靠性和稳定性。另外计算机的供电不允许中断,如果电源中断,不但会使计算机丢失数据,而且会影响正常的收费。电源质量差也会使电子通信设备出现各种异常结果;电压的大范围波动会使车辆检测器出现车检不到、无车判有车等故障,影响车辆的统计数据。鉴于以上原因,我们在高速公路机电工程的设计和施工阶段一定要重视供配电系统,采取电源保护措施,防止电源干扰,保证不间断供电,以确保高速公路的正常运营。

参考文献:

集成电路可靠性设计篇10

（新疆天麒工程项目管理咨询有限责任公司新疆克拉玛依834000）

摘要高层建筑伴随着我国国民经济的高速发展而进入快速建设期，搞好高层建筑内变配电系统的设计就显得尤为关键。本文在分析高层公共建筑电气设施特点同时，通过对高层建筑各功能场所的用电负荷等级分类、数据统计和计算，提出应如何进行高层建筑变配电系统的设计，并对变配电室的设置及低压配电方式进行了探讨。

关键词 高层建筑 负荷 电气主接线 高压配电 低压配电

一、前言

高层建筑伴随着我国国民经济的高速发展显现出越来越多的趋势，其形式种类多样、使用功能日渐繁杂，对供电的要求也不尽相同，因此变配电系统的合理性设计对高层建筑在供电可靠性、变配电设施运行的经济合理性等方面显得至关重要，本人结合多年的设计经验对此作些探讨。

二、高层建筑电气设施特点

1.消防设施用电负荷等级高。高层建筑高度高，体积规模大，人员密集，设备繁多，一旦发生火灾会造成重大人员伤亡及财产损失。因此其消防设施显得特别重要。

2.用电负荷大，供电可靠性要求高。高层建筑用电设备多，用电负荷大，各类重要用电设备都要求较高的供电可靠性。

3.电气设备的布置。由于高层建筑高度高，为减少线路损耗，配电变压器可分层分区域布置，为便于竖向敷设，一般都设有专用电缆竖向井道。

三、用电负荷分析和计算

高层建筑用电负荷分析和计算是搞好变配电系统设计的前提和基础，负荷的分析和计算准确与否，对合理选择设备及日后的安全与经济运行，起着决定性的作用，因此必须高度重视。设计中，应首先对高层建筑的各功能场所的用电负荷进行负荷等级分类和数据统计。负荷分类应依据国家现行规程规范的要求进行，绝不能主观臆测。如《高层民用建筑设计防火规范》中明确规定：一类高层建筑的消防用电负荷为一类负荷，二类高层建筑的消防用电负荷为二类负荷。因此，设计中就应首先明确该建筑为几类高层建筑，这样就可明确消防用电负荷的等级。要分清哪些是一年四季都使用的负荷即正常用电负荷，哪些是季节性负荷(如制冷用冷水机组等用电负荷仅在夏季使用，制热用的空气幕用电负荷仅在冬季使用，这类负荷均为季节性负荷，哪些是仅在特定情况下才使用的负荷，如消防设备用电负荷在正常情况下并不使用，仅当发生火灾时才使用的负荷。通过对各种用电负荷的等级、种类及大小进行统计分析和计算，为正确合理地选择电器设备及变配电系统的设计打下基础。

四、变配电系统的设计

1.向当地供电部门收集有关设计资料。配变电所的设计应事先取得当地供电部门的有关设计资料。在方案比较阶段，拟定工程的负荷性质及对供电可靠性的要求，明确供电电压、供电方式及电源线路数量要求以及对变电所的容量、位置有了意向后，应会同筹建部门向供电部门申报用电，联系取得有关资料，主要收集的资料有：（1）向用户供电的地区变电所近期和远期负荷情况。（2）向用户供电的电压、线路长度、线路形式以及回路情况、系统中性点接地方式。（3）供电端系统最小运行方式和最大方式短路数据，或者供电部门对用户要求的断路器分断能力。（4）对断电保护及自动装置要求。（5）对用户功率因数要求，负荷控制要求。（6）计量装设要求。（7）对通讯、调度要求及管理意见。（8）对主要电气设备选用的有关规定。

2.电源的确定。通过上述对各种用电负荷的统计分析和计算，明确该建筑用电负荷的种类。依据国家现行规范要求，一类负荷应采用双电源供电，其中一类负荷中特别重要负荷除应采用双电源外，还需增设第三电源。二类负荷应采用双回路供电，如何实现上述要求？首先，设计人员在现场调研时要确认该建筑所建点是否具备所需电源，这点很重要。因为它直接关系到变配电系统的设计。如你设计的是一类高层建筑，应采用双电源供电，但现场并不具备双电源条件，只有一路电源，那么你在设计变配电系统时就应考虑自备电源，以保证该建筑所需要的双电源。在此需要强调的是具备什么条件的电源才算双电源？一些人认为只有真正完全独立的两路电源才算双电源，但现在真正意义上的完全独立的电源很少，基本都是并网。对此，《民用建筑电气设计规范》条文中也已明确，由两个35 kV 及以上电压等级的区域性变电站引出的电源即可认为是双电源，并不一定非要真正意义上的两个完全独立的电源。到底采取何种方式的电源，根据现场的实际情况而定。

