繼電保護(hù)用開關(guān)電源的故障以及改進(jìn)措施分析

福建寧德核電有限公司 陳夢華

繼電保護(hù)裝置在使用過程中，可對所在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的故障與異常狀況進(jìn)行有效檢測，在傳送報(bào)警信號的同時(shí)，可將故障部位進(jìn)行隔離，避免故障影響范圍擴(kuò)大影響其他元器件因故障被破壞，使電力系統(tǒng)具備一定可靠性。開關(guān)是繼電保護(hù)裝置的重要組成部分，其對于電源性能有著極高的要求。本文以繼電保護(hù)用開關(guān)電源為主要研究對象，分析常見故障與改進(jìn)處理措施。

1 繼電保護(hù)用開關(guān)電源的技術(shù)原理與應(yīng)用要求

1.1 技術(shù)原理

電力電子技術(shù)在繼電保護(hù)系統(tǒng)中，開關(guān)電源應(yīng)用中發(fā)揮技術(shù)基礎(chǔ)性作用，主要對開關(guān)晶體管進(jìn)行關(guān)斷和開通操作對應(yīng)的時(shí)間比率加以控制，從而使系統(tǒng)電源能夠保持穩(wěn)定輸出的狀態(tài)。高壓交流電被輸送到電源設(shè)備后，逐步經(jīng)過濾波器與整流全橋電路，原本的高壓交流電將被轉(zhuǎn)化成直流電，再依靠開關(guān)電路被調(diào)制轉(zhuǎn)化成脈動直流電，高頻開關(guān)變壓裝置可對其實(shí)施降壓處理，低壓濾波電路發(fā)揮出濾波與整流作用，即可將低壓直流電提供給相應(yīng)的裝置[1]。

1.2 主要特點(diǎn)

一是效率高。這種開關(guān)電源對于負(fù)載調(diào)整率與電壓調(diào)整率有著極為嚴(yán)苛的要求，輸出波紋電壓數(shù)值要相對較小，輸出的暫態(tài)電壓與過充電壓不宜過高。繼電保護(hù)裝置使用的開關(guān)電源需要長時(shí)間維持運(yùn)行狀態(tài)，其始終要保持良好的運(yùn)行效率，以此才能減少運(yùn)行功耗，控制溫升，降低運(yùn)行環(huán)境的溫度，避免周邊元器件因高溫環(huán)境而受損。二是重量輕。開關(guān)電源不需要使用工頻變壓器，所以整體體積小，隨著高頻化設(shè)計(jì)技術(shù)不斷成熟，電源內(nèi)部的元器件將逐步實(shí)現(xiàn)微型化，實(shí)際重量將隨之減輕，設(shè)計(jì)成本也因此而降低。三是安全可靠性強(qiáng)。開關(guān)電源大多被賦予自動保護(hù)功能，出現(xiàn)輸出過流、輸出過壓、輸出短路等故障出現(xiàn)后，繼電保護(hù)裝置能夠以自動化的方式將電源切斷。四是電磁兼容性能穩(wěn)定。設(shè)計(jì)與制造開關(guān)電源時(shí)，均需采用標(biāo)準(zhǔn)化的方法，同時(shí)開展放電靜電干擾試驗(yàn)、脈沖群干擾試驗(yàn)等，保障即使存在干擾因素，電源也能夠照常發(fā)揮作用。

2 繼電保護(hù)用開關(guān)電源的常見故障現(xiàn)象與改進(jìn)措施

2.1 開關(guān)電源暫停運(yùn)行，輸入電源存在波動

2.1.1 故障情況分析

若外部輸入電源裝置產(chǎn)生瞬時(shí)故障問題，而后輸入電壓快速恢復(fù)至正常數(shù)值，開關(guān)帶能源停止運(yùn)行，不再繼續(xù)輸出電壓，必須由工作人員手動操作，實(shí)現(xiàn)斷電與上電后，裝置才可恢復(fù)正常狀態(tài)[2]。再現(xiàn)開關(guān)電源故障現(xiàn)象時(shí)，首先通過繼電保護(hù)試驗(yàn)裝置，調(diào)節(jié)中斷輸入電壓的具體時(shí)間，再利用波形記錄儀設(shè)備詳細(xì)記錄輸出電壓與輸入電壓在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的變動情況，改變中斷輸入電壓時(shí)間后，輸出電壓出現(xiàn)以下三種不同情況。

