開關(guān)電源多起火災(zāi)故障案例的分析和探討

1 引言

在2017、2018年兩年中,某運(yùn)營商省分公司多個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)的某著名品牌3套開關(guān)電源設(shè)備相繼發(fā)生自燃燒故障（非明火），產(chǎn)生大量煙霧而觸發(fā)了消防火災(zāi)告警系統(tǒng)，后經(jīng)該運(yùn)營商的技術(shù)研究和維護(hù)人員與該品牌開關(guān)電源廠家研發(fā)專家對(duì)故障原因進(jìn)行了深入的分析和探討，以期引起通信機(jī)房維護(hù)人員和電源設(shè)備制造商的重視和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

2 三個(gè)機(jī)樓開關(guān)電源設(shè)備燃燒故障情況

某運(yùn)營商在甲、乙、丙3個(gè)機(jī)樓里于2016年4月、6月和8月份分別上電投產(chǎn)運(yùn)行。這3套電源系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，均無異常告警。但近兩年來，甲、乙、丙3個(gè)機(jī)樓里的開關(guān)電源設(shè)備分別發(fā)生自燃燒而引起煙霧告警故障信息，這些故障均為開關(guān)電源內(nèi)部發(fā)生燃燒，因?yàn)殚_關(guān)電源模塊均采用阻燃材料制造，因此3個(gè)機(jī)樓里盡管開關(guān)電源內(nèi)部均發(fā)生燃燒（非明火）故障，但最終未造成機(jī)房?jī)?nèi)明火燃燒，避免了更大范圍的火災(zāi)事故。

甲機(jī)樓為C級(jí)機(jī)樓，上電日期為2016年6月8日，負(fù)載率為20%，負(fù)載率比較低，開關(guān)電源系統(tǒng)自上電以來未有異常告警信息發(fā)生。但從2018年3月至12月間，共發(fā)生故障告警信息達(dá)26次之多，故障信息多為交流停電或模塊退服，其中10月12日16:34:38發(fā)生多個(gè)開關(guān)電源整流模塊故障告警信息，并發(fā)生自燃燒而引起消防系統(tǒng)的煙霧告警故障，整流模塊燃燒故障情況如圖1所示。

圖1 甲機(jī)房樓電源模塊燃燒情況

乙機(jī)樓為C級(jí)機(jī)樓，上電日期為2016年8月8日，電源負(fù)載率為18%，負(fù)載率比較低，但從2018年4月至12月間，共發(fā)生故障告警信息達(dá)9次之多，故障信息多為交流停電或模塊掉電退服，其中12月9日10:22:54發(fā)生了多個(gè)整流模塊故障告警信息，并發(fā)生了消防系統(tǒng)的煙霧告警信息，整流模塊燃燒故障情況如圖2所示。

丙機(jī)樓為A級(jí)機(jī)樓，上電投產(chǎn)為2016年4月份，機(jī)房配置：交流柜＊1+整流柜＊2+直流柜＊2，整流柜共配置30個(gè)R48100G電源模塊，總負(fù)載約178 A，單電源模塊帶載率約為5.4%，負(fù)載率比較低。2018年7月7日16:16:29該機(jī)樓機(jī)房二層直流電源房產(chǎn)生煙感告警，現(xiàn)場(chǎng)排查發(fā)現(xiàn)為機(jī)房?jī)?nèi)其中一套開關(guān)電源7號(hào)及8號(hào)電源模塊自燃燒冒煙故障，如圖3所示。

圖2 乙機(jī)房樓電源模塊燃燒情況

圖3 丙機(jī)房樓電源模塊燃燒情況

3 三個(gè)機(jī)樓現(xiàn)場(chǎng)勘查情況

3.1 甲機(jī)樓電源

電源模塊外觀良好，無損傷、磕碰、劃痕等異常情況，AC交流輸入側(cè)網(wǎng)孔有熏黑的痕跡；該機(jī)房采用空調(diào)散熱，溫度為22℃，在規(guī)范要求之內(nèi)；灰塵也不大，面板干凈無灰塵，在規(guī)范要求之內(nèi)；但該機(jī)房在沿海附近，氣候比較潮濕，該機(jī)房相對(duì)濕度RH為80%左右，濕度較高，如圖4所示。

