繼電保護用開關電源的故障與改進措施分析

薛令前，張潤潤

（國網西藏電力有限公司超高壓分公司，西藏 拉薩 850000）

0 引 言

隨著經濟建設的發展，我國城市逐漸崛起，電網成為城市進步的象征要素之一，其規模逐漸擴大，將城市中的電氣設施逐漸融合。根據我國電力系統以往的運行情況來看，存在幾次重大的繼電保護故障問題。以2007 年我國某電網公司的繼電保護故障為例，出現不穩定的情況高達37 次，對部分單位造成嚴重影響。為保證電力系統的穩定運行，針對繼電保護開關電源裝置故障及處理措施的研究很有必要。

1 繼電保護開關電源裝置

在電力系統運行中，繼電保護開關屬于隱形故障，一旦出現問題會導致整個電力系統運行不暢，但想要及時發現隱形故障比較困難，尤其是開關電源模塊，一旦出現故障必然會引發連鎖反應。其工作原理在于轉換電源形式，利用閉合功能實現對電流輸出的控制。電力系統中，高壓交流電先通過濾波器轉換為直流電，再經過降壓處理后轉換為低壓直流電。在此過程中，繼電保護裝置的開關電源在整個系統中承擔功率器件開關的作用，具有保障電流傳輸安全的作用。繼電保護開關電源裝置的原理如圖1 所示。

圖1 繼電保護開關電源裝置的原理

2 繼電保護開關電源的故障現象

本次研究結合實際工程案例中的常見問題展開分析。在電力系統運行過程中，繼電保護開關能夠發揮主要的保護功能，故障風險也相對較高，需要加以維護。

2.1 輸入電源波動、開關工作停止

2.1.1 表 現

當電力系統中繼電保護開關電源出現故障時，可以通過輸入、輸出電壓變化情況判斷故障。針對輸入電源波動、開關電源停止工作這一故障問題，主要表現為電壓恢復后繼電保護開關無法自動關閉，只要輸出電源停工，電壓就無法通過自動動作實現正常輸出，需要進行手動恢復。對此，在問題發生后需要應用繼電保護儀對輸出電壓、電流進行監測并記錄數據變化。控制輸入電壓的中斷時間后會出現以下3 種情況：一是當中斷時間為100 ～200 ms 時，系統仍根據原本的電壓轉變方式進行轉變，此時繼電保護恢復正常運行狀態，但開關電源并沒有恢復，導致出現故障；二是當中斷時間在250 ms 以上時，繼電保護輸入電壓部分已經恢復到正常水平，但在+5 V 和+24 V 位置不顯示電壓數值；三是當中斷時間在70 ms 以內時，輸出電壓出現異常中斷，但呈現的異常時間較短，且會快速恢復到正常狀態，在+5 V 位置不顯示電壓值，+24 V 位置顯示正常，開關電源無異常。由于異常時間較短，沒有出現保護動作。

2.1.2 故障分析及改進措施

針對此類故障問題，可以根據開關電源的正常啟動邏輯進行優化，分析電力系統在正常狀態下的輸出電壓保護模式。當任意一個線路下降到20%Un時，繼電保護系統會直接執行欠壓保護動作，同時電源不會自動恢復。在進行邏輯優化時會使整個輸入電壓發生變化，因此容易出現電源欠壓和系統誤動作。精準檢測電路電壓，并在延時電容位置處安裝開關，確保輸入定值高于電子開關時能夠立即自動閉合，實現電路復位。

根據實際情況，在檢測電路上加入電子開關，與延時電容相連，即在保護環節中增加輸入電壓檢測環節。當輸入電壓值小于規定數值時，則會管理開關，從而實現對延時電路的復位，形成保護動作[1]。當輸入電壓重新上升并大于規定值時，則會解決由于輸入電壓波動而造成的保護動作。當開關電源在進入暫停狀態前，所顯示的電壓數值會高于實際電壓數值，繼電保護裝置的開關電源將閉合，延時電路也會復位。若在輸入電壓后出現電壓增加的情況，與預設一致，延時電路會對電路進行保護，避免繼電保護裝置的開關電源受到偽信號影響。同時，輸入電壓也會重新上升到設定值，解決輸入電壓波動所造成的電源誤動作問題，保證正常運行。增加放電回路的原理如圖2 所示。

圖2 增加放電回路的原理

2.2 啟動電流過載

2.2.1 表 現

以某額定功率為20.8 W 的電源模塊為例，穩定狀態下的電壓數值為220 V。當系統處于額定輸出狀態時，輸入電流為130 mA，在連接開關電源裝置后輸入電壓，此時輸入電流會受到影響，發出過載警告。根據其現象來看，當輸入電壓達到60 V 時，開關電源裝置運行穩定，而后進行電流檢測，能夠發現其數值達到200 mA，穩態電流近似600 mA。由此可知，故障會導致電流增大，出現過載。

