表計(jì)型電力用戶用電信息采集終端運(yùn)行損壞故障分析

引言

國(guó)家電網(wǎng)公司于2009年首次公布了智能電網(wǎng)發(fā)展計(jì)劃，隨著近年智能電網(wǎng)建設(shè)不斷地推進(jìn)，電力用戶用電信息采集系統(tǒng)已經(jīng)在全國(guó)廣泛應(yīng)用。僅從2013年國(guó)家電網(wǎng)公司的招標(biāo)結(jié)果來(lái)看，Ⅲ型專變采集終端共招了87萬(wàn)多臺(tái)、I型集中器共招了122萬(wàn)多臺(tái)。多年來(lái)，國(guó)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(biāo)數(shù)量都是很大的，因此有大量的這二類的表計(jì)型終端在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。

表計(jì)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(jià)比高，比線性電源有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，越來(lái)越受到設(shè)計(jì)人員的青睞，在表計(jì)型終端中的使用量呈逐年上升趨勢(shì)。但是，自從表計(jì)型終端使用開關(guān)電源以來(lái)，在全國(guó)范圍內(nèi)也陸續(xù)出現(xiàn)了一定數(shù)量的表計(jì)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(lái)看，表計(jì)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(jì)型終端供電部分的損壞還很嚴(yán)重。當(dāng)然，終端供電部分的損壞也會(huì)導(dǎo)致其它方面的損壞，同樣地，終端其它方面的損壞也會(huì)導(dǎo)致供電部分的損壞。

多年來(lái)，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(zhēng)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(gè)典型的爭(zhēng)論例子，在同一現(xiàn)場(chǎng)，在多數(shù)情況下，為什么終端供電部分電路會(huì)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(dú)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?；诖耍覀冇斜匾芯繉?dǎo)致這類終端供電部分損壞的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以期解決困擾行業(yè)多年的問題，加強(qiáng)終端運(yùn)行的可靠性，具有很迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

一、現(xiàn)場(chǎng)終端及使用環(huán)境

1.現(xiàn)場(chǎng)終端介紹

表計(jì)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(hù)部分、電源部分和交采部分。對(duì)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(jiǎn)圖。圖中注明了關(guān)鍵器件的參數(shù)。

輸入保護(hù)電路是為了防止浪涌過電壓的侵害。前級(jí)輸入保護(hù)電路由壓敏電阻RV1-RV3和限流線繞電阻RX1-RX3組成，后級(jí)輸入保護(hù)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(hù)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(jiǎn)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(chǎng)接線示意圖。

圖2：220Vac/380Vac三相四線供電終端現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(shí)損壞居多，尤以配電變壓器一次側(cè)開關(guān)為零克時(shí)為甚;少部分損壞發(fā)生在10KV配電線路停電后再次送電時(shí);還有少部分損壞發(fā)生在電網(wǎng)和設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)。

3)一般終端損壞部位出現(xiàn)在輸入進(jìn)線接線柱、輸入導(dǎo)線、前級(jí)輸入保護(hù)部分、三相全波整流二極管、后級(jí)輸入保護(hù)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(shí)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(huì)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(huì)掀開終端的表蓋，導(dǎo)致整個(gè)終端報(bào)廢，更為嚴(yán)重的會(huì)撞碎表計(jì)柜。

三、終端損壞機(jī)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(lái)看，作為電氣設(shè)備的終端被電損傷，歸根到底還是因?yàn)槭┘釉诮K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(gè)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(jì)值是否在額定工作范圍內(nèi)，再來(lái)考慮極端條件下元件的工作情況。

對(duì)于額定電壓220/380Vac的三相四線輸入，考慮實(shí)際輸入電壓高于額定電壓25%，那么實(shí)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(jì)功率為10-15W，終端實(shí)際額定功率不到10W，瞬時(shí)功率不到15W。綜合上面所述的器件的參數(shù)來(lái)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(biāo)而損壞的前提是該元件后接的器件或負(fù)載產(chǎn)生的電流過大，超過了設(shè)計(jì)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(hù)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(fù)載因素的影響。

