變電站二次設備電源模塊狀態(tài)檢測平臺設計

黃詳淇，周耀龍，陳科，方濤，徐縱

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司超高壓分公司，浙江 杭州 311232）

近年來，變電站內(nèi)繼電保護裝置、自動控制裝置，以及一次系統(tǒng)輔助裝置的電源模塊的故障率呈上升趨勢。某省電網(wǎng)近3 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，電源模塊故障導致的繼電保護裝置故障占繼電保護裝置故障的16.0%；地處山區(qū)的變電站由于直流電源系統(tǒng)改造、周邊生產(chǎn)單位用電波動較大等原因，經(jīng)常造成電源模塊燒毀。因此，確保電源模塊的穩(wěn)定可靠工作有重要意義。

為提高電源模塊的運行可靠性，已有文獻針對電源模塊內(nèi)部的改良進行了研究。文獻[1]分析了電源模塊故障的原因，指出了影響電源模塊壽命的主要內(nèi)部因素。文獻[2]通過在電源模塊加裝避雷器和浪涌保護器，控制溫升、加強除塵等方式提高電源模塊的正常運行時長。文獻[3]通過對阿列紐斯方程的研究，分析了電源模塊內(nèi)部使用長壽命電解電容的優(yōu)勢，并給出提高電源模塊壽命的選型指導。

由于變電站現(xiàn)場裝配的電源模塊，各廠家裝置和模件的質(zhì)量問題較多且型號不一。通過電源模塊內(nèi)部改良的方式，成本大、不具有通用性，難以短時間內(nèi)投入生產(chǎn)應用。同時，新版《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》已取消了對國產(chǎn)微機保護裝置6 年定期更換電源模塊的檢修策略，進入“故障更換”模式，因此對電源模塊長期跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時更換的策略更加行之有效。目前，尚無文獻對變電站電源模塊長期跟蹤監(jiān)測有系統(tǒng)的總結與概括，同時現(xiàn)場工作中電源模塊故障導致的二次設備問題占比大。據(jù)此，本文建立了變電站二次設備電源模塊狀態(tài)檢測平臺，設計變電站二次設備電源模塊專用板卡接口裝置以匹配不同類型電源模塊接口，實現(xiàn)測量端子的通用性，能夠?qū)Χ卧O備的電源模塊進行功能性、可靠性的檢測。同時，本文在檢測平臺的基礎上，建立變電站二次設備電源模塊檢測平臺評估體系，通過測試數(shù)據(jù)，制定電源模塊評估指標及技術要求，對變電站內(nèi)二次裝置的電源模塊的健康狀況進行檢測，對電源模塊的工作狀態(tài)給出定性和定量的評估結果，并以此積累技術數(shù)據(jù)，對變電站二次設備電源模塊性能狀態(tài)進行長期跟蹤監(jiān)測，為電源模塊的維護檢修積累數(shù)據(jù)，為檢修策略制定提供技術依據(jù)。

1 電源模塊故障及原因

經(jīng)統(tǒng)計，近年來，現(xiàn)場保護裝置電源模塊故障主要有三大類：（1）因電容損壞導致的最多；（2）電源模塊老化，該類電源模塊的運行時間大部分超過5 年，有的甚至達到10 年，應給予替換；（3）電源無輸出或燒毀，其與自身的運行溫度等相關，以下將對電源模塊故障原因進行分析。

1.1 內(nèi)部組件故障

電源模塊內(nèi)部組件故障最主要原因是電容元件失效或損壞（尤其是電解電容失效）。根據(jù)開關電源的電路結構可知，開關電源的輸入和輸出都需要電容進行電壓調(diào)節(jié)，電容應用于電路的各個部分，任何電容失效對電源回路的影響都是巨大的。

