連退生產線直流穩(wěn)壓電源的預防性管理

劉 進，張戰(zhàn)果，陳曉偉，張振國

（武漢鋼鐵有限公司冷軋總廠；湖北武漢 430082）

0 引言

帶鋼通過清洗后，不間斷地進入爐內進行工藝退火，然后平整、剪邊、涂油變成最終成品。連退生產線對于設備的穩(wěn)定性和可靠性要求非常高。連退生產線如果出現(xiàn)突發(fā)性故障停機，極易導致爐內帶鋼高溫變形瓢曲，造成較大的經濟損失。

直流穩(wěn)壓電源通常給電氣柜中的精密儀器儀表、PLC 及變頻設備供電。一旦出現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源供電故障，多數(shù)會導致生產線直接停機，爐內被迫降溫拖出廢帶鋼。出于成本考慮，連退線的大部分直流供電線路都沒有做冗余設計。因而在日常維護過程中，對直流穩(wěn)壓電源的健康預測和提高事故防范能力非常重要。

1 直流穩(wěn)壓電源的元器件分析

直流穩(wěn)壓電源通常由以下幾個部分組成：抗干擾電路、功率變換、整流濾波、脈寬調制電路、穩(wěn)壓電路、保護電路等。常用電器元件包括：變壓器、電解電容、二極管、MOS 管、控制芯片、集成穩(wěn)壓器、電位器等。其中最易發(fā)生損壞的是電解電容、二極管和MOS 管，其次是電位器、變壓器。

電解電容是電子設備中最容易老化失效的元件，也是直流穩(wěn)壓電源中最易發(fā)生故障的元件。電解電容長期在高頻率的狀態(tài)下工作，其內部的電解液會逐漸消耗，從而使電容的容量下降。實驗證明，環(huán)境溫度每升高10 ℃，電容的壽命便會減半。根據電容器等效串聯(lián)電阻模型電壓的變化和電容器穩(wěn)態(tài)輸出電壓的變化，進行的預測濾波電容器老化實驗表明：電容正常狀態(tài)、老化臨界狀態(tài)和故障狀態(tài)，三種狀態(tài)的轉化在其老化過程中有一定趨勢性，并有相對較大的觀察空間。二極管和MOS 管比電解電容相對抗老化，壽命也更持久。MOS 管較易受外界高壓干擾的影響，二極管的劣化則主要與電流和溫度有關。

電源中元器件的突發(fā)性失效問題屬于隨機產生的問題，預知元器件突發(fā)性失效問題非常困難。但電子元器件的自然老化和環(huán)境劣化會有一個隨時間變化的周期。最有效的方法就是進行嚴格的周期性點檢，輔以專業(yè)技術知識，從直流穩(wěn)壓電源表現(xiàn)出的各種跡象對其運行情況進行預判。

2 直流穩(wěn)壓電源的點檢方法

直流穩(wěn)壓電源檢測的有效手段包括：①紅外熱成像技術。通過紅外熱成像儀可以探測到直流穩(wěn)壓電源中，溫度較高的元件。從而判斷出直流穩(wěn)壓電源的運行狀態(tài)；②X 射線檢測。通過透視檢查，觀察電源內部元件及焊點是否良好；③電子顯微鏡檢測。通過放大倍數(shù)觀察，可以清楚看到內部元件表面缺陷。

后兩種檢測對設備要求較高，僅適用于實驗室，并不適合現(xiàn)場點檢，而且連退機組缺乏停電檢測的條件。紅外線熱成像儀檢測非常有效，可以帶電檢測。但對于現(xiàn)場設備人員來說，紅外線熱成像儀器較為貴重，不能夠完全普及。在直流穩(wěn)壓電源帶電的情況下，僅憑五感是難以判斷直流電源運行狀況的?，F(xiàn)場最常見的點檢工具是萬用表和點溫槍。所以定期檢測直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓和運行溫度是預測電源故障唯一可行的手段。

在點檢過程中，僅憑單獨的時間點數(shù)據難以判斷電源健康狀況優(yōu)劣，必須根據運行點檢記錄進行對比和趨勢分析。若點檢發(fā)現(xiàn)以下幾種運行趨勢，則是電源老化或劣化的先兆，必須引起注意。

