引言

國家電網(wǎng)公司于2009年首次公布了智能電網(wǎng)發(fā)展計劃，隨著近年智能電網(wǎng)建設(shè)不斷地推進(jìn)，電力用戶用電信息采集系統(tǒng)已經(jīng)在全國廣泛應(yīng)用。僅從2013年國家電網(wǎng)公司的招標(biāo)結(jié)果來看，Ⅲ型專變采集終端共招了87萬多臺、I型集中器共招了122萬多臺。多年來，國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司和一些地方公司每年的招標(biāo)數(shù)量都是很大的，因此有大量的這二類的表計型終端在現(xiàn)場運(yùn)行。

表計型Ⅲ型專變終端和I型集中器的供電電源有線性電源和開關(guān)電源二種。在同等的額定輸出功率和使用環(huán)境下，開關(guān)電源由于其體積小、效率高、節(jié)能、適應(yīng)輸入電壓范圍寬，性價比高，比線性電源有著明顯的優(yōu)勢，因此，越來越受到設(shè)計人員的青睞，在表計型終端中的使用量呈逐年上升趨勢。但是，自從表計型終端使用開關(guān)電源以來，在全國范圍內(nèi)也陸續(xù)出現(xiàn)了一定數(shù)量的表計型終端損壞甚至爆炸的現(xiàn)象，給供電部門和用戶造成了一定的影響。

據(jù)行業(yè)內(nèi)一些重要終端廠商反映，結(jié)合我們調(diào)查的情況來看，表計型終端的損壞部分涉及到終端的方方面面，其中終端供電部分的損壞是其中之一，并且有些輸入電壓為220/380Vac三相四線制供電的表計型終端供電部分的損壞還很嚴(yán)重。當(dāng)然，終端供電部分的損壞也會導(dǎo)致其它方面的損壞，同樣地，終端其它方面的損壞也會導(dǎo)致供電部分的損壞。

多年來，關(guān)于使用了開關(guān)電源的終端其供電部分的損壞原因在業(yè)內(nèi)爭論很多。有說是雷擊損壞，有說是電源品質(zhì)異常出現(xiàn)的損壞，等等，莫衷一是。這里有一個典型的爭論例子，在同一現(xiàn)場，在多數(shù)情況下，為什么終端供電部分電路會損壞，而相鄰使用了線性電源的三相電能表的供電部分卻能獨(dú)善其身?不明真相的人就由此得出結(jié)論說開關(guān)電源根本不適合應(yīng)用到終端上?；诖耍覀冇斜匾芯繉?dǎo)致這類終端供電部分損壞的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以期解決困擾行業(yè)多年的問題，加強(qiáng)終端運(yùn)行的可靠性，具有很迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

一、現(xiàn)場終端及使用環(huán)境

1.現(xiàn)場終端介紹

表計型終端主要由電源板、控制主板、通訊模塊、顯示屏和外殼組成。

終端供電部分由輸入接線柱、輸入導(dǎo)線與電源板構(gòu)成，電源板一般含有電源輸入保護(hù)部分、電源部分和交采部分。對于使用了開關(guān)電源的終端，其電源部分就是開關(guān)電源。

圖1是目前幾類使用了開關(guān)電源的表記型終端常用的供電部分結(jié)構(gòu)及電路簡圖。圖中注明了關(guān)鍵器件的參數(shù)。

輸入保護(hù)電路是為了防止浪涌過電壓的侵害。前級輸入保護(hù)電路由壓敏電阻RV1-RV3和限流線繞電阻RX1-RX3組成，后級輸入保護(hù)使用了一只壓敏電阻RV4，有些方案中沒有用此壓敏電阻。

目前在行業(yè)內(nèi)，三相整流電路主要是采用三相全波整流方式。

開關(guān)電源DC-DC轉(zhuǎn)換部分主要由輸入整流橋KB、輸入濾波電解電容C1-C2、開關(guān)變壓器T、開關(guān)管T1、輸入過壓保護(hù)電路、控制電路和輸出電路等組成。



圖1：終端供電部分結(jié)構(gòu)及電路簡圖

2.終端使用環(huán)境

1)終端全部安裝在配電網(wǎng)末端配電變壓器旁。

2)配電變壓器一次側(cè)開關(guān)為斷路器或跌落式熔斷器(又稱零克)，二次側(cè)開關(guān)為隔離開關(guān)。

3)末端配電變壓器以△/Y方式聯(lián)結(jié)的居多，一般電壓比為10/0.4kV。

4)線路提供給終端的供電方式有三種：100Vac三相三線供電、57.7/100Vac或220/380Vac三相四線供電，前二種由配電變壓器一次側(cè)PT供電，后一種由二次側(cè)直接供電。

