繼電保護(hù)用開關(guān)電源的故障與改進(jìn)措施分析

薛令前，張潤潤

（國網(wǎng)西藏電力有限公司超高壓分公司，西藏 拉薩 850000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，我國城市逐漸崛起，電網(wǎng)成為城市進(jìn)步的象征要素之一，其規(guī)模逐漸擴(kuò)大，將城市中的電氣設(shè)施逐漸融合。根據(jù)我國電力系統(tǒng)以往的運(yùn)行情況來看，存在幾次重大的繼電保護(hù)故障問題。以2007 年我國某電網(wǎng)公司的繼電保護(hù)故障為例，出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況高達(dá)37 次，對部分單位造成嚴(yán)重影響。為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，針對繼電保護(hù)開關(guān)電源裝置故障及處理措施的研究很有必要。

1 繼電保護(hù)開關(guān)電源裝置

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，繼電保護(hù)開關(guān)屬于隱形故障，一旦出現(xiàn)問題會導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行不暢，但想要及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱形故障比較困難，尤其是開關(guān)電源模塊，一旦出現(xiàn)故障必然會引發(fā)連鎖反應(yīng)。其工作原理在于轉(zhuǎn)換電源形式，利用閉合功能實(shí)現(xiàn)對電流輸出的控制。電力系統(tǒng)中，高壓交流電先通過濾波器轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過降壓處理后轉(zhuǎn)換為低壓直流電。在此過程中，繼電保護(hù)裝置的開關(guān)電源在整個(gè)系統(tǒng)中承擔(dān)功率器件開關(guān)的作用，具有保障電流傳輸安全的作用。繼電保護(hù)開關(guān)電源裝置的原理如圖1 所示。

圖1 繼電保護(hù)開關(guān)電源裝置的原理

2 繼電保護(hù)開關(guān)電源的故障現(xiàn)象

本次研究結(jié)合實(shí)際工程案例中的常見問題展開分析。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，繼電保護(hù)開關(guān)能夠發(fā)揮主要的保護(hù)功能，故障風(fēng)險(xiǎn)也相對較高，需要加以維護(hù)。

2.1 輸入電源波動、開關(guān)工作停止

2.1.1 表 現(xiàn)

當(dāng)電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)開關(guān)電源出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過輸入、輸出電壓變化情況判斷故障。針對輸入電源波動、開關(guān)電源停止工作這一故障問題，主要表現(xiàn)為電壓恢復(fù)后繼電保護(hù)開關(guān)無法自動關(guān)閉，只要輸出電源停工，電壓就無法通過自動動作實(shí)現(xiàn)正常輸出，需要進(jìn)行手動恢復(fù)。對此，在問題發(fā)生后需要應(yīng)用繼電保護(hù)儀對輸出電壓、電流進(jìn)行監(jiān)測并記錄數(shù)據(jù)變化?？刂戚斎腚妷旱闹袛鄷r(shí)間后會出現(xiàn)以下3 種情況：一是當(dāng)中斷時(shí)間為100 ～200 ms 時(shí)，系統(tǒng)仍根據(jù)原本的電壓轉(zhuǎn)變方式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，此時(shí)繼電保護(hù)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，但開關(guān)電源并沒有恢復(fù)，導(dǎo)致出現(xiàn)故障；二是當(dāng)中斷時(shí)間在250 ms 以上時(shí)，繼電保護(hù)輸入電壓部分已經(jīng)恢復(fù)到正常水平，但在+5 V 和+24 V 位置不顯示電壓數(shù)值；三是當(dāng)中斷時(shí)間在70 ms 以內(nèi)時(shí)，輸出電壓出現(xiàn)異常中斷，但呈現(xiàn)的異常時(shí)間較短，且會快速恢復(fù)到正常狀態(tài)，在+5 V 位置不顯示電壓值，+24 V 位置顯示正常，開關(guān)電源無異常。由于異常時(shí)間較短，沒有出現(xiàn)保護(hù)動作。

2.1.2 故障分析及改進(jìn)措施

針對此類故障問題，可以根據(jù)開關(guān)電源的正常啟動邏輯進(jìn)行優(yōu)化，分析電力系統(tǒng)在正常狀態(tài)下的輸出電壓保護(hù)模式。當(dāng)任意一個(gè)線路下降到20%Un時(shí)，繼電保護(hù)系統(tǒng)會直接執(zhí)行欠壓保護(hù)動作，同時(shí)電源不會自動恢復(fù)。在進(jìn)行邏輯優(yōu)化時(shí)會使整個(gè)輸入電壓發(fā)生變化，因此容易出現(xiàn)電源欠壓和系統(tǒng)誤動作。精準(zhǔn)檢測電路電壓，并在延時(shí)電容位置處安裝開關(guān)，確保輸入定值高于電子開關(guān)時(shí)能夠立即自動閉合，實(shí)現(xiàn)電路復(fù)位。

