繼電保護裝置電源插件失效應對措施

周治伊 李新文 崔力心 倪賽賽 王永年

摘 要：繼電保護裝置對電網的穩(wěn)定運行起到了關鍵作用，而電壓插件失效是繼電保護裝置運行不穩(wěn)定的主要原因。本文通過對電源插件失效情況、工作原理及電解電容關鍵元件失效成因進行研究，提出電源插件失效的應對措施。

關鍵詞：繼電保護裝置;電源插件失效;電解電容

中圖分類號：TM774 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0038-04

Abstract： Relay Protection Equipment plays a key role in the stable operation of power grid， and the failure of voltage plug-in is the main reason for the unstable operation of relay protection equipment. This paper studies the failure situation， working principle and failure causes of key components of electrolytic capacitor， and put forward the countermeasures for the failure of power plug-in.

Keywords： relay protection equipment;failure of voltage plug-in;electrolytic capacitor

近年來，電網快速發(fā)展，電網設備規(guī)模不斷擴大，省際聯(lián)絡線電磁解環(huán)，電網形態(tài)發(fā)生了根本變化。繼電保護裝置作為保障電網穩(wěn)定運行的關鍵設備，其使用壽命的長短直接影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。而電源插件的產品性能對繼電保護裝置穩(wěn)定可靠運行起著決定性作用。本文通過分析某省公司電源插件失效數(shù)據(jù)，研究導致電源插件失效的主要因素，即關鍵器件失效，并提出電源插件失效的應對措施。

1 電源插件失效情況

某省公司對2017—2019年繼電保護裝置插件失效導致的插件更換進行了統(tǒng)計，結果如表1所示。從表1可知，三年來因電源插件失效引起的插件更換占比為36.1%。

為進一步深入研究電源插件失效與運行年限的關系，統(tǒng)計了更換的失效電源插件的運行年限，如表2所示。

從表2來看，電源插件失效率在時間維度上大致符合浴盆曲線，曲線如圖1所示，縱坐標是失效率，橫坐標是時間。在早期失效期，電源插件失效率較高，但隨著使用時間的延長，失效率快速下降，呈遞減型，這一階段的失效主要是由設計錯誤、工藝不完善、質量不合格等原因引起的。偶然失效期是電源插件的最佳工作狀態(tài)，失效率比較穩(wěn)定，這一階段的失效往往是由偶然原因引起的。損耗失效期是在產品使用后期，在此階段，元件退化，壽命衰竭，故障率上升較快，呈遞增型，這一階段的失效主要是由產品性能劣化或強度退化所引起的。

根據(jù)不完全統(tǒng)計和相關研究[1]，電源插件失效的原因有電解電容失效、三極管失效、二極管失效、電源插件老化和制造加工工藝不良等。其中，電解電容失效是元器件失效的主要原因。為了找到關鍵元器件失效的應對措施，有必要對電源插件的工作原理進行研究。

2 電源插件失效分析

2.1 電源插件工作原理及失效原因

電源插件是繼電保護裝置穩(wěn)定運行的基礎，主要包括濾波器、變壓器、控制單元及半導體開關、輸出整流電路、輸出穩(wěn)壓電路、反饋環(huán)路及電壓監(jiān)測回路，如圖2所示。電源插件將DC 220 V（DC 110 V）電壓變換為5 V、±15 V（±12 V）、24 V三種直流電壓，為保護裝置其余插件提供工作電源。其中，5 V電壓為CPU、存儲芯片、FPGA、ADC、通信等供電，15 V電壓為裝置A/D采樣回路供電，24 V電壓為繼電器工作電壓和裝置24 V開路電壓。

由國內學者的研究可知[2]，電源插件失效主要由電解電容、三極管和二極管等元器件的失效引起，其中，電解電容失效率占失效器件總數(shù)的60%。在25 ℃工作環(huán)境下，與三極管、二極管、感性元件、芯片等關鍵器件相比，電解電容老化速度最快，使用壽命最短。因此，電解電容是影響電源插件使用壽命的關鍵元件。對電解電容失效成因進行研究，有助于了解電源插件失效的關鍵原因，為應對電源插件失效找到合理的措施。

2.2 電解電容失效成因

按失效原因，可將電解電容失效分為兩大類：一類是制造原因引起的失效，該類失效的典型模式有開路、短路兩種;另一類是設備長期運行電解電容劣化引起的失效，主要表現(xiàn)為電容量下降、等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）增大。隨著廠家制造工藝的不斷提高，制造原因引起的失效越來越少，而且此類失效在生產環(huán)節(jié)可通過老化試驗避免;設備長期運行導致電解電容劣化失效是無法避免的，但可以通過檢測和壽命評估及時預警，并采取相應措施避免影響繼電保護裝置穩(wěn)定運行。

