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(hù)裝置、自動(dòng)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(jì)數(shù)據(jù)顯示，電源模塊故障導(dǎo)致的繼電保護(hù)裝置故障占繼電保護(hù)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(dòng)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(yùn)行可靠性，已有文獻(xiàn)針對(duì)電源模塊內(nèi)部的改良進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[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(xiàn)[2]通過在電源模塊加裝避雷器和浪涌保護(hù)器，控制溫升、加強(qiáng)除塵等方式提高電源模塊的正常運(yùn)行時(shí)長。文獻(xiàn)[3]通過對(duì)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(dǎo)。

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(hào)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(shí)間內(nèi)投入生產(chǎn)應(yīng)用。同時(shí)，新版《國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》已取消了對(duì)國產(chǎn)微機(jī)保護(hù)裝置6 年定期更換電源模塊的檢修策略，進(jìn)入“故障更換”模式，因此對(duì)電源模塊長期跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更換的策略更加行之有效。目前，尚無文獻(xiàn)對(duì)變電站電源模塊長期跟蹤監(jiān)測有系統(tǒng)的總結(jié)與概括，同時(shí)現(xiàn)場工作中電源模塊故障導(dǎo)致的二次設(shè)備問題占比大。據(jù)此，本文建立了變電站二次設(shè)備電源模塊狀態(tài)檢測平臺(tái)，設(shè)計(jì)變電站二次設(shè)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(shí)現(xiàn)測量端子的通用性，能夠?qū)Χ卧O(shè)備的電源模塊進(jìn)行功能性、可靠性的檢測。同時(shí)，本文在檢測平臺(tái)的基礎(chǔ)上，建立變電站二次設(shè)備電源模塊檢測平臺(tái)評(píng)估體系，通過測試數(shù)據(jù)，制定電源模塊評(píng)估指標(biāo)及技術(shù)要求，對(duì)變電站內(nèi)二次裝置的電源模塊的健康狀況進(jìn)行檢測，對(duì)電源模塊的工作狀態(tài)給出定性和定量的評(píng)估結(jié)果，并以此積累技術(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)變電站二次設(shè)備電源模塊性能狀態(tài)進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測，為電源模塊的維護(hù)檢修積累數(shù)據(jù)，為檢修策略制定提供技術(shù)依據(jù)。

1 電源模塊故障及原因

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，近年來，現(xiàn)場保護(hù)裝置電源模塊故障主要有三大類：（1）因電容損壞導(dǎo)致的最多；（2）電源模塊老化，該類電源模塊的運(yùn)行時(shí)間大部分超過5 年，有的甚至達(dá)到10 年，應(yīng)給予替換；（3）電源無輸出或燒毀，其與自身的運(yùn)行溫度等相關(guān)，以下將對(duì)電源模塊故障原因進(jìn)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(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)可知，開關(guān)電源的輸入和輸出都需要電容進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，電容應(yīng)用于電路的各個(gè)部分，任何電容失效對(duì)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(dāng)電源模塊工作在溫度較高的環(huán)境下，電容的耐壓將會(huì)急劇降低，同時(shí)漏電流和損耗增大，嚴(yán)重影響電源模塊輸入輸出的電壓質(zhì)量。逆變電源技術(shù)條件要求，逆變電源的平均無故障時(shí)間（MTBF）應(yīng)為50000 ～100000h；而據(jù)目前模塊中現(xiàn)場應(yīng)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(guān)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(yùn)行溫度掛鉤。

1.2 外部環(huán)境惡劣

變電站繼電保護(hù)小室內(nèi)運(yùn)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(hù)回路，影響電源模塊電壓輸出質(zhì)量，甚至使微機(jī)保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，擴(kuò)大電網(wǎng)事故范圍。

1.3 電壓輸出失準(zhǔn)