圖4 甲機(jī)房樓溫濕度表

3.2 乙機(jī)樓電源

乙機(jī)樓模塊外觀良好，無損傷、磕碰、劃痕等異常情況，AC輸入側(cè)網(wǎng)孔有熏黑的痕跡；該機(jī)房則采用空調(diào)加排風(fēng)扇進(jìn)行散熱，溫度為21℃，在規(guī)范要求之內(nèi)；灰塵也不大，面板干凈無灰塵，符合規(guī)范要求；但該機(jī)房在沿海附近，氣候比較潮濕，該機(jī)房相對(duì)濕度RH為80%左右，濕度較高，如圖5所示。

圖5 乙機(jī)房樓溫濕度表

3.3 丙機(jī)房電源

丙機(jī)房電源模塊外觀良好，無損傷、磕碰、劃痕等異常情況，外殼無過火的現(xiàn)象。該機(jī)房環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)較為干凈，無明顯灰塵，機(jī)房溫控方式為空調(diào)。機(jī)房墻上溫濕度傳感器顯示環(huán)境溫度為22℃，相對(duì)濕度RH為72%，如圖6所示。故障發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)已將這兩個(gè)故障模塊從槽位移除，電源系統(tǒng)工作正常。通過拆解模塊核實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)抽出的兩個(gè)模塊中只有一個(gè)電源模塊故障，另一個(gè)電源模塊為誤判，故障模塊燃燒情況如圖3所示。

換油周期的延長(zhǎng)，對(duì)潤(rùn)滑油的剪切穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。此次展會(huì)，阿朗新科還將介紹其針對(duì)這一市場(chǎng)變化推出的Keltan OCP極強(qiáng)穩(wěn)定性的牌號(hào)K0500R。該牌號(hào)是無定形OCP黏指劑，具有優(yōu)異的低溫性能，其剪切穩(wěn)定指數(shù)（SSI）為18，符合當(dāng)前市場(chǎng)的最新技術(shù)發(fā)展要求。目前，阿朗新科正在積極與潤(rùn)滑油行業(yè)內(nèi)的標(biāo)桿企業(yè)選用K0500R開展長(zhǎng)壽命柴油機(jī)油行車實(shí)驗(yàn)。

4 模塊故障原因分析

4.1 三個(gè)機(jī)樓環(huán)境及負(fù)載情況

甲機(jī)樓該開關(guān)電源電源負(fù)載率為20%；乙機(jī)樓該開關(guān)電源電源負(fù)載率為18%；丙機(jī)房配置：交流柜＊1+整流柜＊2+直流柜＊2，整流柜共配置30個(gè)R48100 G電源模塊，總負(fù)載約178 A，單電源模塊帶載率約為5.4%。3個(gè)機(jī)樓整流模塊負(fù)載都比較低；3個(gè)故障電源模塊均外觀良好，無損傷、磕碰、劃痕等異常情況，面板干凈無灰塵；機(jī)房墻上溫濕度傳感器顯示環(huán)境溫度為22～23℃，溫度完全正常；但3個(gè)機(jī)樓里的相對(duì)濕度RH為72%～81%，2018《通信局站機(jī)房環(huán)境條件要求與檢測(cè)方法》中5.1的要求，A、B類機(jī)房相對(duì)濕度為30%～70%，C級(jí)機(jī)房的相對(duì)濕度為20%～80%，雖然丙機(jī)樓超過上限，但未明顯超過本機(jī)房環(huán)境規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)允許的最大值。

