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一种海岛电源多重防护结构及其供电保护方法

阅读：139发布：2024-02-22

专利汇可以提供一种海岛电源多重防护结构及其供电保护方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种海岛电源多重防护结构海岛电源多重防护结构及其供电保护方法，包括模块化全密闭“三防”结构设计技术、液体均匀导热与强制对流复合冷却技术以及高灵敏自适应磁调制漏电保护技术。三防方面：模块化全密闭“三防”结构设计技术将装备防护等级提高到IP54以上。散热方面：液体均匀导热与强制对流复合冷却技术实现了大功率特种电源在高温环境的有效散热。漏电保护方面：高灵敏自适应磁调制漏电保护技术可精确检测直流漏电流，具有mA级漏电流保护功能。所发明的海岛特种电源高可靠防护方法，解决了散热与“三防”相互制约的难题，能够对直流漏电流进行灵敏检测和保护，实现特种电源全方位防护及其在海岛严酷环境下的长期可靠运行。，下面是一种海岛电源多重防护结构及其供电保护方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种海岛电源多重防护结构，其特征在于，包括电源外壳(1)；所述电源外壳(1)内设置电源内壳(3)，且所述电源内壳(3)左右两侧、底部与所述电源外壳(1)之间形成电源内腔风道(2)；所述电源内壳(3)内设置多个电源模块单元(4)，每个所述电源模块单元(4)的底部均设置有散热片(5)；相邻的两个电源模块单元(4)之间设有空隙，且该空隙左右两侧的电源内壳(3)上均设置有散热风扇(10)；所述电源外壳(1)顶端设置电源进风口(8)和电源出风口(9)；所述电源外壳(1)四个顶角处均设置有折风板(11)；所述电源内壳(3)顶端与所述电源外壳(1)之间设置有交流漏电保护开关(6)和直流漏电保护开关(7)。
2.根据权利要求1所述的海岛电源多重防护结构，其特征在于，所述电源模块单元(4)采用全密闭结构与航空插座设计；所述电源进风口(8)和电源出风口(9)处均安装有防尘网与百叶窗，有效防止水、盐雾、大颗粒灰尘的侵入和腐蚀。
3.根据权利要求1所述的海岛电源多重防护结构，其特征在于，所述散热片(5)采用液体均匀导热与三面散热结构，利用液体热对流将电源模块产生的热量均匀传导至散热片表面；所述电源内腔风道(2)、电源进风口(8)、电源出风口(9)、折风板(11)及空隙间的散热风扇(10)形成多条强制对流的散热路径；其中，所述液体为纯水。
4.根据权利要求1所述的海岛电源多重防护结构，其特征在于，所述交流漏电保护开关和直流漏电保护开关均包括磁环探针、自适应方波激励源、隔离电源模块、漏电流检测与控制单元、漏电流判断单元、执行机构以及继电器；所述隔离电源模块与所述自适应方波激励源相连，所述隔离电源模块提供+5V、-5V及GND的隔离电源；所述自适应方波激励源作为磁环探针的输入端；所述漏电流检测单元与控制单元作为磁环探针的输出端；所述漏电流检测单元与控制单元、漏电流判断单元、执行机构、继电器依次连接。
5.一种权利要求4所述海岛电源多重防护结构的供电保护方法，其特征在于，该方法主要实现过程包括：自适应方波激励源部件将其激励输入电压信号uin叠加至磁环探针的感应线圈上，使得磁环探针的磁场交替饱和；一旦磁环探针磁饱和，感应线圈的阻抗趋于0，则输出检测电流信号由于存在的激励源将急剧增大，此时，漏电流检测与控制单元将立刻自动翻转激励源的驱动电平；当主回路DC+和DC-的电流iL1和iL2相等，即没有存在漏电流，输出检测电流信号的波形是高低电平对称的；当主回路DC+和DC-的电流iL1和iL2不相等，即存在漏电流时，感性线圈将持续叠加一定方向的感应电动势，使得该感应电动势方向下的磁环探针提前进入磁饱和，造成输出信号高低电平不对称；一旦漏电流判断单元识别到输出检测电流信号不对称的现象，执行机构将给出关断信号J，使得继电器立刻动作，关断主回路DC+和DC-的线路。