3.高压主接线。大多数高层公共建筑用电负荷很大且集中，低压供电往往不能满足要求，国内通常采用10 kV 供电。常用主接线有如下几种情况：

（1）两路10 kV 进线，单母线分段接线，设母联开关。正常情况下，母联开关断开，两路电源同时供电，互为备用。这种接线有很高的可靠性，但投资也相对较高。适用于高级宾馆、大型商场、大型办公楼等。

（2）两路10 kV 进线，单母线分段接线，不设母联开关。正常情况下，两路电源同时供电。这种接线比较简单，可靠性相对前一种要差些。适用于一般办公楼、住宅楼等。

（3）两路10 kV 进线，单母线不分段接线。正常情况下，两路电源一路工作，一路备用，当工作电源失电时，备用电源自动投入或手动投入，两路都能保证100%的负荷用电。此种接线所用高压设备少，投资相对节省，但当母线清扫或故障时，将造成全部停电，供电可靠性相对较低，该接线方式适用于高层住宅等要求不太高的场所。

（4）一路10 kV 线路供电，并由城市公用变压器或由相邻大厦变电所引来380/220 V低压备用电源，或者由自备柴油发电机来提供备用电源，备用电源主要确保一、二类负荷用电。该接线方式适用于建筑规模相对较小的公共建筑供电。

以上各种高压主接线方式的选用，主要取决于建筑物本身的级别和当地电网的条件。

4.低压配电主接线。低压配电系统的设计是否得当，将直接影响高层建筑的安全、运行和管理。（1）低压配电系统一般要满足下列要求：有较高的供电可靠性和灵活性；接线力求简洁，施工运行维护方便。（2）单母线分段接线方式：正常情况下，母联开关断开，两台变压器同时工作，互为备用。当任一台变压器因故停运时，另一台变压器满足全部一、二级负荷及部分三级负荷，这种接线有很高的可靠性。（3）当一级负荷中有特别重要负荷时，需增设第三电源。

5.变配电室的设置。

（1）设在建筑主体内。在高层建筑中由于其造价昂贵，建筑物内寸土寸金，业主更强调经营效益，常常坚持将配变电用房放在地下室，由于地下室存在电气设备进出不易，通风不良，环境潮湿，都会影响电气设备的安全运行，而且一旦设备出现问题，往往检修不易。因此，变配电室最好设在底层，如因客观条件限制必须放在地下室时，要符合下列要求：设置直接对外的通道或出口；采用不可燃设备。

（2）设在建筑主体旁，采用独立变配电室。在条件许可的情况下，设独立变配电室。采用独立变配电室不仅可以很好地解决设备设在地下室而出现的种种弊端，而且可以很好地兼顾用户现有配电系统及今后发展的需要。

6.低压配电方式。

（1）低压干线设计。低压配出干线指从配电室的低压配电柜出线开关至各大型用电设备或楼层配电箱的线路。其接线方式分为放射式和树干式。

放射式一般用在：①要求供电可靠性高的场所；②单台容量较大的设备；③容量比较集中的场所。如要求供电可靠性较高的大型消防泵、消防电梯等设备，单台容量较大的制冷用冷水机组等一般采用放射式供电。

树干式接线一般用在：①要求供电可靠性不是很高的场所；②单台容量不大的设备。树干式接线有多种多样，常见的有分区树干式接线或母线树干式接线。分区树干式接线一般用在负荷不是很大并且不是很重要的情况，该接线的优点是一旦线路故障其影响面较小；母线树干式接线多用于层数多负荷大的场所，该接线的优点是低压总配电系统不需要很多出线，可节省低压配电盘，但缺点是一旦总开关或线路故障其影响面较大。放射式配电线路故障时互不影响，可靠性高，但投资相对较大。而树干式配电干线故障时影响较大，供电可靠性相对较低，但投资相对较省。

（2）配电干线的敷设。一般可考虑在电缆竖井、吊顶内走电缆桥架、线槽、封闭母线等。尽量少走穿钢管埋地的敷设方式。电缆竖井是配电干线敷设的重要通道，也通常是电专业每层动力及照明总配电箱的设置场所，因此，其大小、具体位置要尽可能合理，尽可能靠近负荷中心，竖井尺寸不要太小，应方便施工人员的设备安装，方便维护人员的操作和检修，应根据具体工程同建筑专业设计师协商而定。在现场中发现有的设计人员将电缆竖井设得太小，很难进行电缆施工，也很难进行正常操作和检修，并且给电气设施的安全运行带来了不应有的安全隐患，因此，设计人员对此引起足够的重视。

