史春旻，鮑有理，仲偉寬，孫天宇，朱嬋霞，張 瑋

（1.無錫供電公司，江蘇 南京 214000； 2.國(guó)電南自，江蘇 南京 211100）

0 引 言

自1998年開始，微機(jī)保護(hù)開始在蘇南地區(qū)推廣使用，隨著技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)保護(hù)的各項(xiàng)功能都得到了加強(qiáng)和完善，到目前為止幾乎完全取代了傳統(tǒng)的電磁型保護(hù)。雖然微機(jī)保護(hù)相對(duì)于電磁型保護(hù)來說優(yōu)點(diǎn)很多，但是其使用壽命僅有12年左右，比電磁型保護(hù)短很多［1］，而微機(jī)保護(hù)開關(guān)電源模件的壽命更短，且各主流廠家生產(chǎn)或提供的開關(guān)電源壽命差異較大，部分廠家的開關(guān)電源可使用12年以上，而有些廠家的開關(guān)電源僅僅能使用6年左右。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和檢修的經(jīng)驗(yàn)來看，在繼電保護(hù)的各類缺陷中，電源模件損壞占比較大，無錫地區(qū)2012年統(tǒng)計(jì)的繼電保護(hù)缺陷數(shù)據(jù)顯示，2012年保護(hù)裝置的各類缺陷中，開關(guān)電源故障占比為34.46%，已成為影響繼電保護(hù)裝置正常運(yùn)行的主要缺陷之一。

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，它負(fù)責(zé)將站用220 V直流轉(zhuǎn)換成供微機(jī)保護(hù)CPU使用的5 V和繼電器使用的24 V直流［1］。而繼電保護(hù)開關(guān)電源的好壞直接影響到保護(hù)裝置動(dòng)作的可靠性，當(dāng)電源模件損壞時(shí)，微機(jī)保護(hù)所有功能都將缺失，這給電網(wǎng)的安全帶來很大的隱患。

本研究將探討如何在微機(jī)保護(hù)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開關(guān)電源的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)電源性能下降時(shí)，及時(shí)提供報(bào)警信息，提醒檢修人員及時(shí)更換。同時(shí)，監(jiān)測(cè)的結(jié)果可完整地保存下來，為今后的開關(guān)電源設(shè)計(jì)提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 開關(guān)電源故障分析

1.1 開關(guān)電源故障率狀態(tài)分析

實(shí)踐證明開關(guān)電源的故障率是時(shí)間的函數(shù)，遵循浴盆曲線（Bathtub curve，失效率曲線）的規(guī)律［2］，失效率曲線如圖1所示。

圖1 失效率曲線

曲線的形狀呈兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為3個(gè)階段:早期失效期，偶然失效期，耗損失效期。浴盆曲線是指產(chǎn)品從投入到報(bào)廢為止的整個(gè)壽命周期內(nèi)，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律，如果取產(chǎn)品的失效率作為產(chǎn)品的可靠性特征值，則它是以使用時(shí)間為橫坐標(biāo)、以失效率為縱坐標(biāo)的一條曲線。

早期失效期:是由于在設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、制造工藝中存在缺陷或由于嚴(yán)重的使用不當(dāng)而造成產(chǎn)品失效的階段。由于微機(jī)保護(hù)出廠時(shí)已經(jīng)完成拷機(jī)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)該階段失效的概率很低。

偶然失效期:這是一個(gè)隨機(jī)的失效階段，這種失效與工作環(huán)境有關(guān)，與工作時(shí)間關(guān)系不大。這一時(shí)期是產(chǎn)品的良好使用階段，偶然失效主要是由質(zhì)量缺陷、材料弱點(diǎn)、環(huán)境和使用不當(dāng)?shù)纫蛩匾?。該階段的失效概率很低。

耗損失效期:該階段，元件的性能急劇惡化，失效率隨時(shí)間而上升。主要由磨損、疲勞、老化和耗損等原因造成。微機(jī)保護(hù)開關(guān)電源在該階段損壞的概率上升很快，需要及時(shí)更換。

要研究開關(guān)電源是否進(jìn)入耗損失效期以及進(jìn)入耗損失效期的條件，就需要從開關(guān)電源的組成和結(jié)構(gòu)開始研究。

1.2 開關(guān)電源結(jié)構(gòu)分析

開關(guān)電源是開關(guān)穩(wěn)壓電源的簡(jiǎn)稱，它采用脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)、控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)整輸出電壓［3］。其工作頻率一般在20 kHz～500 kHz范圍之內(nèi)（典型開關(guān)頻率為150 kHz），效率可達(dá)65%～85%。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOS?FET構(gòu)成。

繼電保護(hù)開關(guān)電源一般為DC/DC開關(guān)電源，由于微機(jī)保護(hù)裝置的運(yùn)行功率較低，一般使用小功率反激式DC/DC轉(zhuǎn)換電源。反激式開關(guān)電源即:開關(guān)穩(wěn)壓器將一輸入電壓變換成一較低的穩(wěn)定反相輸出電壓。其原理圖如圖2所示［4］。