一是中斷時(shí)間在100～200ms，輸入電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)變后，恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，然而開關(guān)電源卻沒有因此而恢復(fù)至正常運(yùn)行；二是中斷時(shí)間大于250ms 的情況下，輸入電壓恢復(fù)至正常水平，+24V 與+5V處輸出電壓出現(xiàn)消失的現(xiàn)象；三是中斷時(shí)間在70ms以下時(shí)，系統(tǒng)的輸出電壓出現(xiàn)時(shí)間較短的異常中斷，而后以極快的速度恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，+5V 輸出電壓在這一條件下并未按照預(yù)設(shè)情況而直接小時(shí)，同時(shí)+24V 電壓維持正常狀態(tài)，系統(tǒng)使用的開關(guān)電源同樣無異常。當(dāng)輸入電壓消失的時(shí)間比較短時(shí)，輸出電壓并不會有欠壓的問題，所以系統(tǒng)并未出現(xiàn)欠壓保護(hù)動作。

分析實(shí)際故障問題時(shí)，可依據(jù)系統(tǒng)的開關(guān)電源對應(yīng)的“正常啟動邏輯”與“輸出電壓下的保護(hù)邏輯”為基準(zhǔn)，當(dāng)任意一路有降低到20%Un以下的情況時(shí)，對應(yīng)的欠壓保護(hù)動作將直接出現(xiàn)，同時(shí)電源無法實(shí)現(xiàn)自動恢復(fù)。對邏輯進(jìn)行調(diào)整之前，以極快的速度對輸入電壓進(jìn)行通斷操作，使電壓形成欠壓保護(hù)動作，之所以會產(chǎn)生這種情況，主要是因?yàn)檩斎腚妷撼霈F(xiàn)變動，但延時(shí)電路并未隨之復(fù)位，上電過程中，裝置無法屏蔽偽欠壓信號，最終導(dǎo)致誤動作產(chǎn)生。

2.1.2 改進(jìn)措施

針對此類故障，可將檢測電路加入保護(hù)環(huán)節(jié)上，將電子開關(guān)連接到延時(shí)電容上，如果開關(guān)電源進(jìn)入到暫停狀態(tài)之前，其電壓數(shù)值比輸入電壓的實(shí)際數(shù)值高，電源開關(guān)將轉(zhuǎn)化為閉合狀態(tài)，與之對應(yīng)的延時(shí)電路將因此而形成復(fù)位動作；若輸入電壓出現(xiàn)增加的現(xiàn)象，且最終與預(yù)設(shè)值保持一致，延時(shí)電路從供電的方面來支持保護(hù)電路，延時(shí)操作再次出現(xiàn)，重新運(yùn)行電源裝置時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)的偽欠壓信號可得到有效屏蔽，以此解決了偽信號，輸入電壓以較快的速度進(jìn)行波動時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤保護(hù)動作問題得到有效處理，裝置按照重新上電邏輯實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。

2.2 供電電源因啟動電流出現(xiàn)過載警告

2.2.1 故障情況分析

電源模塊的額定功率數(shù)值是20.8W，穩(wěn)態(tài)下的工作電壓數(shù)值經(jīng)檢測是220V，當(dāng)系統(tǒng)處于額定輸出狀態(tài)下，測得輸入電流數(shù)值是130mA，連接開關(guān)電源裝置以后產(chǎn)生了輸入電壓，并且以相對較慢的速度增加后，輸入電流受到影響，隨之快速增加，供電電源發(fā)出過載警告信號。對這一開關(guān)電源故障現(xiàn)象進(jìn)行分析后，確定當(dāng)輸入電壓達(dá)到60V 時(shí)，電源裝置正常運(yùn)行，立刻對瞬時(shí)電流實(shí)施檢測，測得數(shù)值近似200mA，相關(guān)的穩(wěn)態(tài)電流測得近似值是600mA，所以導(dǎo)致輸出電流隨之增大，且增大幅度極大。

受到客觀技術(shù)條件方面的影響，供電電源最高為500mA，因此必然會產(chǎn)生電源過載問題。開關(guān)電源在運(yùn)行時(shí)對于功率存在一定的要求，而設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)并未注意到這方面的需求，當(dāng)啟動電源之后，若需要運(yùn)行輸出回路，必須達(dá)到相應(yīng)的功率標(biāo)準(zhǔn)，如果啟動電壓數(shù)值不高，功率將突然增加，瞬態(tài)電流隨之出現(xiàn)激增，從而給供電電源造成極大的沖擊。

