引言
國家電網(wǎng)公司于2009年首次公布了智能電網(wǎng)發(fā)展計劃，隨著近年智能電網(wǎng)建設(shè)不斷地推進，電力用戶用電信息采集系統(tǒng)已經(jīng)在全國廣泛應(yīng)用。僅從2013年國家電網(wǎng)公司的招標結(jié)果來看，Ⅲ型專變采集終端共招了87萬多臺、I型集中器共招了122萬多臺。多年來，國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司和一些地方公司每年的招標數(shù)量都是很大的，因此有大量的這二類的表計型終端在現(xiàn)場運行。
表計型Ⅲ型專變終端和I型集中器的供電電源有線性電源和開關(guān)電源二種。在同等的額定輸出功率和使用環(huán)境下，開關(guān)電源由于其體積小、效率高、節(jié)能、適應(yīng)輸入電壓范圍寬，性價比高，比線性電源有著明顯的優(yōu)勢，因此，越來越受到設(shè)計人員的青睞，在表計型終端中的使用量呈逐年上升趨勢。但是，自從表計型終端使用開關(guān)電源以來，在全國范圍內(nèi)也陸續(xù)出現(xiàn)了一定數(shù)量的表計型終端損壞甚至爆炸的現(xiàn)象，給供電部門和用戶造成了一定的影響。
據(jù)行業(yè)內(nèi)一些重要終端廠商反映，結(jié)合我們調(diào)查的情況來看，表計型終端的損壞部分涉及到終端的方方面面，其中終端供電部分的損壞是其中之一，并且有些輸入電壓為220/380Vac三相四線制供電的表計型終端供電部分的損壞還很嚴重。當然，終端供電部分的損壞也會導(dǎo)致其它方面的損壞，同樣地，終端其它方面的損壞也會導(dǎo)致供電部分的損壞。
多年來，關(guān)于使用了開關(guān)電源的終端其供電部分的損壞原因在業(yè)內(nèi)爭論很多。有說是雷擊損壞，有說是電源品質(zhì)異常出現(xiàn)的損壞，等等，莫衷一是。這里有一個典型的爭論例子，在同一現(xiàn)場，在多數(shù)情況下，為什么終端供電部分電路會損壞，而相鄰使用了線性電源的三相電能表的供電部分卻能獨善其身?不明真相的人就由此得出結(jié)論說開關(guān)電源根本不適合應(yīng)用到終端上。基于此，我們有必要研究導(dǎo)致這類終端供電部分損壞的原因，并提出相應(yīng)的改進措施，以期解決困擾行業(yè)多年的問題，加強終端運行的可靠性，具有很迫切的現(xiàn)實意義。
一、現(xiàn)場終端及使用環(huán)境
1.現(xiàn)場終端介紹
表計型終端主要由電源板、控制主板、通訊模塊、顯示屏和外殼組成。
終端供電部分由輸入接線柱、輸入導(dǎo)線與電源板構(gòu)成，電源板一般含有電源輸入保護部分、電源部分和交采部分。對于使用了開關(guān)電源的終端，其電源部分就是開關(guān)電源。
圖1是目前幾類使用了開關(guān)電源的表記型終端常用的供電部分結(jié)構(gòu)及電路簡圖。圖中注明了關(guān)鍵器件的參數(shù)。
輸入保護電路是為了防止浪涌過電壓的侵害。前級輸入保護電路由壓敏電阻RV1-RV3和限流線繞電阻RX1-RX3組成，后級輸入保護使用了一只壓敏電阻RV4，有些方案中沒有用此壓敏電阻。
目前在行業(yè)內(nèi)，三相整流電路主要是采用三相全波整流方式。
開關(guān)電源DC-DC轉(zhuǎn)換部分主要由輸入整流橋KB、輸入濾波電解電容C1-C2、開關(guān)變壓器T、開關(guān)管T1、輸入過壓保護電路、控制電路和輸出電路等組成。
圖1：終端供電部分結(jié)構(gòu)及電路簡圖
2.終端使用環(huán)境
1)終端全部安裝在配電網(wǎng)末端配電變壓器旁。
2)配電變壓器一次側(cè)開關(guān)為斷路器或跌落式熔斷器(又稱零克)，二次側(cè)開關(guān)為隔離開關(guān)。
3)末端配電變壓器以△/Y方式聯(lián)結(jié)的居多，一般電壓比為10/0.4kV。
4)線路提供給終端的供電方式有三種：100Vac三相三線供電、57.7/100Vac或220/380Vac三相四線供電，前二種由配電變壓器一次側(cè)PT供電，后一種由二次側(cè)直接供電。
5)圖2是220/380Vac三相四線供電終端現(xiàn)場接線示意圖。
圖2：220Vac/380Vac三相四線供電終端現(xiàn)場接線示意圖
二、終端損壞情況及初步分析
1.終端損壞現(xiàn)象