根據(jù)實(shí)際情況，在檢測電路上加入電子開關(guān)，與延時(shí)電容相連，即在保護(hù)環(huán)節(jié)中增加輸入電壓檢測環(huán)節(jié)。當(dāng)輸入電壓值小于規(guī)定數(shù)值時(shí)，則會管理開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對延時(shí)電路的復(fù)位，形成保護(hù)動作[1]。當(dāng)輸入電壓重新上升并大于規(guī)定值時(shí)，則會解決由于輸入電壓波動而造成的保護(hù)動作。當(dāng)開關(guān)電源在進(jìn)入暫停狀態(tài)前，所顯示的電壓數(shù)值會高于實(shí)際電壓數(shù)值，繼電保護(hù)裝置的開關(guān)電源將閉合，延時(shí)電路也會復(fù)位。若在輸入電壓后出現(xiàn)電壓增加的情況，與預(yù)設(shè)一致，延時(shí)電路會對電路進(jìn)行保護(hù)，避免繼電保護(hù)裝置的開關(guān)電源受到偽信號影響。同時(shí)，輸入電壓也會重新上升到設(shè)定值，解決輸入電壓波動所造成的電源誤動作問題，保證正常運(yùn)行。增加放電回路的原理如圖2 所示。

圖2 增加放電回路的原理

2.2 啟動電流過載

2.2.1 表 現(xiàn)

以某額定功率為20.8 W 的電源模塊為例，穩(wěn)定狀態(tài)下的電壓數(shù)值為220 V。當(dāng)系統(tǒng)處于額定輸出狀態(tài)時(shí)，輸入電流為130 mA，在連接開關(guān)電源裝置后輸入電壓，此時(shí)輸入電流會受到影響，發(fā)出過載警告。根據(jù)其現(xiàn)象來看，當(dāng)輸入電壓達(dá)到60 V 時(shí)，開關(guān)電源裝置運(yùn)行穩(wěn)定，而后進(jìn)行電流檢測，能夠發(fā)現(xiàn)其數(shù)值達(dá)到200 mA，穩(wěn)態(tài)電流近似600 mA。由此可知，故障會導(dǎo)致電流增大，出現(xiàn)過載。

2.2.2 故障分析及改進(jìn)措施

本次針對繼電保護(hù)開關(guān)電源的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，根據(jù)故障的性能來看，輸入電流會不可避免地出現(xiàn)電涌情況，從而造成電源過載。通過觀察數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，在接通電源后輸出功率逐漸上升，造成電源過載，此時(shí)瞬態(tài)電流也呈為迅速增加趨勢[2]。

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，啟動電源時(shí)改變功率相對困難，因此可以從控制電流的角度入手，嘗試增加電壓至130 ～140 V。通過改變啟動電壓數(shù)值的方式解決故障問題，優(yōu)先利用試驗(yàn)儀器進(jìn)行模擬行為，包括對輸入電壓、電流的模擬，控制運(yùn)行速度。當(dāng)開關(guān)電源處于滿載狀態(tài)后，緩慢升高電壓，速度控制在5 V/s 或10 V/s 即可。在0 ～130 V 的電壓范圍內(nèi)啟動開關(guān)電源，此時(shí)電流逐漸降低，為200 ～220 mA。相較于故障改造前，電流過載情況明顯好轉(zhuǎn)，供電電源所承受的電流沖擊范圍明顯降低，即使電壓短時(shí)間內(nèi)較低，也不會造成過大影響?？偨Y(jié)來看，需要從電流和電壓特性角度入手，根據(jù)損壞情況適當(dāng)提高輸出電壓。針對缺乏保護(hù)芯片的裝置，需要設(shè)計(jì)與其相適應(yīng)的保護(hù)電路，從而減少瞬時(shí)輸入電流，實(shí)現(xiàn)電源的限流保護(hù)。

2.3 開關(guān)電源設(shè)計(jì)不合理、線路接觸不良

2.3.1 表 現(xiàn)