2.2.2 改進(jìn)措施

考慮到啟動電源時(shí)，需要的功率是難以改變的，為了控制啟動電流，可以嘗試將啟動電壓增大，使電壓在130～140V。改變開關(guān)電源原本的啟動電壓數(shù)值，利用試驗(yàn)儀裝置對輸入電壓進(jìn)行模擬，以相對緩慢的速度運(yùn)行電源[3]。確定開關(guān)電源是否進(jìn)入滿載狀態(tài)，而后同樣以較為緩慢的速度使輸入電壓升高，上升速度控制到10V/s 或者5V/s，在0到130V 電壓范圍間啟動開關(guān)電源，穩(wěn)態(tài)電流隨之降低，處于200～220mA，穩(wěn)態(tài)電流在200±100mA左右，瞬態(tài)電流與穩(wěn)態(tài)電流共計(jì)400±100mA，對比改建調(diào)整之前的數(shù)值，啟動電流降低約300mA，在這種使用條件下，供電電源不需面對超過其承受范圍的沖擊。即使輸入電壓在極短的時(shí)間降低到相對較低的數(shù)值，供電回路也不會受到過大的沖擊。

3 繼電保護(hù)用開關(guān)電源的選擇與維護(hù)建議

3.1 選擇要點(diǎn)

直流電源在繼電保護(hù)系統(tǒng)中處于較為重要的位置，但隨著繼電保護(hù)系統(tǒng)對于電源提出了更為嚴(yán)苛的穩(wěn)定性與可靠性要求，可控硅整流型電源逐步暴露出使用問題，故障率也逐步提高[4]。在為繼電裝置選擇可用的開關(guān)電源時(shí)，可選擇具有智能化特點(diǎn)的高頻開關(guān)電源。高頻開關(guān)電源內(nèi)部的整流功能模塊中安裝了微處理器，有助于增強(qiáng)設(shè)備管理工作的便捷性，直流系統(tǒng)發(fā)出的故障信號能夠被有效接收，接線系統(tǒng)也更為簡單，前期安裝調(diào)試難度降低。

相比常規(guī)的開關(guān)電源，高頻開關(guān)電源具有更輕的重量與更小的體積，設(shè)計(jì)者綜合運(yùn)用電壓電流雙環(huán)控制技術(shù)與準(zhǔn)諧振技術(shù)，使這種開關(guān)電源能夠始終維持極高的工作效率，開通使用后，不會造成過高的損耗，輸出電壓具有的波紋系數(shù)較小，有助于預(yù)防蓄電池出現(xiàn)脈沖放電或者充電的問題，電池的使用壽命得以有效延長，原材料成本也因此而降低。

高頻開關(guān)電源多運(yùn)用風(fēng)冷式設(shè)計(jì)理念，可通過遠(yuǎn)控裝置滿足操作需求，操作難度不高。開關(guān)電源處于負(fù)載狀態(tài)下，也可以正常開關(guān)機(jī)，省略了中間復(fù)雜的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。高頻開關(guān)電源使用聯(lián)合冗余式供電模式，智能化水平較高，若有部分模塊產(chǎn)生故障，支持帶電作業(yè)，系統(tǒng)不會受到不良影響，日常的維護(hù)與擴(kuò)容也容易實(shí)現(xiàn)。

3.2 維護(hù)事項(xiàng)

盡管高頻開關(guān)電源在繼電保護(hù)系統(tǒng)中呈現(xiàn)出諸多使用優(yōu)勢，包括供電質(zhì)量高、運(yùn)行效率高、可靠性強(qiáng)、節(jié)能性能優(yōu)越等，但是其對于維護(hù)有著較為特殊的要求，若維護(hù)不到位，不僅開關(guān)電源系統(tǒng)的可靠性得不到保障，同時(shí)其使用壽命也將受到影響。

3.2.1 常規(guī)維護(hù)要點(diǎn)