2.2.2 故障分析及改進措施

本次針對繼電保護開關電源的故障現象進行分析，根據故障的性能來看，輸入電流會不可避免地出現電涌情況，從而造成電源過載。通過觀察數據能夠發現，在接通電源后輸出功率逐漸上升，造成電源過載，此時瞬態電流也呈為迅速增加趨勢[2]。

在電力系統運行過程中，啟動電源時改變功率相對困難，因此可以從控制電流的角度入手，嘗試增加電壓至130 ～140 V。通過改變啟動電壓數值的方式解決故障問題，優先利用試驗儀器進行模擬行為，包括對輸入電壓、電流的模擬，控制運行速度。當開關電源處于滿載狀態后，緩慢升高電壓，速度控制在5 V/s 或10 V/s 即可。在0 ～130 V 的電壓范圍內啟動開關電源，此時電流逐漸降低，為200 ～220 mA。相較于故障改造前，電流過載情況明顯好轉，供電電源所承受的電流沖擊范圍明顯降低，即使電壓短時間內較低，也不會造成過大影響。總結來看，需要從電流和電壓特性角度入手，根據損壞情況適當提高輸出電壓。針對缺乏保護芯片的裝置，需要設計與其相適應的保護電路，從而減少瞬時輸入電流，實現電源的限流保護。

2.3 開關電源設計不合理、線路接觸不良

2.3.1 表 現

針對繼電保護裝置中開關電源設計不合理、線路接觸不良的問題，主要表現為開關電源輸入電壓下降，電壓波動頻繁，或產生電磁干擾情況，無法提供穩定電源，繼電保護工作受到影響。開關電源的設備故障率會上升，需要經常維修或更換。

2.3.2 故障分析與改進措施

針對此類問題的分析，主要原因并非開關電源故障，而是檢修、保養不到位。需要采用更加可靠的開關電源模塊，定期進行養護，延長使用壽命，尤其針對導線、支架以及絕緣部分，務必做到徹底檢查[3]。隨著我國電力系統的不斷發展，對于繼電保護的研究愈發關鍵，相關技術要求也更加嚴苛，需要保證裝置開關電源應用的安全性。針對當前的故障問題，可采用高頻開關電源，利用微處理器提升工作便捷性，有效接收故障信息。在其運行過程中，損耗和波紋系數均較小，對于脈沖放電、充電問題預防性較高，有效延長使用壽命。同時，高頻開關電源的智能化水平相對較高，無須進行復雜調試，聯合冗余式供電模式，在模塊故障的情況下還能實現持續作業。

3 維修事項

對于繼電保護裝置開關電源的選擇，需要關注不同類型電力系統對于繼電保護的需求，優化設計，并加以維護。針對維護事項方面，可以從常規性維護、蓄電池維護以及故障檢測這3 個角度落實管理。對于常規性維護，需要選擇高質量、標準化的整流設備，并根據實際需求控制參數，避免運行時超出限值范圍，確定參數和指標范圍后切忌隨意更改。控制開關電源裝置周圍的溫度，保證在-5 ～40 ℃，避免對電子元件特性造成影響[4]。對繼電保護開關電源所處環境進行定期清潔，避免灰塵濃度和空氣濕度過高，做好散熱、除濕等工作，并檢驗插件連接情況，分析是否存在松動、接觸不良問題，及時解決。

針對蓄電池的維護，需要定期進行放電處理。在對電池進行放電處理之前需要先檢查其性能，而后再進行放電。對放電后的蓄電池進行均勻充電，此過程若發現問題需要及時上報處理，且不可繼續使用，檢查其性能判斷是否需要更換，避免對電源系統造成影響。

對于故障的檢測與處理，需要適當應用相關檢測儀器。先查看各個裝置的指示燈亮度情況是否正常，再用儀器檢測電流輸出情況，以及電源輸出端、電鍍槽斷路情況。若在檢驗過程中發現指示燈不亮，則要優先檢查連接部位[5]。若排除以上故障，可將閘刀閉合；若此時機器正常運行，但指示燈不亮，則要檢查開關電源的啟動情況，進行調整。當開關電源啟動后，若指示燈仍閃爍，則需要判斷輸入電源情況，分析是否存在過壓、欠壓問題，檢查配電線路，逐一排除故障。除了以上內容，還需檢驗整流管，定期對整流模塊、驅動電路以及功率器件等進行檢查。

4 結 論

繼電保護裝置中，開關電源是維護電力系統正常運行的關鍵部分之一，一旦出現問題，必然會對整個電力運行情況和相關設施帶來嚴重影響，因此需要重視對開關電源故障的診斷、改進以及維護。本文從3 種故障類型角度進行分析，并給出針對性建議，未來的繼電保護開關電源會進一步優化，保證其工作效率，維護電力系統的安全運行。