電源回路中的電解電容由于其不耐高溫，當電源模塊工作在溫度較高的環(huán)境下，電容的耐壓將會急劇降低，同時漏電流和損耗增大，嚴重影響電源模塊輸入輸出的電壓質(zhì)量。逆變電源技術條件要求，逆變電源的平均無故障時間（MTBF）應為50000 ～100000h；而據(jù)目前模塊中現(xiàn)場應用較多的日產(chǎn)Rubycon 電容的產(chǎn)品資料，其電解電容在65℃下的壽命一般是32000h，溫度每升高10℃，電容壽命降低一半。開關電源模塊的使用壽命約等于電解電容的使用壽命，而電解電容的壽命直接與其運行溫度掛鉤。

1.2 外部環(huán)境惡劣

變電站繼電保護小室內(nèi)運行條件較為惡劣，電磁干擾難以避免。若電源模塊的抗電磁干擾能力差，小室內(nèi)外部電源將串入電源模塊保護回路，影響電源模塊電壓輸出質(zhì)量，甚至使微機保護裝置誤動或拒動，擴大電網(wǎng)事故范圍。

1.3 電壓輸出失準

電源模塊的電壓輸出主要存在兩種問題：（1）輸出功率穩(wěn)定性差；（2）紋波系數(shù)過高。若輸出功率不穩(wěn)定，電壓下降或升高過大會導致電路基準值突變等一系列問題，進而影響微機保護的邏輯配合，甚至導致邏輯功能判斷錯誤。若電源模塊輸出的電壓紋波系數(shù)過高（紋波系數(shù)表示為輸出電壓的交流量與直流量的比值），交流分量一般為高頻量，高頻幅值過高會影響設備壽命，甚至造成邏輯錯誤或?qū)е卤Ｗo拒動。同時，過大的紋波量對電源模塊的元件也是額外的損傷，影響其壽命。

除了電源模塊工藝上的缺陷，現(xiàn)場電源模塊故障主要是運行過程中內(nèi)部組件故障、外部環(huán)境惡劣、電壓輸出失準等原因造成，并具有突發(fā)性，難以有效控制，因此，需要建立有效的電源模塊狀態(tài)檢測平臺，對運行中的電源模塊進行定期的檢測，評估電源模塊的運行工況，及時發(fā)現(xiàn)電源模塊的故障及缺陷。

2 變電站電源模塊檢測平臺

2.1 平臺框架

為評估變電站現(xiàn)場電源模塊實際狀態(tài)，本文構建了變電站電源模塊檢測平臺，平臺配有可編程激勵電源、可編程電子負載、專用板卡接口裝置、數(shù)字測量儀器等。

可編程激勵電源通過程序設定電源試驗量序列輸入電源模塊，可編程電子負載通過程序設定電路負載序列模擬電源模塊真實工作環(huán)境。由于不同廠家的電源模塊各不相同，因此平臺提供了一種專用板卡接口裝置，匹配不同廠家的電源模塊接口，并以統(tǒng)一的測量端子引出。同時，利用高精度儀表、數(shù)字測量儀器等數(shù)字測量儀器在引出端子處測量輸出電氣量，實現(xiàn)電源模塊性能定量測試。最后，將各項測量數(shù)據(jù)上送至數(shù)據(jù)庫，用于指標分析與對比。

2.2 專用板卡接口裝置

為保證電源模塊檢測平臺的通用性，專用板卡接口裝置是連接數(shù)據(jù)庫與電源模塊的重要裝置，是檢測平臺可靠實現(xiàn)的重中之重，直接影響檢測平臺的準確性和通用性。由于各廠家電源模塊封裝方式不同，從而專用板卡接口裝置設計上不僅要滿足多參數(shù)測試要求，即不同測試儀器、電源模塊的接口，還要具備大批量測試需求。設計應兼顧功能和量產(chǎn)要求。

針對人工插拔測試時經(jīng)常性插拔電源模塊引腳的效率低下、電源模塊帶電測試不安全等問題，專用板卡接口裝置通過轉(zhuǎn)換插針、統(tǒng)一測試接口等方式來滿足多參數(shù)測試要求，提升不同電源模塊測試效率和測試安全性。專用板卡接口裝置提供了輸入輸出接口：（1）統(tǒng)一的、通用的與測試儀器及數(shù)據(jù)庫相連的輸出接口；（2）多樣化的、適用不同廠家電源模塊的輸入接口。