電解電容的等效電路模型可用理想電解電容與等效串聯(lián)電阻（ESR）串聯(lián)實現(xiàn)，如圖3所示。圖中[R接]、[R液]、[R紙]分別是導針與鋁箔的接觸電阻、電解液的等效電阻及電解紙的阻值。

電容量C退化減少主要受以下因素影響：①隨著運行時間的增加，電解液不斷揮發(fā)，體積逐漸減小，環(huán)境溫度越高，電解液揮發(fā)越快，電容量減少越明顯;②電源插件經常運行在高頻率下，電解電容逐步變?yōu)楦行裕溆行щ娙萘恐鸩綔p少;③設備運行過程中，電解電容內部發(fā)生的電化學反應修補介質氧化膜，導致氧化膜厚度增加、不平整度降低，進一步劣化了電解電容性能。隨著運行時間的增加，電容量C退化逐步累積，當電容量下降到初始值的60%[時]，可以認為電解電容徹底失效，壽命終止。

等效串聯(lián)電阻（ESR）退化增大主要受以下因素影響：①電解液電阻[R液]是等效串聯(lián)電阻（ESR）的主要成分，隨著運行時間延長，電解液不斷揮發(fā)其黏度逐步增大，導致等效串聯(lián)電阻（ESR）的值不斷增大;②電解電容的紋波電流作用使等效串聯(lián)電阻（ESR）上產生大量熱損耗，引起電解電容內部溫度上升，進一步加快電解液揮發(fā)，電解液黏度逐漸增大，等效串聯(lián)電阻（ESR）隨之增大。當?shù)刃Т?lián)電阻（ESR）增大到初始值的2～4倍時，可以認為電解電容徹底失效，壽命終止。

3 電源插件失效應對措施

通過上文對電源插件工作原理及關鍵元器件電解電容失效成因進行分析，發(fā)現(xiàn)電解電容的壽命與產品性能、環(huán)境溫度、運行時間密切相關。因此，建議從以下幾方面采取應對措施，以降低因電源插件失效帶來的負面影響。

3.1 優(yōu)化元器件選型，提升產品性能，推遲電解電容失效時間

優(yōu)化元器件選型，提升產品性能，推遲電解電容失效時間是應對電源插件失效的根本措施。電解電容劣化失效時間的長短與產品性能密切相關，電解電容越耐高溫、等效串聯(lián)阻抗初始值越低，電解電容失效時間就越往后推，產品使用壽命就越長。因此，可以從兩方面來提升產品性能：一是選用與電源插件配套的耐高溫、低阻抗、長壽命的電解電容;二是在電源插件的部分回路采用固態(tài)電容替換電解電容。

近年來，相關廠家研制出了電導率高、耐腐蝕性強、閃火電壓高和高溫穩(wěn)定性能優(yōu)越的電解液;同時，通過優(yōu)化電解紙、鋁箔選型和改進制造工藝，研制出了可用于105 ℃下、壽命達10 000 h的低阻抗電解電容[3]。隨著此類耐高溫、低阻抗、長壽命的電解電容產品逐漸成熟和大批量推廣應用，二次設備廠家開始選用此類產品來提高電解電容產品性能，推遲電解電容失效時間，延長電源插件使用壽命。

固態(tài)電容采用導電性高分子材料作為介電材料，與電解電容采用電解液作為介電材料相比，產品性能大幅提高，具體如下：導電能力至少提高了2個數(shù)量級，等效串聯(lián)電阻（ESR）大幅降低，溫度特性大為改善，沸點高達350 ℃;固態(tài)電容不會和氧化鋁發(fā)生反應，無爆炸隱患。固態(tài)電容的上述優(yōu)點非常適用于替代電源插件部分回路的電解電容。鑒于目前固態(tài)電容產品耐壓不高（80 V以下），已有廠家將固態(tài)電容用于電源插件的直流輸出回路（5 V、24 V）中，其失效時間明顯比電解電容推后，顯著延長了電源插件的壽命。

3.2 預估電源插件壽命，為應對插件失效提供決策依據(jù)

推廣基于電解電容評估的電源插件壽命評估，可提前預測電源插件使用壽命，為應對可能出現(xiàn)的插件失效采取相應措施提供決策依據(jù)。目前，日本Rubycon、NCC等公司和國內主要電解電容供應商在其產品手冊中提供的壽命預測模型均以阿氏模型為基礎，并考慮環(huán)境溫度、紋波電流的影響。