圖2 反激式DC/DC開關(guān)電源簡(jiǎn)化等效電路圖

其中，變壓器T1起隔離、傳遞、儲(chǔ)存能量的作用，即在開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)Np儲(chǔ)存能量，開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)Np向Ns釋放能量。在輸出端加有電感器L0和電容C0組成的低通濾波器，變壓器初級(jí)Cr、Rr和VDr，組成的RCD漏感尖峰吸收電路［4］。其優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于200 W以下的小功率電源，且多路輸出交調(diào)特性相對(duì)較好。

1.3 開關(guān)電源元器件分析

開關(guān)電源由多種元器件構(gòu)成，其中易老化的關(guān)鍵元器件主要為電解電容、光耦和粉芯磁件。

（1）電解電容。電解電容中的電解液易揮發(fā)，長(zhǎng)期運(yùn)行后存在電容值降低、等效串聯(lián)電阻上升等老化現(xiàn)象，從而影響電源產(chǎn)品的性能，最終導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品失效［5］。

（2）光耦。光耦一般應(yīng)用在控制回路中作為線性隔離器件。老化時(shí)電流傳輸比降低，導(dǎo)致電源環(huán)路增益下降、環(huán)路不穩(wěn)等，使得產(chǎn)品失效。

（3）粉芯磁件。粉芯磁件由鐵粉通過有機(jī)膠粘合壓制而成，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，使得有機(jī)粘合老化嚴(yán)重時(shí)，會(huì)出現(xiàn)磁損巨增、磁芯飽和等問題，可能引起由電感導(dǎo)致的燒機(jī)的安全隱患。

一般而言在開關(guān)電源元器件中，電解電容為壽命最短的元器件，所以電解電容在電源產(chǎn)品的壽命中是關(guān)鍵性的一個(gè)環(huán)節(jié)。

通過對(duì)開關(guān)電源電解電容、輸出紋波、電壓的監(jiān)測(cè)，能達(dá)到監(jiān)測(cè)開關(guān)電源運(yùn)行狀態(tài)和性能的目的。

2 開關(guān)電源實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)算法研究

2.1 開關(guān)電源理論壽命折算評(píng)估法

開關(guān)電源的壽命主要由電容的壽命決定，通過估算電容的壽命，可以大致了解電容的壽命。

電解電容的理論壽命公式［6］為:

式中:L—電容壽命時(shí)間，L0—電容理論壽命，T—電容實(shí)際使用溫度，T0—電容標(biāo)識(shí)溫度。

L0、T0由生產(chǎn)廠商提供。

首先，引入電容的耗損量公式，電容的耗損量是時(shí)間和溫度的函數(shù):

式中:W(t)—電容的損耗量；t—時(shí)間變量；T(t)—溫度變量，其中溫度又是時(shí)間的函數(shù)。

根據(jù)電容理論壽命公式可以推導(dǎo)出電容耗損量公式:

式中:W(t)—電容的損耗量，t—時(shí)間變量，L0—電容理論壽命，T0—電容標(biāo)識(shí)溫度，T—電容實(shí)際使用溫度。

考慮適當(dāng)?shù)脑６?，?dāng)電容的耗損量達(dá)到85%時(shí)，認(rèn)為開關(guān)電源進(jìn)入耗損失效期。

2.2 輸出紋波判別法

DC/DC開關(guān)電源輸出為直流量，直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波。

實(shí)際運(yùn)行中的開關(guān)電源紋波如圖3所示。

圖3 開關(guān)電源輸出紋波示意圖

開關(guān)電源的輸出紋波和輸出濾波電容有很大的關(guān)系［7］。當(dāng)輸出濾波電路的電容量下降時(shí)，輸出電壓中的紋波含量將上升。

本研究對(duì)國(guó)內(nèi)著名繼電保護(hù)廠家國(guó)電南自的PSL641U保護(hù)裝置電源模塊進(jìn)行紋波分析實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示:當(dāng)電容正常工作時(shí)，紋波幅值小于10 mV。當(dāng)電容損耗容值下降50%時(shí)，紋波擴(kuò)大接近1倍。當(dāng)電容徹底損壞，紋波的幅值已經(jīng)大幅度增加達(dá)到100 mV以上。

上述實(shí)驗(yàn)表明，可以根據(jù)諧波增大的程度，判別開關(guān)電源是否進(jìn)入耗損失效期。而且，隨著電容量耗盡，開關(guān)電容的輸出紋波明顯增加。

在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，由于開關(guān)電源輸出電壓中的諧波比較復(fù)雜，如果采用輸出諧波判別法對(duì)開關(guān)電源的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，還需要結(jié)合開關(guān)電源的實(shí)際結(jié)構(gòu)、電源的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境等因素進(jìn)行綜合分析評(píng)估。

