開關電源的故障分析及處理措施

韋嘉 蘇林

（重慶市電力公司市區供電局檢修公司，重慶 400050）

引言

近年來，停電事故的后果日益嚴重，大型停電事故主要是由連鎖故障引起的。如1996年7月美國西部電網(wscc)和1998年6月美國中部大陸電網(MAPP)解列事故，2003年8月美、加大停電事故、2003年的英國倫敦大停電等。而造成這些大規模停電事故的罪魁禍首正是繼電保護系統的隱性故障降引，有資料表明世界上大約有75%的大的停電事故都和保護系統的不正確運作有關，繼電保護的隱性故障已經成為電力災難性的一種機理。

1 繼電保護隱性故障

繼電保護隱性故障是指系統正常運行時對系統沒有影響的故障，而當系統某些部分發生變化時，這種故障就會被觸發，從而導致大面積故障的發生。隱性故障在系統正常運行時是無法發現的，但是一旦有故障發生，繼電器正確切除故障后，電力系統潮流重新分配，在這樣的運行狀態下就可能會使帶有隱性故障的保護系統誤動作。從而有可能造成連鎖故障，擴大事故范圍。

2 開關電源工作原理

用半導體功率器件作為開關，將一種電源形態轉變為另一形態，用閉環控制穩定輸出，并有保護環節的模塊，叫做開關電源。

高壓交流電進入電源，首先經濾波器濾波，再經全橋整流電路，將高壓交流電整流為高壓直流電；然后由開關電路將高壓直流電調制為高壓脈動直流；隨后把得到的脈動直流電，送到高頻開關變壓器進行降壓，最后經低壓濾波電路進行整流和濾波就得到了適合裝置使用的低壓直流電。

電源工作原理框圖如圖1所示。

圖1 開關電源原理圖

3 故障現象分析

由于繼電保護用開關電源功能要求較多，需考慮時序、保護等因素，因此開關電源設計中的故障風險較高。另外供電保護裝置又較民用電器工作條件苛刻，影響繼電保護開關電源的安全運行。本文著重分析了兩種因設計缺陷而造成故障的開關電源。

3.1 輸入電源波動，開關電源停止工作

3.1.1 故障現象：外部輸入電源瞬時性故障，隨后輸入電壓恢復正常，開關電源停止工作一直無輸出電壓，需手動斷電、上電才能恢復。

3.1.2 故障再現：用繼電保護試驗儀，控制輸入電壓中斷時間，通過便攜式波形記錄儀記錄輸入電壓和輸出電壓的變化。控制輸入電壓中斷時間長短，發現輸出存在如下三種情況：

a)輸入電源中斷一段時間(約 100～200ms)后恢復，此后輸入電壓恢復正常，開關電源不能恢復工作。(此過程為故障情況)，具體時序圖見圖2所示。

圖2 輸入電源中斷一段時間后恢復

b)輸入電壓長時中斷(大于250ms)后恢復，+5V、+24V輸出電壓均消失，此過程與開關電源的正常啟動過程相同。具體時序圖見圖3所示。

c)輸入電壓短暫中斷(小于70ms)后恢復，+5V輸出電壓未消失，而+24V輸出電壓也未消失，對開關電源正常工作沒有影響。具體時序圖見圖4所示。輸入電壓消失時間短暫，由于輸出電壓未出現欠壓過程，電源欠壓保護也不會動作。

圖3 輸入電源長時中斷后恢復

3.1.3 故障分析：要分析此故障，應先了解該開關電源的正常啟動邏輯和輸出電壓保護邏輯。輸入工作電壓，輸出電壓+5V主回路建立，然后由于輸出電壓時序要求，經延時約50ms，+24V輸出電壓建立。

圖4 輸入電源短時中斷后恢復

輸出電壓欠壓保護邏輯為：當輸出電壓任何一路降到20%乩以下時，欠壓保護動作，且不能自恢復。

更改邏輯前，因輸入電壓快速通斷而引起的電源欠壓保護誤動作，其根本原因是延時電路沒有依據輸入電壓的變化及時復位，使得上電時的假欠壓信號得不到屏蔽，從而產生誤動作，如圖2所示。

3.1.4 解決措施：采取的措施是在保護環節上增加輸入電壓檢測電路，并在延時電容上并接一個電子開關，只要輸入電壓低于定值(開關電源停止工作前的值)，該電子開關便閉合，延時電路復位，若輸入電壓重新上升至該設定值，給保護電路供電的延時電路重新開始延時，電源重啟動時的假欠壓信號被屏蔽，徹底解決了由于輸入電壓快速波動所產生的電源誤保護。從而避免了圖2的情況，直接快速進入重新上電邏輯，此時的輸出電壓建立過程見圖3所示。邏輯回路見圖5所示。

3.1.5 試驗驗證：用繼電保護試驗儀狀態序列模擬輸入電源中斷，用便攜式波形記錄儀記錄輸出電壓隨輸入電壓的變化波形。調整輸入電壓中斷時間，發現調整后的電源僅出現b)、c)兩種情況，不再出現a)即故障情況。

3.2 啟動電流過大，導致供電電源過載告警

3.2.1 故障現象：電源模塊穩態工作電壓為220V，額定功率為20.8W，額定輸出時輸入電流約為130mA。當開關電源輸入電壓緩慢增大時，導致輸入電流激增，引起供電電源過載告警。

3.2.2 故障分析：經查發現輸入電壓為60V時，電源啟動，此時啟動瞬態電流約為200mA，穩態電流為600mA，啟動時穩態電流和瞬態電流將為600士200mA，造成輸出電流激增。而由于條件限制，此電源模塊的供電電源輸出僅為500mA，因此造成供電電源過載。

由于開關電源工作需要一定的功率，設計中由于未考慮到電源啟動時，輸出回路的啟動需要一定的功率，而啟動電壓比較低，所以功率的突增，必然帶來開關電源啟動瞬態電流的激增，電流的激增對供電電源有較大的沖擊。

3.2.3 解決措施：啟動需要的功率一定，如果要減小啟動電流，可以考慮增加啟動電壓的門檻。將開關電源的啟動電壓提高到130～140V。

圖5 增加放電回路后原理圖

3.2.4 試驗驗證：調整開關電源的啟動電壓后，通過試驗儀模擬輸入電壓緩慢啟動。當開關電源在滿載情況下，試驗中緩慢上升輸入電壓(上升速率 5V／s或 10v／s)，從 0～130V 啟動，啟動時穩態電流降低到200～220mA，穩態電流大約為200士l00mA，因而啟動時穩態電流和瞬態電流將為400士loon迭，啟動電流較改進前減小300nA，不會對供電電源造成太大的沖擊。可有效避免輸入電壓瞬間降低時，給整個供電回路造成較大的電流沖擊。

結束語

從以上問題分析可知，開關電源設計時，需要關注電能變換的各個環節，開關電源的輸出電壓建立和消失時序和電源的保護功能，是緊密聯系的，當其中的某一環節存在缺陷時，開關電源就不能正常工作。因此在開關電源設計前，應重點進行兩種工作：

考慮諸如此類的問題，如啟動功率一定時，啟動電壓門檻過低，會產生輸出電流瞬態突增的現象。

在設計后盡可能依據繼電保護用開關電源行標，經專業測試部門驗證。從而設計出穩定可靠的開關電源。

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