連退生產線直流穩壓電源的預防性管理

劉 進，張戰果，陳曉偉，張振國

（武漢鋼鐵有限公司冷軋總廠；湖北武漢 430082）

0 引言

帶鋼通過清洗后，不間斷地進入爐內進行工藝退火，然后平整、剪邊、涂油變成最終成品。連退生產線對于設備的穩定性和可靠性要求非常高。連退生產線如果出現突發性故障停機，極易導致爐內帶鋼高溫變形瓢曲，造成較大的經濟損失。

直流穩壓電源通常給電氣柜中的精密儀器儀表、PLC 及變頻設備供電。一旦出現直流穩壓電源供電故障，多數會導致生產線直接停機，爐內被迫降溫拖出廢帶鋼。出于成本考慮，連退線的大部分直流供電線路都沒有做冗余設計。因而在日常維護過程中，對直流穩壓電源的健康預測和提高事故防范能力非常重要。

1 直流穩壓電源的元器件分析

直流穩壓電源通常由以下幾個部分組成：抗干擾電路、功率變換、整流濾波、脈寬調制電路、穩壓電路、保護電路等。常用電器元件包括：變壓器、電解電容、二極管、MOS 管、控制芯片、集成穩壓器、電位器等。其中最易發生損壞的是電解電容、二極管和MOS 管，其次是電位器、變壓器。

電解電容是電子設備中最容易老化失效的元件，也是直流穩壓電源中最易發生故障的元件。電解電容長期在高頻率的狀態下工作，其內部的電解液會逐漸消耗，從而使電容的容量下降。實驗證明，環境溫度每升高10 ℃，電容的壽命便會減半。根據電容器等效串聯電阻模型電壓的變化和電容器穩態輸出電壓的變化，進行的預測濾波電容器老化實驗表明：電容正常狀態、老化臨界狀態和故障狀態，三種狀態的轉化在其老化過程中有一定趨勢性，并有相對較大的觀察空間。二極管和MOS 管比電解電容相對抗老化，壽命也更持久。MOS 管較易受外界高壓干擾的影響，二極管的劣化則主要與電流和溫度有關。

電源中元器件的突發性失效問題屬于隨機產生的問題，預知元器件突發性失效問題非常困難。但電子元器件的自然老化和環境劣化會有一個隨時間變化的周期。最有效的方法就是進行嚴格的周期性點檢，輔以專業技術知識，從直流穩壓電源表現出的各種跡象對其運行情況進行預判。

2 直流穩壓電源的點檢方法

直流穩壓電源檢測的有效手段包括：①紅外熱成像技術。通過紅外熱成像儀可以探測到直流穩壓電源中，溫度較高的元件。從而判斷出直流穩壓電源的運行狀態；②X 射線檢測。通過透視檢查，觀察電源內部元件及焊點是否良好；③電子顯微鏡檢測。通過放大倍數觀察，可以清楚看到內部元件表面缺陷。

后兩種檢測對設備要求較高，僅適用于實驗室，并不適合現場點檢，而且連退機組缺乏停電檢測的條件。紅外線熱成像儀檢測非常有效，可以帶電檢測。但對于現場設備人員來說，紅外線熱成像儀器較為貴重，不能夠完全普及。在直流穩壓電源帶電的情況下，僅憑五感是難以判斷直流電源運行狀況的?，F場最常見的點檢工具是萬用表和點溫槍。所以定期檢測直流穩壓電源的輸出電壓和運行溫度是預測電源故障唯一可行的手段。

在點檢過程中，僅憑單獨的時間點數據難以判斷電源健康狀況優劣，必須根據運行點檢記錄進行對比和趨勢分析。若點檢發現以下幾種運行趨勢，則是電源老化或劣化的先兆，必須引起注意。

（1）輸出電壓變低。出現此情況，首先考慮交流輸入電壓是否過低，從而導致整流濾波電路的工作電壓不夠，或者電路中增加了負載，超出了直流穩壓電源的負荷能力。如果檢測兩者均正常，則有可能是負載電路過流、整流輸出電路中的二極管、濾波電容發生老化。

（2）輸出電壓變高。有可能是脈寬調制電路出現問題，振蕩定時電容的容量下降。整流二極管開路、濾波電容開路等。

（3）輸出電壓不穩定。需要檢查基準采樣電路和穩壓反饋電路，有可能是這兩部分的電容器、MOS 管、整流器、電位器等出現了老化降級。

（4）長期運行溫度過高。運行溫度過高會加速電源內電氣元件的老化，影響最大的是電解電容，其次是變壓器線圈以及電源的絕緣性能，二極管、MOS 管的壽命也會受到影響。

3 直流電源的預防性管理

對于直流電源電路的設備管理，必須要做的事情包括以下3 點。

（1）確認全線每個直流電源所帶的負載是否合適。電源負載分為純電阻性負載、線性負載、非線性負載。如果不是純電阻性負載，歐姆定律不一定適用。因此在計算直流電源負載的時候，準確的方法是測量電源工作時的輸出電流和電壓，直接利用P（功率）=U（電壓）×I（電流）的常用功率公式進行推算。直流穩壓電源所帶負載最好不要超過其額定負載的70 %。

（2）確保直流穩壓電源的良好工作環境。粉塵和高溫是直流穩壓電源最大的殺手。一個相對防塵并且通風的環境有利于延長直流穩壓電源的使用壽命。直流電源的工作溫度范圍可以參照電源的產品手冊，以常見的西門子SITOP 電源為例，最高工作溫度為70 ℃。如果日常點檢發現電源工作溫度接近這個數值，必須立即尋找方法給電源降溫，并提高點檢頻率，隨時觀察電源健康狀況。

（3）定期點檢。建立直流穩壓電源的運行檔案進行趨勢分析。部分直流穩壓電源的輸出電壓是可以調節的。對于連續運行機組來說，頻繁調節輸出電壓不利于觀察電源運行的歷史趨勢。故除了電源初次上機時對輸出電壓進行校準之外，不建議在運行過程中，對直流穩壓電源的輸出電壓進行調節。

初次定期點檢的頻率建議每月一次。三個月后，可根據點檢數據庫進行動態調整。對于工作環境比較惡劣、輸出電壓有變化的電源增加點檢頻率，高溫暴雨季節增加點檢頻率。工作環境好，輸出穩定的電源，可適當降低點檢頻率。簡單地說，決定點檢頻率的依據是：①線路的重要性；②工作環境的優劣；③前期的點檢狀況。

以初次安裝時輸出電壓校準為24 V 的西門子SITOP 電源為例，若電源出現以下三種情況，建議做預防性更換。①輸出電壓呈逐步降低趨勢或已降至＜23.5 V；②輸出電壓呈逐步升高趨勢或已升至＞25 V；③測量時發現電源輸出電壓跳動且波動值>0.1 V。

對于預防性維護更換下來的直流穩壓電源，可以打開外殼進行功能性檢測，決定是否進行修復或直接廢棄。檢測元器件狀況尚好的電源，可以重新校準輸出電壓后，置換在不太重要的線路上繼續使用。

4 結束語

對于連退生產線這種不能故障停機的機組，供電線路的安全性和穩定性始終是第一位。電氣元件的突然性失效固然難以預知，但直流穩壓電源的老化或者劣化有一定的時間周期，可以通過測量輸出電壓和溫度的方法，預知其健康狀況。加強定期點巡檢，做好設備檔案記錄，及時利用檢修時間進行預防性更換，是目前行之有效的設備管理方案。