圖6 丙機(jī)樓內(nèi)空調(diào)溫濕度表按照行標(biāo)YD/T1821-

4.2 損壞整流模塊情況

3個(gè)機(jī)樓開關(guān)電源的整流模塊AC輸入側(cè)網(wǎng)孔均有熏黑的痕跡，拆開電源模塊發(fā)現(xiàn)都是交流AC輸入側(cè)的安規(guī)電容C126電容失效和起火，其他元器件正常。安規(guī)C126電容為薄膜電源，在電源模塊中的位置為交流輸入口兩相火線之間，如圖7所示，用于濾除電路中的高頻噪聲，且這3個(gè)機(jī)樓的電源模塊故障都是市電引入口的安規(guī)X電容C126表面電暈或燒毀，且這些安規(guī)X電容C126都是某知名品牌生產(chǎn)，具有條碼編號(hào)和認(rèn)證。

圖7 失效C126電容電路

4.3 廠家給出的整流模塊故障原因分析

為何這3個(gè)機(jī)樓里電源模塊均發(fā)生安規(guī)電容C126燒毀現(xiàn)象呢？該廠家給出的理由是：由環(huán)境條件所致，機(jī)房相對(duì)濕度比較高，超過了行標(biāo)YDT/ 1821-2018《通信局站機(jī)房環(huán)境條件要求與測(cè)試方法》中規(guī)定的要求，廠家研發(fā)技術(shù)人員認(rèn)為該整流模塊中的安規(guī)電容C126都有認(rèn)證和制造廠家的條碼和認(rèn)證，是合規(guī)產(chǎn)品，因此廠家研發(fā)工程師認(rèn)為是由于機(jī)房的相對(duì)濕度造成的，并分析認(rèn)為：

當(dāng)機(jī)房?jī)?nèi)相對(duì)濕度很高時(shí)，潮濕的空氣就會(huì)對(duì)電容參數(shù)產(chǎn)生影響，空氣中的水汽容易凝聚在電容器外殼表面形成水膜，可使電容器的表面絕緣電阻下降。此外，由于整流模塊本身帶載比較低，產(chǎn)生的熱量比較小，當(dāng)濕度過高時(shí)，水分子還可滲透到電容器介質(zhì)內(nèi)部，當(dāng)水汽進(jìn)入芯包后，導(dǎo)致金屬化膜發(fā)生電暈氧化現(xiàn)象，進(jìn)而使電容容值衰減、電容器介質(zhì)的絕緣電阻絕緣能力下降，極限情況下，會(huì)導(dǎo)致電容金屬膜絕緣擊穿失效后發(fā)熱冒煙。

在薄膜電容器構(gòu)造上，在薄膜層間是存在空氣層的，施加電壓時(shí)，電介質(zhì)會(huì)帶電，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，在一定電壓下，電子會(huì)一起移動(dòng)（空氣層絕緣破壞），從而發(fā)生放電形象，這種放電形象稱之為電暈放電。空氣的起暈電壓與濕度有關(guān)，濕度增加，表面電阻率降低，起暈電壓下降。

根據(jù)以上分析結(jié)果，3個(gè)機(jī)樓里電源模塊故障的原是因?yàn)樵撾娫茨K交流輸入電源安規(guī)X電容126失效引起，而電源模塊安規(guī)X電容126失效的原因?yàn)闄C(jī)房濕度較高，該薄膜電容長(zhǎng)期工作在高濕環(huán)境中受潮，水汽侵入電容器件內(nèi)部，引起電容性能下降、絕緣阻抗降低，內(nèi)部絕緣膜擊穿導(dǎo)致失效。