基于阿氏模型與經驗數(shù)據(jù)，Rubycon公司提供了基于環(huán)境溫度的電解電容壽命預測模型公式[4][：]

同時，基于紋波電流歸一化算法，Rubycon公司提供了內部溫升[Tr]推算公式：

式中：[ ][TR]、[LR]分別是產品手冊給出的電容最高允許工作溫度、電容在溫度[TR]下的特征壽命;[ ][TA]、[LN]分別是電容的實際工作環(huán)境溫度、電容在溫度[TA]下的預測壽命;[Tr0]是與電容類型相關的常數(shù);[kf]是考慮電解電容不同頻率ESR不同，歸一化到標準頻率（如100 Hz）的頻率系數(shù);[Irms]和[Irms0]分別是當前和額定的紋波電流有效值;[2TR-TA10]代表周圍環(huán)境溫度對電容壽命的影響。

在紋波電流一定的情況下，電解電容的工作環(huán)境溫度每下降10 ℃，使用壽命延長1倍;反之，環(huán)境溫度每升高10 ℃，其使用壽命縮短1倍。公式（1）和（2）表明，電解電容使用壽命主要受環(huán)境溫度和紋波電流的影響。環(huán)境溫度越低，紋波電流越小，電解電容的使用壽命就越長。

基于電解電容評估的電源插件壽命評估，能提前預測電源插件壽命，可為電源插件的狀態(tài)監(jiān)測和定期更換提供決策參考，降低電源插件失效帶來的安全隱患。

3.3 改善繼電保護裝置運行環(huán)境，延長電源插件壽命

從上述分析可知，電源插件運行環(huán)境溫度越低，其使用壽命越長、運行越穩(wěn)定。為延長電源插件使用壽命，需要采取相應的措施來改善繼電保護裝置運行環(huán)境，保證外部環(huán)境溫度在25 ℃以下。具體來講，就是在布置保護裝置的繼保室（預制艙）加裝空調，讓環(huán)境溫度維持在25 ℃以下;同時，設計方案時，考慮將能安裝在繼保室的繼電保護裝置盡量安裝在繼保室內;對于設計規(guī)范推薦安裝在高壓開關柜上的低壓保護測控裝置，應在高壓開關室加裝空調，保證高壓開關室溫度維持在合理區(qū)間。

3.4 定期更換電源插件，降低失效隱患

即使是最好的元器件，產品性能也會隨著運行年限的增加而逐步退化。為了使電源插件始終在最佳工作狀態(tài)運行，定期更換電源插件是非常值得推薦的措施。

國家電網公司在不同時期對電源插件定期更換出臺了指導意見。2012年，國家電網公司發(fā)布的《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》（修訂版）第15.5.2條規(guī)定：“配置足夠的保護備品、備件，縮短繼電保護缺陷處理時間。微機保護裝置的開關電源模件宜在運行6年后予以更換。”

隨著二次設備廠商制造能力的提升，繼電保護裝置電源插件的產品性能也在穩(wěn)步提高。雖然2018年發(fā)布的《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》（修訂版）未再明確電源插件的定期更換時間，但從二次設備廠商電源插件生產情況來看，為保證產品穩(wěn)定性和延續(xù)性，廠家對測試定型的電源插件不會輕易改變設計方案和元器件選型。因此，建議電源插件定期更換時間如下：對于2012—2018年間測試定型的電源插件，宜在運行6年后予以更換;對于2018年后測試定型的電源插件，宜在運行7～8年后予以更換;同時根據(jù)廠家推薦的使用壽命、產品實際運行情況和工作環(huán)境的好壞，適當延長或縮短更換年限。

4 結語

本文分析了某省公司電源插件失效數(shù)據(jù)，并在研究導致電源插件失效的關鍵器件失效影響因素的基礎上，提出電源插件失效的應對措施，為提升產品性能和設備定期更換提供參考意見。

參考文獻：

[1]歐陽帆，張亮峰，李剛，等.微機保護裝置逆變電源故障原因分析[J].電力自動化設備，2011（7）：150-153.

[2]杜銀瑜.鋁電解電容失效對DC/DC變換器健康狀況的影響分析[D].北京：首都師范大學，2012：1-86.

[3]趙勇剛，梁秋妮，周慶波.開關電源用高壓鋁電解電容器長壽命技術的研究[J].電子元件與材料，2013（7）：29-33.

[4]俞珊，徐志望，董紀清.開關電源中電解電容壽命預測分析[J].電源學報，2016（6）：87-92.