針對繼電保護(hù)裝置中開關(guān)電源設(shè)計(jì)不合理、線路接觸不良的問題，主要表現(xiàn)為開關(guān)電源輸入電壓下降，電壓波動頻繁，或產(chǎn)生電磁干擾情況，無法提供穩(wěn)定電源，繼電保護(hù)工作受到影響。開關(guān)電源的設(shè)備故障率會上升，需要經(jīng)常維修或更換。

2.3.2 故障分析與改進(jìn)措施

針對此類問題的分析，主要原因并非開關(guān)電源故障，而是檢修、保養(yǎng)不到位。需要采用更加可靠的開關(guān)電源模塊，定期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，延長使用壽命，尤其針對導(dǎo)線、支架以及絕緣部分，務(wù)必做到徹底檢查[3]。隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對于繼電保護(hù)的研究愈發(fā)關(guān)鍵，相關(guān)技術(shù)要求也更加嚴(yán)苛，需要保證裝置開關(guān)電源應(yīng)用的安全性。針對當(dāng)前的故障問題，可采用高頻開關(guān)電源，利用微處理器提升工作便捷性，有效接收故障信息。在其運(yùn)行過程中，損耗和波紋系數(shù)均較小，對于脈沖放電、充電問題預(yù)防性較高，有效延長使用壽命。同時(shí)，高頻開關(guān)電源的智能化水平相對較高，無須進(jìn)行復(fù)雜調(diào)試，聯(lián)合冗余式供電模式，在模塊故障的情況下還能實(shí)現(xiàn)持續(xù)作業(yè)。

3 維修事項(xiàng)

對于繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源的選擇，需要關(guān)注不同類型電力系統(tǒng)對于繼電保護(hù)的需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)，并加以維護(hù)。針對維護(hù)事項(xiàng)方面，可以從常規(guī)性維護(hù)、蓄電池維護(hù)以及故障檢測這3 個(gè)角度落實(shí)管理。對于常規(guī)性維護(hù)，需要選擇高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化的整流設(shè)備，并根據(jù)實(shí)際需求控制參數(shù)，避免運(yùn)行時(shí)超出限值范圍，確定參數(shù)和指標(biāo)范圍后切忌隨意更改?？刂崎_關(guān)電源裝置周圍的溫度，保證在-5 ～40 ℃，避免對電子元件特性造成影響[4]。對繼電保護(hù)開關(guān)電源所處環(huán)境進(jìn)行定期清潔，避免灰塵濃度和空氣濕度過高，做好散熱、除濕等工作，并檢驗(yàn)插件連接情況，分析是否存在松動、接觸不良問題，及時(shí)解決。

針對蓄電池的維護(hù)，需要定期進(jìn)行放電處理。在對電池進(jìn)行放電處理之前需要先檢查其性能，而后再進(jìn)行放電。對放電后的蓄電池進(jìn)行均勻充電，此過程若發(fā)現(xiàn)問題需要及時(shí)上報(bào)處理，且不可繼續(xù)使用，檢查其性能判斷是否需要更換，避免對電源系統(tǒng)造成影響。

對于故障的檢測與處理，需要適當(dāng)應(yīng)用相關(guān)檢測儀器。先查看各個(gè)裝置的指示燈亮度情況是否正常，再用儀器檢測電流輸出情況，以及電源輸出端、電鍍槽斷路情況。若在檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)指示燈不亮，則要優(yōu)先檢查連接部位[5]。若排除以上故障，可將閘刀閉合；若此時(shí)機(jī)器正常運(yùn)行，但指示燈不亮，則要檢查開關(guān)電源的啟動情況，進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)開關(guān)電源啟動后，若指示燈仍閃爍，則需要判斷輸入電源情況，分析是否存在過壓、欠壓問題，檢查配電線路，逐一排除故障。除了以上內(nèi)容，還需檢驗(yàn)整流管，定期對整流模塊、驅(qū)動電路以及功率器件等進(jìn)行檢查。

4 結(jié) 論

繼電保護(hù)裝置中，開關(guān)電源是維護(hù)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵部分之一，一旦出現(xiàn)問題，必然會對整個(gè)電力運(yùn)行情況和相關(guān)設(shè)施帶來嚴(yán)重影響，因此需要重視對開關(guān)電源故障的診斷、改進(jìn)以及維護(hù)。本文從3 種故障類型角度進(jìn)行分析，并給出針對性建議，未來的繼電保護(hù)開關(guān)電源會進(jìn)一步優(yōu)化，保證其工作效率，維護(hù)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。