说明书全文

一种海岛电源多重防护结构及其供电保护方法

技术领域

[0001] 本发明涉及严酷环境下海岛、岸基及船舶等供电领域，特别是一种海岛电源多重防护结构及其供电保护方法。

背景技术

[0002] 海岛地处国防前哨，是维护国家安全的重要屏障，也是我国“一带一路”战略的重要载体。《中国制造2025》、国家十三五规划明确指出将重点突破海岛空间综合供能网络的瓶颈技术。海岛电源作为海洋未来供能网络的主导形式之一，是岛屿、港口及码头开发的重要保障，对我国打造海洋强国意义重大。

[0003] 海岛电源系统服役于恶劣的海洋气候环境，年均湿度高达85％，夏季地表温度高达60℃，昼夜温差大，高盐雾、高湿度、高温差给电源装备长期可靠运行带来巨大挑战：户外水浸导致设备功率管短路炸机，高盐雾导致电路板被腐蚀引发炸机损坏，过温导致设备快速老化并故障频发。常用的电源散热主要有三种形式：自然冷却、强制风冷、水冷却。考虑到由于受到体积、成本、可靠性等因素的影响，目前多采用强制风冷的方式进行处理，但这势必会电源内部带来尘埃、盐雾等干扰。散热与防水、防盐雾、防尘等问题相互制约，国内外均尚未彻底解决该难题，亟需突破严酷环境下特种电源适应性的重大技术难题。

[0004] 同时，随着海岛国防与民用设施直流负荷的比重愈来愈大，要求海岛电源对直流漏电流也具备保护功能。传统交流型漏电保护开关采用电磁感应原理，通过进线与出线的交流电流不一致所形成的感应电动势来判断是否存在漏电流，可检测交流漏电流，但当主回路出现直流漏电流，会造成磁环铁芯的预先磁化，导致检测装置脱扣值偏移，进入磁饱和区，检测失准，不能正常工作，带来巨大的安全隐患。而含直流特种负荷的应用场景对海岛电源漏电保护要求极高。为此，B型漏电保护开关被提出来用于检测该场景下的直流漏电流，通过在磁环上额外引入大小变化的激励源，使得磁环交替饱和，当主回路出现直流漏电流，通过识别输出信号来判断是否存在漏电源，可检测直流漏电流的大小，实现直流漏电流保护。然而，B型漏电保护开关价格昂贵，价格是交流型漏电保护开关的150倍，严重制约着我国海岛供电领域的建设与发展。同时，应用于B型漏电流保护开关的传统霍尔与磁阻传感技术的磁场强度检测范围窄，对于宽范围、多类型的漏电流难以精确检测，这将严重危及海岛特种负荷的安全使用，带来巨大的安全隐患，亟待解决。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种海岛电源多重防护结构及其供电保护方法，解决严酷环境下海岛电源高可靠供电问题，实现灵敏直流漏电流检测与保护，提高海岛电源环境适应性。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种海岛电源多重防护结构，包括电源外壳；所述电源外壳内设置电源内壳，且所述电源内壳左右两侧、底部与所述电源外壳之间形成电源内腔风道；所述电源内壳内设置多个电源模块单元，每个所述电源模块单元的底部均设置有散热片；相邻的两个电源模块单元之间设有空隙，且该空隙左右两侧的电源内壳上均设置有散热风扇；所述电源外壳顶端设置电源进风口和电源出风口；所述电源外壳四个顶角处均设置有折风板；所述电源内壳顶端与所述电源外壳之间设置有交流漏电保护开关和直流漏电保护开关。