（1）輸出電壓變低。出現(xiàn)此情況，首先考慮交流輸入電壓是否過低，從而導致整流濾波電路的工作電壓不夠，或者電路中增加了負載，超出了直流穩(wěn)壓電源的負荷能力。如果檢測兩者均正常，則有可能是負載電路過流、整流輸出電路中的二極管、濾波電容發(fā)生老化。

（2）輸出電壓變高。有可能是脈寬調制電路出現(xiàn)問題，振蕩定時電容的容量下降。整流二極管開路、濾波電容開路等。

（3）輸出電壓不穩(wěn)定。需要檢查基準采樣電路和穩(wěn)壓反饋電路，有可能是這兩部分的電容器、MOS 管、整流器、電位器等出現(xiàn)了老化降級。

（4）長期運行溫度過高。運行溫度過高會加速電源內電氣元件的老化，影響最大的是電解電容，其次是變壓器線圈以及電源的絕緣性能，二極管、MOS 管的壽命也會受到影響。

3 直流電源的預防性管理

對于直流電源電路的設備管理，必須要做的事情包括以下3 點。

（1）確認全線每個直流電源所帶的負載是否合適。電源負載分為純電阻性負載、線性負載、非線性負載。如果不是純電阻性負載，歐姆定律不一定適用。因此在計算直流電源負載的時候，準確的方法是測量電源工作時的輸出電流和電壓，直接利用P（功率）=U（電壓）×I（電流）的常用功率公式進行推算。直流穩(wěn)壓電源所帶負載最好不要超過其額定負載的70 %。

（2）確保直流穩(wěn)壓電源的良好工作環(huán)境。粉塵和高溫是直流穩(wěn)壓電源最大的殺手。一個相對防塵并且通風的環(huán)境有利于延長直流穩(wěn)壓電源的使用壽命。直流電源的工作溫度范圍可以參照電源的產品手冊，以常見的西門子SITOP 電源為例，最高工作溫度為70 ℃。如果日常點檢發(fā)現(xiàn)電源工作溫度接近這個數(shù)值，必須立即尋找方法給電源降溫，并提高點檢頻率，隨時觀察電源健康狀況。

（3）定期點檢。建立直流穩(wěn)壓電源的運行檔案進行趨勢分析。部分直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓是可以調節(jié)的。對于連續(xù)運行機組來說，頻繁調節(jié)輸出電壓不利于觀察電源運行的歷史趨勢。故除了電源初次上機時對輸出電壓進行校準之外，不建議在運行過程中，對直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓進行調節(jié)。

初次定期點檢的頻率建議每月一次。三個月后，可根據點檢數(shù)據庫進行動態(tài)調整。對于工作環(huán)境比較惡劣、輸出電壓有變化的電源增加點檢頻率，高溫暴雨季節(jié)增加點檢頻率。工作環(huán)境好，輸出穩(wěn)定的電源，可適當降低點檢頻率。簡單地說，決定點檢頻率的依據是：①線路的重要性；②工作環(huán)境的優(yōu)劣；③前期的點檢狀況。

以初次安裝時輸出電壓校準為24 V 的西門子SITOP 電源為例，若電源出現(xiàn)以下三種情況，建議做預防性更換。①輸出電壓呈逐步降低趨勢或已降至＜23.5 V；②輸出電壓呈逐步升高趨勢或已升至＞25 V；③測量時發(fā)現(xiàn)電源輸出電壓跳動且波動值>0.1 V。

對于預防性維護更換下來的直流穩(wěn)壓電源，可以打開外殼進行功能性檢測，決定是否進行修復或直接廢棄。檢測元器件狀況尚好的電源，可以重新校準輸出電壓后，置換在不太重要的線路上繼續(xù)使用。

4 結束語

對于連退生產線這種不能故障停機的機組，供電線路的安全性和穩(wěn)定性始終是第一位。電氣元件的突然性失效固然難以預知，但直流穩(wěn)壓電源的老化或者劣化有一定的時間周期，可以通過測量輸出電壓和溫度的方法，預知其健康狀況。加強定期點巡檢，做好設備檔案記錄，及時利用檢修時間進行預防性更換，是目前行之有效的設備管理方案。