（3）楼层低压配电。一般情况下，在高层建筑的每层均设楼层配电箱，楼层建筑面积较大的，每层设若干个配电箱。配电箱内设有进线总开关及若干个出线分开关。配电箱一般设在电气竖井内明装，也有的采用暗装配电箱装在楼道或其他公共场所的墙上。装设的原则是要尽可能接近负荷中心；不影响建筑的结构；进出线方便，安装、操作维护方便，管理方便。为提高供电的可靠性，一般将照明用配电箱与动力用配电箱分开设置，各成独立系统，互不影响。

7.变电站综合自动化技术。变电站综合自动化技术是以计算机技术为基础，将测量、监控、继电保护和通讯功能综合在一起，构成全微机化的综合自动化系统。它是一个分层分布式集散系统，它的最底层是一个多功能的计算机监控单元，是以一个配电回路或间隔为单元，把信号、测量、控制和继电保护集中于一体，然后用一根通讯线把每个单元连接起来，再引到一个主计算机(工作站)。综合自动化技术的出现，简化了变配电系统的二次接线，提高了变配电站的自动化程度和管理水平，提高了变配电站的运行可靠性，减少了占地面积，使变配电系统实现无人值守成为可能。是变配电系统自动化控制方式的发展趋势。现在，该技术已越来越成熟并得到了越来越广泛地应用。

五、高低压变配电设备选择

1.一般要求。变配电站设计采用的设备和器材，应符合国家或地区的有关规定以及行业的产品技术标准。并应优先选用技术先进、经济适用和节能的成套设备和定型产品，不得采用淘汰产品。

2.变压器的选择。变压器台数应根据负荷特点和经济运行条件进行选择。当符合下列条件之一时，宜装设两台及以上变压器。

一是有大量一级或二级负荷。

二是季节性负荷变化较大。

三是集中负荷较大。

装有两台及以上变压器的变电所，当其中任一台变压器断开时，其余变电器的容量应满足一级负荷及二级负荷的用电。

一般情况下，动力与照明宜共用变电器。当属下列情况之一时，可设专用变电器。

一是动力和照明共用变电器严重影响照明质量及灯泡寿命时。

二是季节性负荷（如空调设备等）约占工程总用电负荷的1/3及以上时。

三是冲击性负荷较大，严重影响电能质量时。

变压器的合理选择很重要，有的设计人在进行负荷计算时对各类用电设备负荷分析不够深入，所选系数偏大，结果将变压器的容量选得过大，变压器负荷率过低，造成用户投资增加，运行费用增加很大，给用户带来不应有的资金投入。但变压器负荷率也不能过高，要考虑足够的裕量，否则对将来的发展不利。变压器负荷率控制在65%~75%为宜。这样对变压器的安全、寿命及经济运行均有好处。由于变压器的损耗在配电系统中占的比重较大，因此选择底损耗的节能型变压器是设计中应考虑的问题。当将变压器设在建筑主体内时，出于安全需要，几乎毫无例外地选择干式变压器，干式变压器除具有机械性能好，抗短路能力强，防潮，阻燃自熄的特点外，还具有耐冲击能力强、损耗低等特点，同时它还是低噪声的对周围环境不会造成影响的绿色产品，该产品已很成熟，可优先选用。

3.高低压开关柜的选择。在高层民用建筑中，出于对消防安全考虑，高开关设备常采用带真空断路器手车式开关柜或SF6气体绝缘环网柜为宜，环网柜具有接线简单，操作方便，结构紧凑，造价低等优点，由于其外形尺寸小，可以靠墙安装，占地面积小，可节约土建造价，正因为环网柜优点很多，所以，现在得到了越来越多的广泛应用。具体选择哪种开关柜应根据工程的具体情况及当地供电部门的要求来定。

低压开关柜型以抽屉柜为宜，对于规模较小的高层建筑，也可考虑采用固定柜。

4.自备应急发电机组的选择。自备应急发电机组是高层民用建筑的重要设备，它不但对高层建筑的安全起重要作用，而且对高层建筑的管理也很重要，在选择时要注意以下几点：（1）机组启动与运行一定要可靠，另外机组能在紧急情况下自动启动，并能在15 秒内接带负荷。（2）机组的外形尺寸要小，结构要紧凑，重量要轻，以减少占地面积和层高及基础要求。（3）机组平时的暖机功率要小，以节省运行费用。（4）机组的噪音、震动、耗油要尽可能小。

六、结束语

变配电系统的设计是高层建筑电气设计的关键环节，设计中要充分重视高层建筑用电负荷的特点，通过详尽的分析和计算，设计合理的高低压电气主接线并进行多方案的技术和经济比较，以选择最佳方案，使变配电系统安全可靠、经济合理。

参考文献