[0007] 所述电源模块单元采用全密闭结构与航空插座设计；所述电源进风口和电源出风口处均安装有防尘网与百叶窗，有效防止水、盐雾、大颗粒灰尘的侵入和腐蚀。

[0008] 所述散热片采用液体均匀导热与三面散热结构(即底面、左侧面、右侧面散热)，利用液体热对流将电源模块产生的热量均匀传导至散热片表面；所述电源内腔风道、电源进风口、电源出风口、折风板及空隙间的散热风扇将形成多条强制对流的散热路径；其中，所述液体为纯水。海岛电源多重防护结构

[0009] 所述交流漏电保护开关和直流漏电保护开关均包括磁环探针、自适应方波激励源、隔离电源模块、漏电流检测与控制单元、漏电流判断单元、执行机构以及继电器；所述隔离电源模块与所述自适应方波激励源相连，所述隔离电源模块提供+5V、-5V及GND的隔离电源；所述自适应方波激励源作为磁环探针的输入端；所述漏电流检测单元与控制单元作为磁环探针的输出端；所述漏电流检测单元与控制单元、漏电流判断单元、执行机构、继电器依次连接。

[0010] 相应的，本发明还提供了一种上述海岛电源多重防护结构的供电保护方法，该方法主要实现过程包括：自适应方波激励源部件将其激励输入电压信号uin叠加至磁环探针的感应线圈上，使得磁环探针的磁场交替饱和；一旦磁环探针磁饱和，感应线圈的阻抗趋于0，则输出检测电流信号由于存在的激励源将急剧增大，此时，漏电流检测与控制单元将立刻自动翻转激励源的驱动电平；当主回路DC+和DC-的电流iL1和iL2相等，即没有存在漏电流，输出检测电流信号的波形是高低电平对称的；当主回路DC+和DC-的电流iL1和iL2不相等，即存在漏电流时，感性线圈将持续叠加一定方向的感应电动势，使得该感应电动势方向下的磁环探针提前进入磁饱和，造成输出信号高低电平不对称；一旦漏电流判断单元识别到输出检测电流信号不对称的现象，执行机构将给出关断信号J，使得继电器立刻动作，关断主回路DC+和DC-的线路。

[0011] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明能实现特种电源在海岛严酷环境下的长期可靠运行。结构方面：采用模块化全密闭“三防”结构设计技术，可有效防止水、盐雾、大颗粒灰尘的侵入和腐蚀，将装备防护等级提高到IP54以上；散热方面：提出了液体均匀导热与强制对流复合冷却技术，可避免柜体内部出现热量积累和温度超标的现象，实现了大功率特种电源在高温环境的有效散热，解决了散热与“三防”相互制约的难题；漏电保护方面：提出了高灵敏自适应磁调制漏电保护技术，可精确检测宽范围、多类型的交直流漏电流，具有mA级漏电流保护功能。附图说明

[0012] 图1为本发明一实施例海岛电源多重防护及高可靠供电柜体结构示意图；

[0013] 图2为本发明一实施例电源模块单元全密闭“三防”结构示意图；

[0014] 图3为本发明一实施例电源模块散热片“三面散热”与“液体均匀导热”结构示意图；

[0015] 图4为本发明一实施例高灵敏自适应磁调制漏电保护技术框图；

[0016] 图5为本发明一实施例不含直流漏电流的激励输入电压波形与输出检测电流波形；

[0017] 图6为本发明一实施例含直流漏电流的激励输入电压波形与输出检测电流波形。

具体实施方式

[0018] 本发明一实施例海岛电源多重防护及高可靠供电柜体结构如图1所示，所述柜体设计主要包含：(1)电源外壳、(2)电源内腔风道、(3)电源内壳、(4)电源模块单元、(5)电源模块散热片、(6)交流漏电保护开关、(7)直流漏电保护开关、(8)电源进风口、(9)电源出风口、(10)模块散热风扇、(11)折风板等，上述部件依次相连构成电源柜体。结构上，所述电源内腔风道位于电源外壳与电源内壳中间，所述电源出风口和电源进风口分别位于电源外壳顶部的左右两侧；所述电源模块单元位于电源内壳中，所述电源模块散热片位于电源模块单元的底部，所述模块散热风扇位于任意两电源模块单元间隙的左右侧，便于传导所述电源模块散热片的热量；所述折风板位于电源外壳的四个顶角，并与电源外壳成一定角度，便于电源内腔风道的流动。上述特殊的风道设计将形成多条强制对流的散热路径，呈自右向左的半环状。同时，所述电源进风口和出风口加装防尘网与百叶窗，所述电源模块单元采用全密闭结构，可有效防止水、盐雾、大颗粒灰尘的侵入和腐蚀。所述电源模块单元额定损耗所产生的热量通过所设计的散热片与特殊风道进行排出，实现了大功率特种电源在高温环境的有效散热，解决了散热与“三防”相互制约的难题。