一般損壞現(xiàn)象有：輸入接線柱熔化、接線柱附近外殼塑料燒焦、輸入導(dǎo)線燒斷、線繞電阻RX1-RX3灼傷或燒斷開路或燒脫落、整流管 D1-D16開路或短路損壞、電解電容C1-C2鼓包或漏液或爆裂或從線路板上炸脫落、開關(guān)管T1短路或爆裂、壓敏電阻RV4失效或爆裂或炸脫落、線路板上印制線起皺或斷裂、線路板被燒黑或燒成碳灰。部分終端僅輸入導(dǎo)線在焊盤處燒斷，焊盤附近線路板上有明顯燒灼痕跡;或者是僅輸入接線柱熔化、接線柱附近外殼塑料燒焦;有少部分終端爆炸。
2.終端損壞特征
經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)終端損壞有如下幾方面的特征：
1)因供電原因引起損壞的終端采用220/380Vac三相四線供電 ，并且終端的開關(guān)電源前端采用了三相全波整流方式。
2)一般在安裝好終端后，或切斷配電變壓器后，投入空載配電變壓器時損壞居多，尤以配電變壓器一次側(cè)開關(guān)為零克時為甚;少部分損壞發(fā)生在10KV配電線路停電后再次送電時;還有少部分損壞發(fā)生在電網(wǎng)和設(shè)備正常運行時。
3)一般終端損壞部位出現(xiàn)在輸入進線接線柱、輸入導(dǎo)線、前級輸入保護部分、三相全波整流二極管、后級輸入保護壓敏電阻、開關(guān)電源部分的輸入濾波電解電容C1-C2和開關(guān)MOS管T1。平常壓敏電阻RV1-RV3損壞較少見，而一般雷擊時壓敏電阻RV1-RV3損壞多見。有一種典型的損壞僅發(fā)生在終端供電接線柱到電源板輸入焊盤處。
4)部分終端損壞部位除上述部位外，還會波及到交采電路、載波通訊電路。少部分終端僅損壞交采電路。
5)少部分終端爆炸產(chǎn)生的沖擊波會掀開終端的表蓋，導(dǎo)致整個終端報廢，更為嚴重的會撞碎表計柜。
三、終端損壞機理分析
1.供電部分電路損壞分析
從上面所描述的損壞現(xiàn)象來看，作為電氣設(shè)備的終端被電損傷，歸根到底還是因為施加在終端上面相關(guān)部位的電壓和通過的電流大小超過了終端相關(guān)元件的耐受能力。排除元件本身個體上的差異出現(xiàn)的損壞，首先我們需要考慮的是元件的設(shè)計值是否在額定工作范圍內(nèi)，再來考慮極端條件下元件的工作情況。
對于額定電壓220/380Vac的三相四線輸入，考慮實際輸入電壓高于額定電壓25%，那么實際輸入電壓就是275 /475Vac，經(jīng)三相全波整流濾波后的直流母線電壓為Vin=665Vdc。一般開關(guān)電源的設(shè)計功率為10-15W，終端實際額定功率不到10W，瞬時功率不到15W。綜合上面所述的器件的參數(shù)來看，圖1部分所選擇的器件是足以滿足正常工作需要的。
作為元件，因電流超標而損壞的前提是該元件后接的器件或負載產(chǎn)生的電流過大，超過了設(shè)計值，或者是出現(xiàn)了短路的現(xiàn)象。就終端開關(guān)電源本身而言，它有電流過載和短路保護電路，我們假設(shè)這一電路是可靠的，因此我們可以忽視開關(guān)電源輸出負載因素的影響。
那么，會是什么原因造成開關(guān)MOS管T1損壞呢?在開關(guān)控制正常的情況下，唯一的因素就是過電壓超過了它本身的承受能力。我們一般設(shè)計的開關(guān)電源輸入過壓保護電路的保護點為Vp=750±50Vdc，也就是說當輸入直流母線電壓Vin超過Vp值時，開關(guān)管會處于關(guān)斷保護狀態(tài)，但是，當開關(guān)MOS管上出現(xiàn)大于或等于最大額定耐壓值時，即Vin≥900V或1000V時，可能會損壞開關(guān)MOS管。開關(guān)MOS管損壞一般會引起開關(guān)管T1短路。
對于三相整流二極管D1-D16，如果選取的是耐壓1KV的整流管，因過電壓損壞至少電壓要大于或等于3KV?，F(xiàn)場出現(xiàn)這高電壓值的可能性只有雷擊過電壓和諧振過電壓，除此之外，導(dǎo)致它們損壞的因素只能是后級的開關(guān)MOS管過流或短路、壓敏電阻RV4過流或短路、電解電容C1-C2 支路過流或短路。
而導(dǎo)致C1-C2支路和RV4支路過流或短路的唯一原因，只能是二條支路上出現(xiàn)過電壓損壞電解電容C1-C2和壓敏電阻RV4。而一般壓敏電阻過壓損壞的后果是出現(xiàn)短路的現(xiàn)象居多，開路的較少;電解電容過壓后出現(xiàn)過流、短路、開路的情況均存在。因此，我們?nèi)匀豢梢缘贸鼋Y(jié)論，因過電壓損壞電解電容和壓敏電阻RV4，會引起三相整流二極管的損壞。當Vin≥800Vdc或900Vdc時，就可能損壞電解電容C1和C2。當 Vin≥745Vdc的電壓持續(xù)加在20K550壓敏電阻RV4上一定時間時，或當Vin≥825Vdc的電壓持續(xù)加在20K625壓敏電阻RV4上一定時間時，就會導(dǎo)致RV4的擊穿損壞，出現(xiàn)RV4支路短路。