本研究通過實(shí)時(shí)地對(duì)開關(guān)電源的交流均方根值進(jìn)行記錄，構(gòu)建紋波的變化趨勢(shì)圖，可以做到預(yù)測(cè)電源的失效時(shí)間。

2.3 輸出電壓判別法

由圖3可以看出，忽略紋波后，開關(guān)電源的輸出也不會(huì)是一條水平直線，輸出電壓將會(huì)呈現(xiàn)周期性或隨機(jī)性的漂移和擺動(dòng)。

根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司DL/T527-2002《靜態(tài)繼電保護(hù)裝置逆變電源技術(shù)條件》規(guī)定，5 V、24 V的電壓波動(dòng)范圍為［8］:

當(dāng)開關(guān)電源輸出電壓超出上述范圍持續(xù)一段時(shí)間時(shí)，即可判斷開關(guān)電源性能異常。

3 開關(guān)電源實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)硬件

3.1 溫度采集電路設(shè)計(jì)

根據(jù)式（3）可知，需要監(jiān)測(cè)開關(guān)電源運(yùn)行中的溫度，才能獲得開關(guān)電源的耗損量。

通過在開關(guān)電源電路板的關(guān)鍵部位，預(yù)埋Pt100 RTD測(cè)溫電阻，可以精確獲得需要采集的溫度。

鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器，由于其測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛用于中溫（-200 ℃～650 ℃）范圍的溫度測(cè)量中［9］。

通過應(yīng)用三線制接法能準(zhǔn)確地測(cè)量Pt100電阻值，其優(yōu)點(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。

3.2 紋波采集電路設(shè)計(jì)

紋波采集電路和示波器電路設(shè)計(jì)類似，其典型的電路如圖4所示。

圖4 紋波采集電路流程圖

輸入的電壓信號(hào)經(jīng)耦合電路后送至前端放大器，前端放大器將信號(hào)放大，以提高示波器的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。放大器輸出的信號(hào)由取樣/保持電路進(jìn)行取樣，并由A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，信號(hào)變成了數(shù)字形式存入存儲(chǔ)器中［10］，微處理器對(duì)存儲(chǔ)器中的數(shù)字化信號(hào)波形進(jìn)行相應(yīng)地處理，并顯示出來。這就是數(shù)字存儲(chǔ)示波器的工作過程?？傮w上說，采集開關(guān)電源紋波的處理方法幾乎等同于示波器處理流程。

但是對(duì)紋波采集的要求又不同于示波器:開關(guān)電源的紋波頻率一定，采集需要的截止頻率有限，僅僅需要采集150 kHz頻率的PWM信號(hào)紋波；無需還原紋波的上升沿、下降沿時(shí)間，只需知道紋波大小即可；頻譜分析只需計(jì)算總的諧波含有率；電源故障的特征較長(zhǎng)，對(duì)刷新率要求不高，對(duì)處理器的運(yùn)算速度要求低。

經(jīng)選擇，國(guó)電南自原有線路保護(hù)中使用的CPU，ST意法半導(dǎo)體Cortex-M4核心的STM32F4ZET6可以很好地滿足需求，3個(gè)獨(dú)立的12位ADC，采樣率高達(dá)2.4 Msps，支持3個(gè)ADC交錯(cuò)采樣，最高實(shí)現(xiàn)7.2 sps的采樣率，可以很好地完成對(duì)開關(guān)電源紋波的采樣；自帶10/100 M以太網(wǎng)MAC，能可靠完成設(shè)備對(duì)外的通信任務(wù)，支持DSP指令，對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算操作有更快的硬件運(yùn)算部件支持。硬件總體設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 紋波采集電路框圖

4 開關(guān)電源在線監(jiān)測(cè)前景分析

CPU-STM32F4ZET6為高集成度單芯片設(shè)計(jì)，具有很高的性價(jià)比。通過在微機(jī)保護(hù)中增加一塊診斷插件來完成在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任務(wù)，不影響保護(hù)裝置其他功能的正常運(yùn)行，總體硬件的成本可控，同時(shí)又能很好地滿足技術(shù)參數(shù)要求，具有很好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

未來該系統(tǒng)可逐步增加其他監(jiān)測(cè)功能和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使整個(gè)監(jiān)測(cè)回路更加完善，能促進(jìn)繼電保護(hù)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語

本研究根據(jù)微機(jī)型繼電保護(hù)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，從開關(guān)電源是其性能的薄弱點(diǎn)出發(fā)，分析了開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)，最后設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件和硬件，完成對(duì)開關(guān)電源運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視。該硬件已開始在變電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，且運(yùn)行情況良好。

本研究提出的監(jiān)測(cè)方法，手段尚比較單一，監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少，未來還需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行升級(jí)和擴(kuò)充，使監(jiān)測(cè)功能更加全面完整，并提高準(zhǔn)確率。

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