那么，會(huì)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(jì)的開關(guān)電源輸入過壓保護(hù)電路的保護(hù)點(diǎn)為Vp=750±50Vdc，也就是說當(dāng)輸入直流母線電壓Vin超過Vp值時(shí)，開關(guān)管會(huì)處于關(guān)斷保護(hù)狀態(tài)，但是，當(dāng)開關(guān)MOS管上出現(xiàn)大于或等于最大額定耐壓值時(shí)，即Vin≥900V或1000V時(shí)，可能會(huì)損壞開關(guān)MOS管。開關(guān)MOS管損壞一般會(huì)引起開關(guān)管T1短路。

對(duì)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(chǎng)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(jí)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(huì)引起三相整流二極管的損壞。當(dāng)Vin≥800Vdc或900Vdc時(shí)，就可能損壞電解電容C1和C2。當(dāng) Vin≥745Vdc的電壓持續(xù)加在20K550壓敏電阻RV4上一定時(shí)間時(shí)，或當(dāng)Vin≥825Vdc的電壓持續(xù)加在20K625壓敏電阻RV4上一定時(shí)間時(shí)，就會(huì)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(jí)出現(xiàn)大電流或短路的情況下，絕對(duì)會(huì)對(duì)線阻電阻造成損害，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致線繞電阻燒斷。

總之，當(dāng)輸入供電電壓的直流母線電壓Vin≥Vp=750±50Vdc時(shí)，電路會(huì)因過電壓面臨損壞風(fēng)險(xiǎn)。

2.配變電壓器非全相投入產(chǎn)生的暫時(shí)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(diǎn)

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(duì)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(huì)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(shí)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(diǎn)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(huì)是工頻電壓的二倍甚至三倍，持續(xù)時(shí)間短，一般不大于0.1s。暫時(shí)過電壓分為工頻電壓升高和諧振過電壓，它的特點(diǎn)是工頻電壓或疊加在工頻電壓上的倍頻電壓、分頻電壓會(huì)升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)超過額定電壓的一倍，持續(xù)時(shí)間可能較長(zhǎng)，尤其是出現(xiàn)基波鐵磁諧振時(shí)，幅值可能相當(dāng)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(shí)間達(dá)到一定水平時(shí)，肯定會(huì)對(duì)終端造成損害。

(2)配電變壓器非全相空載投入產(chǎn)生暫時(shí)過電壓機(jī)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(shí)，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(shí)間內(nèi)處于非全相運(yùn)行。斷路器開關(guān)的三相不同步投入和三相零克的不同時(shí)投入是客觀存在的，尤其是后者在現(xiàn)實(shí)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(dāng)普遍。

1) 配電變壓器非全相空載投入會(huì)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(shí)間后再投零克A，換言之，在一段時(shí)間內(nèi)讓A相處于缺相狀態(tài)。

對(duì)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(shí)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(shí)，會(huì)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(shí)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(lì)磁涌流含有二次諧波和三次諧波，在非全相投入時(shí)，產(chǎn)生的諧波會(huì)出現(xiàn)在低壓側(cè)，出現(xiàn)暫時(shí)過電壓。

配電變壓器投入時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從數(shù)十個(gè)電源周期到數(shù)十秒不等。勵(lì)磁涌流的幅度與變壓器的二次負(fù)荷無(wú)關(guān)，但持續(xù)時(shí)間與二次負(fù)荷有關(guān)。因此，空載投入時(shí)，勵(lì)磁涌流持續(xù)的時(shí)間要長(zhǎng)些。

產(chǎn)生勵(lì)磁涌流時(shí)，會(huì)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(dá)到基波的30%-50%，三次諧波的幅度可以達(dá)到基波的50%。假設(shè)幅值均達(dá)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(dāng)φ1=-π/2、φ2=-π時(shí)，上式的最大值可以達(dá)到最大，此時(shí)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