在線繞電阻RX1-RX3的后級出現(xiàn)大電流或短路的情況下，絕對會對線阻電阻造成損害，嚴重者會導(dǎo)致線繞電阻燒斷。
總之，當輸入供電電壓的直流母線電壓Vin≥Vp=750±50Vdc時，電路會因過電壓面臨損壞風(fēng)險。
2.配變電壓器非全相投入產(chǎn)生的暫時過電壓是造成終端損壞的主要原因之一
(1)供電線路的過電壓及其一般特點
一般地，供電線路的過電壓分為外部過電壓和內(nèi)部過電壓。雷擊過電壓為外部過電壓，對于電網(wǎng)自身參數(shù)發(fā)生變化產(chǎn)生的過電壓，稱為內(nèi)部過電壓。雷擊過電壓會造成終端損壞是毋庸置疑的。
內(nèi)部過電壓分為操作過電壓和暫時過電壓。操作過電壓主要是指投切配電設(shè)施產(chǎn)生的過電壓，它的特點是在工頻電壓分量上疊加一高頻衰減振蕩波，或者疊加一非周期性的沖擊波，幅值會是工頻電壓的二倍甚至三倍，持續(xù)時間短，一般不大于0.1s。暫時過電壓分為工頻電壓升高和諧振過電壓，它的特點是工頻電壓或疊加在工頻電壓上的倍頻電壓、分頻電壓會升高，嚴重時會超過額定電壓的一倍，持續(xù)時間可能較長，尤其是出現(xiàn)基波鐵磁諧振時，幅值可能相當大。
不管是外部過電壓，還是內(nèi)部過電壓，一旦其幅度和持續(xù)時間達到一定水平時，肯定會對終端造成損害。
(2)配電變壓器非全相空載投入產(chǎn)生暫時過電壓機理分析
配電變壓器非全相空載投入是指變壓器處于空載時，一次側(cè)A、B、C三相開關(guān)投入不同步，導(dǎo)致變壓器在一定時間內(nèi)處于非全相運行。斷路器開關(guān)的三相不同步投入和三相零克的不同時投入是客觀存在的，尤其是后者在現(xiàn)實中普遍存在，并且操作極為不規(guī)范，出現(xiàn)配電變壓器非全相空載投入的現(xiàn)象相當普遍。
1) 配電變壓器非全相空載投入會導(dǎo)致低壓側(cè)電壓一相相電壓是正常值電壓，另二相的相電壓均為正常值的一半，方向一致，但與正常電壓值相的方向剛好相反。
如圖2，假如我們先投入零克B，然后投零克C，過一定時間后再投零克A，換言之，在一段時間內(nèi)讓A相處于缺相狀態(tài)。
對于普遍使用的△/Y0-11方式聯(lián)結(jié)的配電變壓器，我們不難作出此時的電壓相量圖為圖3。從相量圖上得知，配電變壓器在斷A相空載投入時，會導(dǎo)致低壓側(cè)相電壓Ub是正常值電壓，另二相Ua和Uc的相電壓均為正常值的一半，且Ua和Uc方向一致，但與Ub相的方向剛好相反。假設(shè) Ub=Umsinωt，則Ua=Uc=0.5Umsin(ωt+π),圖4是此時的低壓側(cè)各相電壓的波形圖。
圖3：配電變壓器低壓側(cè)電壓相量圖
圖4：低壓側(cè)各相電壓的波形圖
2) 空投變壓器產(chǎn)生的勵磁涌流含有二次諧波和三次諧波，在非全相投入時，產(chǎn)生的諧波會出現(xiàn)在低壓側(cè)，出現(xiàn)暫時過電壓。
配電變壓器投入時產(chǎn)生的勵磁涌流持續(xù)時間較長，從數(shù)十個電源周期到數(shù)十秒不等。勵磁涌流的幅度與變壓器的二次負荷無關(guān)，但持續(xù)時間與二次負荷有關(guān)。因此，空載投入時，勵磁涌流持續(xù)的時間要長些。
產(chǎn)生勵磁涌流時，會產(chǎn)生大量的奇次和偶次諧波，但以二次和三次為主。低壓側(cè)二次諧波的幅度可以達到基波的30%-50%，三次諧波的幅度可以達到基波的50%。假設(shè)幅值均達到基波的50%，則考慮高壓側(cè)A相缺相和二種諧波后的低壓側(cè)b相、a相和c相的電壓為：
Ub=Umsinωt+0.5Umsin(2ωt+φ1)+0.5Umsin(3ωt+φ2)
Ua=Uc=0.5Umsin(ωt+π)+0.25Umsin(2ωt+φ1+π)+0.25Umsin(3ωt+φ2+π)
當φ1=-π/2、φ2=-π時，上式的最大值可以達到最大，此時的合成波輸出波形如圖5所示。
圖5：含有二、三次諧波分量的合成電壓波形圖
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