首先需要為高頻開關(guān)電源系統(tǒng)選用標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的整流設(shè)備，同時(shí)做好參數(shù)控制，避免出現(xiàn)參數(shù)超過指標(biāo)范圍的情況，不應(yīng)隨意調(diào)整參數(shù)?？刂崎_關(guān)電源裝置所在場所的溫度條件，最佳溫度范圍在-5℃到+40℃，若溫度超過這一范圍，可能會影響電子元件的特性；定期清理開關(guān)電源所處環(huán)境，若濕度過高，灰塵過多，主機(jī)系統(tǒng)可能出現(xiàn)紊亂的情況；開關(guān)運(yùn)行期間落實(shí)除塵、防塵工作，避免因灰塵而阻礙器件散熱，每季度都需要開展徹底清潔，在凈化環(huán)境的基礎(chǔ)上，還需查看插接件與連接件的使用情況，及時(shí)解決松動或者接觸不良的問題。當(dāng)蓄電池處于放電測試狀態(tài)或者工作狀態(tài)時(shí)，電流與電壓數(shù)值均應(yīng)在允許范圍內(nèi)。避免在電源運(yùn)行過程中，在大電流的條件下進(jìn)行充放電，不可在滿負(fù)載的狀態(tài)下，長時(shí)間運(yùn)行。

3.2.2 蓄電池維護(hù)要點(diǎn)

每年需要對電池進(jìn)行一次放電處理，放電前期，主要檢查蓄電池性能是否符合均衡的條件，為了滿足這一要求，應(yīng)當(dāng)實(shí)施均衡充電，及時(shí)處理狀態(tài)異常的電池，不可繼續(xù)使用，若蓄電池?zé)o法恢復(fù)至正常狀態(tài)，應(yīng)對其進(jìn)行更換，已經(jīng)達(dá)到使用壽命的蓄電池也應(yīng)當(dāng)被更換，不可將性能與容量存在差異的蓄電池連接使用，否則電源系統(tǒng)將受到嚴(yán)重影響。

3.2.3 故障檢測與處理要點(diǎn)

若開關(guān)電源正常運(yùn)行，其指示燈能夠正常亮起，但是電流輸出暫停。應(yīng)查看電鍍槽與電源輸出端之間是否出現(xiàn)斷路的情況，排除故障時(shí)，可將連接線重新連接或者直接更換新的連接線。如果開機(jī)電源指示燈在進(jìn)行開機(jī)操作后，沒有照常點(diǎn)亮，首先需要確認(rèn)電源連接部位是否出現(xiàn)異常，閘刀是否存在閉合的情況，三相電源接通后，是否產(chǎn)生缺相的問題；排除這種故障時(shí)，可將閘刀閉合或者重新連接電源。如果風(fēng)機(jī)能夠正常運(yùn)行，電源指示燈也并無異常情況，但是工作指示燈無法正常點(diǎn)亮，需要查看開關(guān)電源的啟動開關(guān)是否處于正常啟動位置上，若確定啟動開關(guān)處于應(yīng)在的位置，但是整機(jī)無法正常運(yùn)行，可調(diào)整啟動開關(guān)，使其重新達(dá)到正確的位置上。

當(dāng)啟動開關(guān)電源，并且不存在任何誤操作時(shí)，保護(hù)指示燈仍舊連續(xù)地進(jìn)行閃爍。應(yīng)確定運(yùn)行環(huán)境溫度是否處于規(guī)定范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)設(shè)備是否出現(xiàn)異常，解決風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障后，對開關(guān)電源所在環(huán)境的通風(fēng)條件進(jìn)行改善；還需確定輸入電源是否超過允許的電源標(biāo)準(zhǔn)，檢測電源設(shè)備是否出現(xiàn)欠壓、過壓的問題，另外還應(yīng)對配電線路進(jìn)行檢查，全面檢測各種供電故障后，根據(jù)正確的開機(jī)操作程序，重新啟動設(shè)備。面對保護(hù)指示燈出現(xiàn)的異常情況，還應(yīng)查看整流管，排除短路故障時(shí)，主要通過更換與調(diào)整整流管來實(shí)現(xiàn)。定期維護(hù)與管理環(huán)節(jié)，則要經(jīng)常性地查看輸入整流模塊、功率器件、驅(qū)動電路等重要部分是否有受損的情況。

4 結(jié)論

基于開關(guān)電源在繼電保護(hù)裝置中的重要作用，必須重視其故障診斷工作。本文分析了繼電保護(hù)裝置常見的兩種故障，并針對輸入電流波動導(dǎo)致的開關(guān)電源暫停運(yùn)行、啟動電流數(shù)值過高造成過載告警故障提出改進(jìn)建議，同時(shí)分析了高頻電源開關(guān)的優(yōu)越性與維護(hù)管理建議。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，應(yīng)當(dāng)重視電能變換現(xiàn)象給電源造成的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容，為繼電保護(hù)裝置提供更加可靠的開關(guān)電源。