[0019] 本发明一实施例电源模块单元全密闭“三防”结构如图2所示，所述电源模块单元采用多层防盐雾漆防护技术，其涂层体系设计为：喷涂富锌防锈漆底漆1道—喷涂环氧中间漆1道—喷涂防盐雾环氧面漆1道，所有涂层喷涂干膜厚度为80-120μm。同时，所述电源模块单元采用全密闭结构，通过其背板的航空插座实现电能供给与模块单元间的通信，该结构有效防止水、大颗粒灰尘的侵入，结合图1电源柜体的设计，整个装备防护等级提高到IP54以上。

[0020] 本发明一实施例电源模块散热片“三面散热”与“液体均匀导热”结构如图3所示，所述电源模块散热片为三面设计，紧贴所述电源模块单元的机箱表面，散热面积大；所述电源模块散热片底部嵌入导热热管，本发明利用散热片中热管的液体热对流将电源模块单元产生的热量均匀传导至散热片的三个表面；同时结合图1所设计的特殊风道设计与强对流技术，保证热量能快速从柜体通风孔散出，避免柜体内部出现热量积累和温度超标的现象。

[0021] 本发明一实施例高灵敏自适应磁调制漏电保护技术如图4所示，所述交流漏电保护开关和直流漏电保护开关均位于海岛电源柜体的顶端，两者包含磁环探针、自适应方波激励源、隔离电源模块、漏电流检测与控制单元、漏电流判断单元、执行机构以及继电器等部件，用于实现海岛复杂工况下的交直流漏电保护。其中，所述隔离电源模块与所述自适应方波激励源相连，前者为后者提供+5V、-5V及GND的隔离电源；所述自适应方波激励源作为磁环探针的输入端；所述漏电流检测与控制单元作为磁环探针的输出端，并为自适应方波激励源提供驱动电平翻转信号；所述漏电流检测与控制单元与漏电流判断单元、执行机构、继电器依次连接。具体实现步骤为：

[0022] (1)自适应方波激励源部件将其激励输入电压信号uin叠加至磁环探针的感应线圈上，使得磁环探针的磁场交替饱和；

[0023] (2)一旦磁环探针磁饱和，感应线圈的阻抗趋于0，则输出检测电流信号由于存在的激励源将急剧增大，此时，漏电流检测与控制单元将立刻自动翻转激励源的驱动电平；

[0024] (3)当主回路DC+和DC-的电流iL1和iL2相等，即没有存在漏电流，输出检测电流信号的波形应该是高低电平对称的；

[0025] (4)而当主回路DC+和DC-的电流iL1和iL2不相等，即存在漏电流时，即使是mA级，感性线圈也将持续叠加一定方向的感应电动势，使得该感应电动势方向下的磁环探针提前进入磁饱和，造成输出信号高低电平不对称。

[0026] (5)一旦漏电流判断单元识别到输出检测电流信号不对称的现象，执行机构将给出关断信号J，使得继电器将立刻动作，关断主回路DC+和DC-的线路。

[0027] 图5为本发明一实施例不含直流漏电流的激励输入电压波形与输出检测电流波形。未存在漏电流时，激励输入电压波形与输出检测电流波形的高低电平均是对称的。

[0028] 图6为本发明一实施例含直流漏电流的激励输入电压波形与输出检测电流波形。当存在漏电流时，激励输入电压波形与输出检测电流波形的高低电平明显不对称的。

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