但我們認(rèn)為廠家研發(fā)人員這一說法還有待進(jìn)一步探討和分析必要性。

5 有關(guān)問題進(jìn)一步探討

針對(duì)廠家給出的故障原因分析，我們認(rèn)為還不夠嚴(yán)謹(jǐn)和全面，這是因?yàn)椋?/p>

5.1 關(guān)于機(jī)房環(huán)境問題

雖說這些安規(guī)X電容C126都是某知名品牌生產(chǎn)的產(chǎn)品，當(dāng)濕度在70%～80%左右時(shí)，這3個(gè)機(jī)樓的電源整流模塊中的X電容C126就會(huì)出現(xiàn)電暈或燒毀的情況，而在行標(biāo)中，通信機(jī)房的相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范最高值也為80%，就是說，這3個(gè)通信機(jī)房的環(huán)境只是達(dá)到了行標(biāo)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的上線值附近，并沒有超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求太多，其實(shí)在南方很多地方，空氣中的相對(duì)濕度都比較高，一般都達(dá)到95%的天氣也非常多，在環(huán)境條件差一點(diǎn)的機(jī)房里，相對(duì)濕度很容易超過機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)值80%上限，因此若電子元器件在這個(gè)相對(duì)濕度的環(huán)境里就頻繁出現(xiàn)燃燒故障時(shí)，開關(guān)電源整流模塊的燃燒故障概率就會(huì)太高了，然而其他廠家和品牌的同類產(chǎn)品為何沒有發(fā)生過此類故障？這個(gè)問題很值得分析和探討。

5.2 三相不平衡市電引入的影響

由上述電源模塊的燃燒故障分析可以知道，開關(guān)電源的整流模塊基本都是三相電源引入，若三相電源不平衡時(shí)則會(huì)輕者降低線路和配電及用電設(shè)備的供電效率，重者則會(huì)因重負(fù)荷相而超越過多電流時(shí)會(huì)導(dǎo)致中性線有大量電流流過，中性線產(chǎn)生阻抗壓降，從而導(dǎo)致中性點(diǎn)飄移，致使各相相電壓發(fā)生變化，出現(xiàn)正序、負(fù)序、零序3個(gè)電壓分量，從而造成負(fù)載重的某相電壓降低，而負(fù)載輕的某相電壓升高。當(dāng)開關(guān)電源某一個(gè)相的整流模塊安規(guī)X電容C126長(zhǎng)期處在高壓下時(shí)，也極易導(dǎo)致?lián)舸?，因此為了耐較高的三相不平衡輸入的影響，耐負(fù)載重的某相需要耐更大電流的沖擊，也需要增加安規(guī)X電容C126的耐壓指標(biāo)和額定容量技術(shù)指標(biāo)。

5.3 關(guān)于安規(guī)X電容C126耐壓和容量問題

上述3個(gè)自然故障案例廠家分析是僅僅因?yàn)槭艿綑C(jī)房的相對(duì)濕度稍高的性能指標(biāo)影響就發(fā)生自燃現(xiàn)象，但在機(jī)房的實(shí)際工況可能還有比這還嚴(yán)重的情況存在的，比如環(huán)境溫度及潔凈度等環(huán)境因素問題也會(huì)嚴(yán)重影響電子元器件的各項(xiàng)性能指標(biāo)，當(dāng)然還包括了電子元器件的絕緣性能指標(biāo)的。而上述自燃燒故障案例中，僅僅只有機(jī)房的相對(duì)濕度剛剛接近機(jī)房環(huán)境規(guī)范要求的上限附近，且并未超過規(guī)范要求多少，而當(dāng)機(jī)房環(huán)境灰塵較大、溫度較高時(shí)，更容易會(huì)造成這些整流模塊電子元器件性能指標(biāo)的劣化和降低，更容易發(fā)生自燃燒故障。

因此我們認(rèn)為廠家更應(yīng)該考慮提高這些開關(guān)電源整流模塊的安規(guī)X電容C126元器件的絕緣性能和容量指標(biāo)以適應(yīng)機(jī)房實(shí)際更嚴(yán)酷的環(huán)境工況才是解決問題的根本，否則此類故障還會(huì)繼續(xù)不斷發(fā)生，一旦不幸引起整個(gè)機(jī)房發(fā)生火災(zāi)事故，則造成的損失和影響可就大了。