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(huì)導(dǎo)致電路基準(zhǔn)值突變等一系列問題，進(jìn)而影響微機(jī)保護(hù)的邏輯配合，甚至導(dǎo)致邏輯功能判斷錯(cuò)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(huì)影響設(shè)備壽命，甚至造成邏輯錯(cuò)誤或?qū)е卤Ｗo(hù)拒動(dòng)。同時(shí)，過大的紋波量對(duì)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(yùn)行過程中內(nèi)部組件故障、外部環(huán)境惡劣、電壓輸出失準(zhǔn)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(tái)，對(duì)運(yùn)行中的電源模塊進(jìn)行定期的檢測，評(píng)估電源模塊的運(yùn)行工況，及時(shí)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(tái)

2.1 平臺(tái)框架

為評(píng)估變電站現(xiàn)場電源模塊實(shí)際狀態(tài)，本文構(gòu)建了變電站電源模塊檢測平臺(tái)，平臺(tái)配有可編程激勵(lì)電源、可編程電子負(fù)載、專用板卡接口裝置、數(shù)字測量儀器等。

可編程激勵(lì)電源通過程序設(shè)定電源試驗(yàn)量序列輸入電源模塊，可編程電子負(fù)載通過程序設(shè)定電路負(fù)載序列模擬電源模塊真實(shí)工作環(huán)境。由于不同廠家的電源模塊各不相同，因此平臺(tái)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(shí)，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(shí)現(xiàn)電源模塊性能定量測試。最后，將各項(xiàng)測量數(shù)據(jù)上送至數(shù)據(jù)庫，用于指標(biāo)分析與對(duì)比。

2.2 專用板卡接口裝置

為保證電源模塊檢測平臺(tái)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(tái)可靠實(shí)現(xiàn)的重中之重，直接影響檢測平臺(tái)的準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)應(yīng)兼顧功能和量產(chǎn)要求。

針對(duì)人工插拔測試時(shí)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(shè)計(jì)以接口管腳設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化為主，對(duì)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(biāo)等，以機(jī)械安裝代替手動(dòng)連線，夾具外圍電路少、布線清晰、耐插拔。同時(shí)，裝置外部可靠封裝，避免了操作不當(dāng)造成的觸電危害。專用板卡接口裝置的設(shè)計(jì)有效地解決了人工插拔測試方式存在的問題，對(duì)電源模塊通用測試的工程化應(yīng)用有重要意義。

3 變電站電源模塊檢測平臺(tái)評(píng)估體系

為更好地評(píng)估電源模塊運(yùn)行時(shí)的工況，在建立變電站電源模塊檢測平臺(tái)的基礎(chǔ)上，需根據(jù)模塊的功能，對(duì)測試數(shù)據(jù)制定相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行衡量。因此，本文提出了10 項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)及技術(shù)要求，進(jìn)一步建立了電源模塊檢測平臺(tái)評(píng)估體系。

3.1 電源模塊啟動(dòng)電壓測試

為檢驗(yàn)電源是否可以正常啟動(dòng)，電壓啟動(dòng)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(lì)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(dòng)電壓的單調(diào)性、啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)后的電壓幅值。電源模塊應(yīng)滿足在0 ～100%額定負(fù)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(dòng)的技術(shù)要求。

3.2 電源模塊輸入極限電壓測試

為檢驗(yàn)電源是極限電壓輸入條件下，電壓啟動(dòng)過程中波形是否單調(diào)，電源模塊是否可以正常啟動(dòng)，測試人員需調(diào)節(jié)負(fù)載分別輸出空載、半載、滿載，并設(shè)置可編程激勵(lì)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(dòng)電壓的單調(diào)性、啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)后的電壓幅值。電源模塊應(yīng)滿足在0 ～100%額定負(fù)載，輸入電壓在70%～120%額定電壓范圍內(nèi)，電源模塊應(yīng)可靠啟動(dòng)的技術(shù)要求。

3.3 電源模塊重復(fù)啟動(dòng)測試

為檢驗(yàn)電源重復(fù)開機(jī)啟動(dòng)是否正常，測試人員需在輸出額定負(fù)載條件下，調(diào)節(jié)可編程激勵(lì)電源輸出電源額定工作電壓，重復(fù)關(guān)機(jī)、開機(jī)5 次，每次間隔10s。電源模塊應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)技術(shù)要求：（1）額定負(fù)載情況下，輸出電壓從10%升到95%額定電壓時(shí)的穩(wěn)定建立時(shí)間宜不大于35ms。（2）在額定負(fù)載、額定輸入電壓下，開機(jī)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(shí)間不大于10ms。

