【導(dǎo)讀】研究了實(shí)際行動(dòng)中的繼電保護(hù)用開關(guān)電源存在的幾種問題。本文從開關(guān)電源的原理入手，以測(cè)試的角度，對(duì)兩種有故障的電源模塊通過試驗(yàn)再現(xiàn)其故障現(xiàn)象，并分析了其故障原因，最后對(duì)改進(jìn)后的開關(guān)電源進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
從開關(guān)電源工作原理入手，分析了兩種故障現(xiàn)象：1）輸入電源波動(dòng)，導(dǎo)致開關(guān)電源停止工作；2）開關(guān)電源的啟動(dòng)電流過大，導(dǎo)致供電電源過載告警。通過試驗(yàn)分別重現(xiàn)了以上兩種故障現(xiàn)象，分析了故障原因：1）由于設(shè)計(jì)時(shí)未考慮保護(hù)延時(shí)放電回路，輸入電壓快速通斷導(dǎo)致電源欠壓保護(hù)誤動(dòng)作；2）啟動(dòng)功率一定的情況下，啟動(dòng)門檻設(shè)置過低，導(dǎo)致啟動(dòng)電流過大。并把改進(jìn)后的開關(guān)電源與改進(jìn)前的開關(guān)電源進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
0 引言
繼電保護(hù)裝置對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行有著十分重要的作用，繼電保護(hù)裝置故障所造成的電網(wǎng)故障在電網(wǎng)故障中所占的比重較高。據(jù)資料：2007年，國家電網(wǎng)公司110kV及以下系統(tǒng)保護(hù)裝置保護(hù)共發(fā)生不正確動(dòng)作37次，其中40.54%為運(yùn)行部門繼電保護(hù)人員責(zé)任，制造部門責(zé)任占37.84%，在制造部門責(zé)任中，制造質(zhì)量不良為主要原因
。繼電保護(hù)用開關(guān)電源是繼電保護(hù)裝置中的主要功能模塊，繼電保護(hù)用開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。電源性能的好壞直接影響到繼電保護(hù)裝置可靠性
。
本文從開關(guān)電源的原理入手，以測(cè)試的角度，對(duì)兩種有故障的電源模塊通過試驗(yàn)再現(xiàn)其故障現(xiàn)象，并分析了其故障原因，最后對(duì)改進(jìn)后的開關(guān)電源進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
1 開關(guān)電源工作原理
用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪恍螒B(tài)，用閉環(huán)控制穩(wěn)定輸出，并有保護(hù)環(huán)節(jié)的模塊，叫做開關(guān)電源
。
高壓交流電進(jìn)入電源，首先經(jīng)濾波器濾波，再經(jīng)全橋整流電路，將高壓交流電整流為高壓直流電；然后由開關(guān)電路將高壓直流電調(diào)制為高壓脈動(dòng)直流；隨后把得到的脈動(dòng)直流電，送到高頻開關(guān)變壓器進(jìn)行降低，最后經(jīng)低壓濾波電路進(jìn)行整流和濾波就得到了適合裝置使用的低壓直流電。
電源工作原理框圖如圖1所示
。
2 故障現(xiàn)象分析
由于繼電保護(hù)用開關(guān)電源功能要求較多，需考慮時(shí)序、保護(hù)等因素，因此開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的故障風(fēng)險(xiǎn)較高。另外供電保護(hù)裝置又教民用電器工作條件苛刻，影響繼電保護(hù)開關(guān)電源的安全運(yùn)行。本文著重分析了兩種因設(shè)計(jì)缺陷而造成故障的開關(guān)電源。
2.1 輸入電源波動(dòng)，開關(guān)電源停止工作
1）故障現(xiàn)象：外部輸入電源瞬時(shí)性故障，隨后輸入電壓恢復(fù)正常，開關(guān)電源停止工作一直無輸出電壓，需手動(dòng)斷電、上電才能恢復(fù)。
2）故障再現(xiàn)：用繼電保護(hù)試驗(yàn)儀，控制輸入電壓中斷時(shí)間，通過便攜式波形記錄儀記錄輸入電壓和輸出電壓的變化。控制輸入電壓中斷時(shí)間長短，發(fā)現(xiàn)輸出存在如下三種情況：
a）輸入電源中斷一段時(shí)間（約100～200ms）后恢復(fù)，此后輸入電壓恢復(fù)正常，開關(guān)電源不能恢復(fù)工作。（此過程為故障情況），具體時(shí)序圖見圖2所示。
b）輸入電壓長時(shí)中斷（大于250ms）后恢復(fù)，+5V、+24V輸出電壓均消失，此過程與開關(guān)電源的正常啟動(dòng)過程相同。具體時(shí)序圖見圖3所示。
c）輸入電壓短暫中斷（小于70ms）后恢復(fù)，+5V輸出電壓未消失，而+24V輸出電壓也未消失，對(duì)開關(guān)電源正常工作沒有影響。具體時(shí)序圖見圖4所示。輸入電壓消失時(shí)間短暫，由于輸出電壓未出現(xiàn)欠壓過程，電源欠壓保護(hù)也不會(huì)動(dòng)作。
3）故障分析：要分析此故障，應(yīng)先了解該開關(guān)電源的正常啟動(dòng)邏輯和輸出電壓保護(hù)邏輯。