專用板卡接口裝置設計以接口管腳設計和結構優(yōu)化為主，對于不同廠家的電源模塊，裝置內(nèi)部夾具考量了管腳類型及定義、尺寸要求、測試指標等，以機械安裝代替手動連線，夾具外圍電路少、布線清晰、耐插拔。同時，裝置外部可靠封裝，避免了操作不當造成的觸電危害。專用板卡接口裝置的設計有效地解決了人工插拔測試方式存在的問題，對電源模塊通用測試的工程化應用有重要意義。

3 變電站電源模塊檢測平臺評估體系

為更好地評估電源模塊運行時的工況，在建立變電站電源模塊檢測平臺的基礎上，需根據(jù)模塊的功能，對測試數(shù)據(jù)制定相應的技術指標進行衡量。因此，本文提出了10 項評估指標及技術要求，進一步建立了電源模塊檢測平臺評估體系。

3.1 電源模塊啟動電壓測試

為檢驗電源是否可以正常啟動，電壓啟動過程中波形是否單調(diào)，測試人員需在輸出空載、半載、滿載條件下，調(diào)節(jié)可編程激勵電源輸出電源額定工作電壓，用數(shù)字測量儀器監(jiān)視啟動電壓的單調(diào)性、啟動時間、啟動后的電壓幅值。電源模塊應滿足在0 ～100%額定負載，輸入電壓從0 開始緩慢上升到80%額定電壓之前，可靠啟動的技術要求。

3.2 電源模塊輸入極限電壓測試

為檢驗電源是極限電壓輸入條件下，電壓啟動過程中波形是否單調(diào)，電源模塊是否可以正常啟動，測試人員需調(diào)節(jié)負載分別輸出空載、半載、滿載，并設置可編程激勵電源輸出電源最低工作電壓、最高工作電壓，用數(shù)字測量儀器監(jiān)視啟動電壓的單調(diào)性、啟動時間、啟動后的電壓幅值。電源模塊應滿足在0 ～100%額定負載，輸入電壓在70%～120%額定電壓范圍內(nèi)，電源模塊應可靠啟動的技術要求。

3.3 電源模塊重復啟動測試

為檢驗電源重復開機啟動是否正常，測試人員需在輸出額定負載條件下，調(diào)節(jié)可編程激勵電源輸出電源額定工作電壓，重復關機、開機5 次，每次間隔10s。電源模塊應滿足以下兩點技術要求：（1）額定負載情況下，輸出電壓從10%升到95%額定電壓時的穩(wěn)定建立時間宜不大于35ms。（2）在額定負載、額定輸入電壓下，開機沖擊電流不大于20A，沖擊電流下降到1.5 倍額定輸入電流的時間不大于10ms。

3.4 電源輸出準確度

為檢驗電源環(huán)路及輸出整流濾波電路是否正常，測試人員需在輸出額定負載條件下，調(diào)節(jié)可編程激勵電源輸出電源額定工作電壓，用數(shù)字測量儀器測試輸出端電壓的伏值。電源模塊應滿足的技術要求如表1。

表1 電源輸出準確度技術要求

其中，額定電壓對應圖3 中電源模塊的不同電壓等級，基準誤差表示為高度精度測試輸出端電壓幅值與可編程激勵電源輸入電源模塊的工作電壓之比。

3.5 綜合調(diào)整率

為檢驗電源環(huán)路穩(wěn)定性和響應速度及檢驗電源環(huán)路穩(wěn)定性是否正常，測試人員需在電源額定負載下，調(diào)節(jié)電源由80%額定電壓階躍至120%額定電壓，用數(shù)字測量儀器抓取電壓突變的最高點和持續(xù)時間。調(diào)節(jié)電源由120%額定電壓階躍至80%額定電壓，用數(shù)字測量儀器抓取電壓突變的最低點和持續(xù)時間。取兩者中的最大值。電源模塊應滿足電源輸入電壓在80%～120%額定電壓范圍內(nèi)變化，負載功率在10%～100%額定功率范圍內(nèi)變化時，測得的綜合調(diào)整率（電源模塊輸出電壓與額定電壓之比）與不同等級額定電壓對應關系如表2 的技術要求。