6 結(jié)論

根據(jù)以上分析和探討，造成上述3個(gè)機(jī)樓開關(guān)電源故障的根本原因是整流模塊輸入口附近的安規(guī)X電容C126電暈、燒毀失效所致，而安規(guī)X電容C126電暈、燒毀失效的故障原因則是機(jī)房環(huán)境的相對(duì)濕度所引起，這只是造成整流模塊燃燒原因之一，而最主要的則是應(yīng)該提升該安規(guī)X電容C126的耐壓性能和額定容量技術(shù)指標(biāo)才是根本原因和問題的關(guān)鍵所在。

7 解決方案和建議

7.1 從制造商的角度建議

建議電源制造廠家進(jìn)一步提高電源整流模塊的耐壓和額定容量的性能指標(biāo)，這是由于：①在沿海地區(qū)，空氣相對(duì)濕度較大，空氣中鹽分較多，大氣絕緣強(qiáng)度較低，容易造成電子元器件損壞故障，故建議提高有關(guān)電子元器件的耐壓性能和額定容量性能指標(biāo)，尤其是靠近市電輸入口附近的安規(guī)X電容C126的耐壓值和額定容量技術(shù)性能指；②由于開關(guān)電源基本都是三相電源，因此在一些地區(qū)由于三相不平衡，而導(dǎo)致負(fù)載較輕的某相電壓變高，需要較高的耐壓元器件，而在負(fù)載較重的某相則會(huì)電流變大，因此更需要具有更大的耐流能力的元器件；③提高電源耐高溫性能指標(biāo)，這幾個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)的環(huán)境溫度都比較理想，然而由于國家不斷推進(jìn)節(jié)能減排工作，運(yùn)營商在一些機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境溫度都比較高，為此由于高溫導(dǎo)致開關(guān)電源停機(jī)斷電的故障也不少，為此建議設(shè)備制造商還應(yīng)該考慮設(shè)備本身耐環(huán)境溫度的性能；④在一些小型機(jī)房?jī)?nèi)，由于本身環(huán)境較差，機(jī)房?jī)?nèi)灰塵較大，這些灰塵遇到空氣相對(duì)濕度較大時(shí)，也會(huì)在電子電路板上也會(huì)發(fā)生自動(dòng)短路、瞬斷等故障現(xiàn)象。上述3個(gè)整流模塊燃燒故障僅僅只是機(jī)房環(huán)境相對(duì)濕度較大就已經(jīng)引起安規(guī)X電容C126電暈、燒毀失效的故障，而在很多機(jī)房?jī)?nèi)往往灰塵比較大、相對(duì)濕度也比較高或比較低、溫度也比較高等惡劣環(huán)境，尤其是在一些D類機(jī)房?jī)?nèi)，環(huán)境條件更差，因此建議電源設(shè)備廠家更應(yīng)該把惡劣環(huán)境條件設(shè)置得更加嚴(yán)格一些才會(huì)避免通信電源故障的發(fā)生。

7.2 從運(yùn)營商的角度建議

①加大模塊的帶載量，建議讓模塊帶載量在30%以上，模塊轉(zhuǎn)換效率高，模塊內(nèi)部自身熱量能阻止器件受潮；例如關(guān)掉部分電源模塊或?qū)⑵涑槌?，提高在線模塊帶載率；

②嚴(yán)格按照行標(biāo)中對(duì)通信機(jī)房環(huán)境條件的要求嚴(yán)格執(zhí)行。一定要非常重視通信機(jī)房的環(huán)境條件并達(dá)標(biāo)，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求保障通信機(jī)房?jī)?nèi)“三度達(dá)標(biāo)” （溫度、濕度、潔凈度）。才能保障通信機(jī)房里所有設(shè)備正常安全可靠地運(yùn)行。

7 YDT 1821-2018《 通信局(站)機(jī)房環(huán)境條件要求與檢測(cè)方法》