3.4 電源輸出準(zhǔn)確度

為檢驗(yàn)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(fù)載條件下，調(diào)節(jié)可編程激勵(lì)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(yīng)滿足的技術(shù)要求如表1。

表1 電源輸出準(zhǔn)確度技術(shù)要求

其中，額定電壓對(duì)應(yīng)圖3 中電源模塊的不同電壓等級(jí)，基準(zhǔn)誤差表示為高度精度測試輸出端電壓幅值與可編程激勵(lì)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(yàn)電源環(huán)路穩(wěn)定性和響應(yīng)速度及檢驗(yàn)電源環(huán)路穩(wěn)定性是否正常，測試人員需在電源額定負(fù)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(diǎn)和持續(xù)時(shí)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(diǎn)和持續(xù)時(shí)間。取兩者中的最大值。電源模塊應(yīng)滿足電源輸入電壓在80%～120%額定電壓范圍內(nèi)變化，負(fù)載功率在10%～100%額定功率范圍內(nèi)變化時(shí)，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(jí)額定電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2 的技術(shù)要求。

表2 綜合調(diào)整率技術(shù)要求

3.6 紋波噪聲

為檢驗(yàn)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(fù)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(yīng)滿足如表3 的技術(shù)要求。

表3 紋波噪聲技術(shù)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(hù)

為檢驗(yàn)電源的過壓保護(hù)功能是否正常，測試人員需在電源額定輸入，額定負(fù)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(hù)動(dòng)作，電源保護(hù)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(shí)間不應(yīng)大于100ms 的技術(shù)要求。

3.8 電源模塊過功率保護(hù)

為檢驗(yàn)電源的過流保護(hù)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(fù)載階躍至2 倍的額定負(fù)載。電源模塊需滿足以下技術(shù)要求：電源保護(hù)動(dòng)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(shí)間不應(yīng)大于100ms。

3.9 電源模塊短路保護(hù)

為檢驗(yàn)電源的短路保護(hù)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(hù)動(dòng)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(shí)間不應(yīng)大于100ms 的技術(shù)要求。

3.10 效率

為檢驗(yàn)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(fù)載電壓和電流，折算出整機(jī)效率。技術(shù)要求為：在電源模塊輸入額定電壓，50%額定負(fù)載時(shí)，電源效率應(yīng)不低于70%。

變電站電源模塊檢測平臺(tái)評(píng)估體系可為電源模塊檢測提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，為電源模塊的健康狀態(tài)管理積累技術(shù)資料。同時(shí)，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(tái)評(píng)估體系制定的10 項(xiàng)指標(biāo)定性并定量地評(píng)估當(dāng)前電源模塊的工作狀況，提前安排檢修維保計(jì)劃，具有重要的實(shí)際意義。

4 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)場設(shè)備使用的電源模塊型號(hào)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(shí)現(xiàn)，同時(shí)目前現(xiàn)場尚無針對(duì)異常或故障電源模塊的專業(yè)檢測分析平臺(tái)等問題，本文有以下兩點(diǎn)貢獻(xiàn)。

（1）建立了變電站二次設(shè)備電源模塊狀態(tài)檢測平臺(tái)，平臺(tái)設(shè)計(jì)了專用板卡接口裝置以匹配不同類型電源模塊接口，實(shí)現(xiàn)了測量端子的通用性。

（2）在平臺(tái)基礎(chǔ)上，本文提出了10 項(xiàng)電源模塊評(píng)估指標(biāo)，并規(guī)范化其技術(shù)要求，給出電源模塊定性和定量的評(píng)估結(jié)果，以此建立變電站二次設(shè)備電源模塊檢測平臺(tái)評(píng)估體系，對(duì)變電站內(nèi)二次裝置的電源模塊的健康狀況進(jìn)行檢測，并以此為電源模塊的維護(hù)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(shù)依據(jù)。