表2 綜合調(diào)整率技術要求

3.6 紋波噪聲

為檢驗電源輸出濾波回路是否正常，測試人員需調(diào)整電源輸入電壓在80%～120%額定電壓范圍內(nèi)變化，電源負載電流在10%～100%額定電流范圍內(nèi)變化，用數(shù)字測量儀器探頭最小環(huán)路測試輸出電壓的紋波噪聲，電源模塊應滿足如表3 的技術要求。

表3 紋波噪聲技術要求

其中，紋波峰-峰值表示紋波峰幅值與電壓峰值之比。

3.7 電源模塊過壓保護

為檢驗電源的過壓保護功能是否正常，測試人員需在電源額定輸入，額定負載下，調(diào)整電源模塊各路輸出電壓至超出額定值的±20%。電源模塊需滿足電源保護動作，電源保護使電源模塊在5ms 內(nèi)停止工作，輸出電壓降至20%額定電壓的時間不應大于100ms 的技術要求。

3.8 電源模塊過功率保護

為檢驗電源的過流保護功能是否正常，測試人員需在電源額定輸入，調(diào)整輸出由額定負載階躍至2 倍的額定負載。電源模塊需滿足以下技術要求：電源保護動作，并使電源模塊在5ms 內(nèi)停止工作，輸出電壓降至20%額定電壓的時間不應大于100ms。

3.9 電源模塊短路保護

為檢驗電源的短路保護功能是否正常，測試人員需在電源額定輸入、分別將各路輸出端子短路，電源模塊需滿足電源保護動作，并使電源模塊在5ms 內(nèi)停止工作，輸出電壓降至20%額定電壓的時間不應大于100ms 的技術要求。

3.10 效率

為檢驗電源的效率是否屬于正常范圍內(nèi)，測試人員需在電源額定輸入，額定輸出條件下，讀取源電壓和電流、讀取電子負載電壓和電流，折算出整機效率。技術要求為：在電源模塊輸入額定電壓，50%額定負載時，電源效率應不低于70%。

變電站電源模塊檢測平臺評估體系可為電源模塊檢測提供強有力的技術支撐，為電源模塊的健康狀態(tài)管理積累技術資料。同時，變電站現(xiàn)場工作人員可依據(jù)變電站電源模塊檢測平臺評估體系制定的10 項指標定性并定量地評估當前電源模塊的工作狀況，提前安排檢修維保計劃，具有重要的實際意義。

4 結語

針對現(xiàn)場設備使用的電源模塊型號不一，原理差異較大，通過改良不同的電源模塊性能，提高其可靠性的方式難以實現(xiàn)，同時目前現(xiàn)場尚無針對異?；蚬收想娫茨K的專業(yè)檢測分析平臺等問題，本文有以下兩點貢獻。

（1）建立了變電站二次設備電源模塊狀態(tài)檢測平臺，平臺設計了專用板卡接口裝置以匹配不同類型電源模塊接口，實現(xiàn)了測量端子的通用性。

（2）在平臺基礎上，本文提出了10 項電源模塊評估指標，并規(guī)范化其技術要求，給出電源模塊定性和定量的評估結果，以此建立變電站二次設備電源模塊檢測平臺評估體系，對變電站內(nèi)二次裝置的電源模塊的健康狀況進行檢測，并以此為電源模塊的維護檢修積累數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫，為變電站現(xiàn)場檢修策略制定提供技術依據(jù)。