輸入工作電壓，輸出電壓+5V主回路建立，然后由于輸出電壓時(shí)序要求，經(jīng)延時(shí)約50ms，+24V輸出電壓建立。
輸出電壓欠壓保護(hù)邏輯為：當(dāng)輸出電壓任何一路降到20% Un以下時(shí)，欠壓保護(hù)動(dòng)作，且不能自恢復(fù)。
更改邏輯前，因輸入電壓快速通斷而引起的電源欠壓保護(hù)誤動(dòng)作，其根本原因是延時(shí)電路沒有依據(jù)輸入電壓的變化及時(shí)復(fù)位，使得上電時(shí)的假欠壓信號(hào)得不到屏蔽，從而產(chǎn)生誤動(dòng)作，如圖2所示。
4）解決措施：采取的措施是在保護(hù)環(huán)節(jié)上增加輸入電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)，并在延時(shí)電容上并接一個(gè)電子開關(guān)，只要輸入電壓低于定值（開關(guān)電源停止工作前的值），該電子開關(guān)便閉合，延時(shí)電路復(fù)位，若輸入電壓重新上升至該設(shè)定值，給保護(hù)電路供電的延時(shí)電路重新開始延時(shí)，電源重啟動(dòng)時(shí)的假欠壓信號(hào)被屏蔽，徹底解決了由于輸入電壓快速波動(dòng)所產(chǎn)生的電源誤保護(hù)。從而避免了圖2的情況，直接快速進(jìn)入重新上電邏輯，此時(shí)的輸出電壓建立過程見圖3所示。邏輯回路見圖5所示。
5）試驗(yàn)驗(yàn)證：用繼電保護(hù)試驗(yàn)儀狀態(tài)序列模擬輸入電源中斷，用便攜式波形記錄儀記錄輸出電壓隨輸入電壓的變化波形。調(diào)整輸入電壓中斷時(shí)間，發(fā)現(xiàn)調(diào)整后的電源僅出現(xiàn)b）、c）兩種情況，不再出現(xiàn)a）即故障情況。
2.2 啟動(dòng)電流過大，導(dǎo)致供電電源過載告警
1）故障現(xiàn)象：電源模塊穩(wěn)態(tài)工作電壓為220V，額定功率為20.8W，額定輸出時(shí)輸入電流約為130mA。當(dāng)開關(guān)電源輸入電壓緩慢增大時(shí)，導(dǎo)致輸入電流激增，引起供電電源過載告警。
2）故障分析：經(jīng)查發(fā)現(xiàn)輸入電壓為60V時(shí)，電源啟動(dòng)，此時(shí)啟動(dòng)瞬態(tài)電流約為200mA，穩(wěn)態(tài)電流為600mA，啟動(dòng)時(shí)穩(wěn)態(tài)電流和瞬態(tài)電流將為600±m(xù)A，造成輸出電流激增。而由于條件限制，此電源模塊的供電電源輸出僅為500mA，因此造成供電電源過載。
由于開關(guān)電源工作需要一定的功率，設(shè)計(jì)中由于未考慮到電源啟動(dòng)時(shí)，輸出回路的啟動(dòng)需要一定的功率，而啟動(dòng)電壓比較低，所以功率的突增，必然帶來開關(guān)電源啟動(dòng)瞬態(tài)電流的激增，電流的激增對(duì)供電電源有較大的沖擊。
3）解決措施：啟動(dòng)需要的功率一定，如果要減小啟動(dòng)電流，可以考慮增加啟動(dòng)電壓的門檻。將開關(guān)電源的啟動(dòng)電壓提高到130～140V。
4）試驗(yàn)驗(yàn)證：調(diào)整開關(guān)電源的啟動(dòng)電壓后，通過試驗(yàn)儀模擬輸入電壓緩慢啟動(dòng)。當(dāng)開關(guān)電源在滿載情況下，試驗(yàn)中緩慢上升輸入電壓（上升速率5V/s或10V/s），從0～130V啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)穩(wěn)態(tài)電流降低到200～220mA，穩(wěn)態(tài)電流大約為200±100mA，因而啟動(dòng)時(shí)穩(wěn)態(tài)電流和瞬態(tài)電流將為400±100mA，啟動(dòng)電流教改進(jìn)前減小300mA，不會(huì)對(duì)供電電源造成太大的沖擊。可有效避免輸入電壓瞬間降低時(shí)，給整個(gè)供電回路造成較大的電流沖擊。
3 結(jié)束語
從以上問題分析可知，開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)，需要關(guān)注電能變換的各個(gè)環(huán)節(jié)，開關(guān)電源的輸出電壓建立和消失時(shí)序和電源的保護(hù)功能，是緊密聯(lián)系的，當(dāng)其中的某一環(huán)節(jié)存在缺陷時(shí)，開關(guān)電源就不能正常工作。因此在開關(guān)電源設(shè)計(jì)前，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行兩種工作：
1）考慮諸如此類的問題，如啟動(dòng)功率一定時(shí)，啟動(dòng)電壓門檻過低會(huì)產(chǎn)生輸出電流瞬態(tài)突增的現(xiàn)象。
2）在設(shè)計(jì)后盡可能依據(jù)繼電保護(hù)用開關(guān)電源行標(biāo)，經(jīng)專業(yè)測(cè)試部門驗(yàn)證。從而設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的開關(guān)電源。
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