5)圖2是220/380Vac三相四線供電終端現(xiàn)場接線示意圖。



圖2：220Vac/380Vac三相四線供電終端現(xiàn)場接線示意圖

二、終端損壞情況及初步分析

1.終端損壞現(xiàn)象

一般損壞現(xiàn)象有：輸入接線柱熔化、接線柱附近外殼塑料燒焦、輸入導(dǎo)線燒斷、線繞電阻RX1-RX3灼傷或燒斷開路或燒脫落、整流管D1-D16開路或短路損壞、電解電容C1-C2鼓包或漏液或爆裂或從線路板上炸脫落、開關(guān)管T1短路或爆裂、壓敏電阻RV4失效或爆裂或炸脫落、線路板上印制線起皺或斷裂、線路板被燒黑或燒成碳灰。部分終端僅輸入導(dǎo)線在焊盤處燒斷，焊盤附近線路板上有明顯燒灼痕跡;或者是僅輸入接線柱熔化、接線柱附近外殼塑料燒焦;有少部分終端爆炸。

2.終端損壞特征

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)終端損壞有如下幾方面的特征：

1)因供電原因引起損壞的終端采用220/380Vac三相四線供電 ，并且終端的開關(guān)電源前端采用了三相全波整流方式。

2)一般在安裝好終端后，或切斷配電變壓器后，投入空載配電變壓器時損壞居多，尤以配電變壓器一次側(cè)開關(guān)為零克時為甚;少部分損壞發(fā)生在10KV配電線路停電后再次送電時;還有少部分損壞發(fā)生在電網(wǎng)和設(shè)備正常運(yùn)行時。

3)一般終端損壞部位出現(xiàn)在輸入進(jìn)線接線柱、輸入導(dǎo)線、前級輸入保護(hù)部分、三相全波整流二極管、后級輸入保護(hù)壓敏電阻、開關(guān)電源部分的輸入濾波電解電容C1-C2和開關(guān)MOS管T1。平常壓敏電阻RV1-RV3損壞較少見，而一般雷擊時壓敏電阻RV1-RV3損壞多見。有一種典型的損壞僅發(fā)生在終端供電接線柱到電源板輸入焊盤處。

4)部分終端損壞部位除上述部位外，還會波及到交采電路、載波通訊電路。少部分終端僅損壞交采電路。

5)少部分終端爆炸產(chǎn)生的沖擊波會掀開終端的表蓋，導(dǎo)致整個終端報廢，更為嚴(yán)重的會撞碎表計柜。

三、終端損壞機(jī)理分析

1.供電部分電路損壞分析

從上面所描述的損壞現(xiàn)象來看，作為電氣設(shè)備的終端被電損傷，歸根到底還是因?yàn)槭┘釉诮K端上面相關(guān)部位的電壓和通過的電流大小超過了終端相關(guān)元件的耐受能力。排除元件本身個體上的差異出現(xiàn)的損壞，首先我們需要考慮的是元件的設(shè)計值是否在額定工作范圍內(nèi)，再來考慮極端條件下元件的工作情況。

對于額定電壓220/380Vac的三相四線輸入，考慮實(shí)際輸入電壓高于額定電壓25%，那么實(shí)際輸入電壓就是275/475Vac，經(jīng)三相全波整流濾波后的直流母線電壓為Vin=665Vdc。一般開關(guān)電源的設(shè)計功率為10-15W，終端實(shí)際額定功率不到10W，瞬時功率不到15W。綜合上面所述的器件的參數(shù)來看，圖1部分所選擇的器件是足以滿足正常工作需要的。

作為元件，因電流超標(biāo)而損壞的前提是該元件后接的器件或負(fù)載產(chǎn)生的電流過大，超過了設(shè)計值，或者是出現(xiàn)了短路的現(xiàn)象。就終端開關(guān)電源本身而言，它有電流過載和短路保護(hù)電路，我們假設(shè)這一電路是可靠的，因此我們可以忽視開關(guān)電源輸出負(fù)載因素的影響。

那么，會是什么原因造成開關(guān)MOS管T1損壞呢?在開關(guān)控制正常的情況下，唯一的因素就是過電壓超過了它本身的承受能力。我們一般設(shè)計的開關(guān)電源輸入過壓保護(hù)電路的保護(hù)點(diǎn)為Vp=750±50Vdc，也就是說當(dāng)輸入直流母線電壓Vin超過Vp值時，開關(guān)管會處于關(guān)斷保護(hù)狀態(tài)，但是，當(dāng)開關(guān)MOS管上出現(xiàn)大于或等于最大額定耐壓值時，即Vin≥900V或1000V時，可能會損壞開關(guān)MOS管。開關(guān)MOS管損壞一般會引起開關(guān)管T1短路。

對于三相整流二極管D1-D16，如果選取的是耐壓1KV的整流管，因過電壓損壞至少電壓要大于或等于3KV。現(xiàn)場出現(xiàn)這高電壓值的可能性只有雷擊過電壓和諧振過電壓，除此之外，導(dǎo)致它們損壞的因素只能是后級的開關(guān)MOS管過流或短路、壓敏電阻RV4過流或短路、電解電容C1-C2支路過流或短路。

而導(dǎo)致C1-C2支路和RV4支路過流或短路的唯一原因，只能是二條支路上出現(xiàn)過電壓損壞電解電容C1-C2和壓敏電阻RV4。而一般壓敏電阻過壓損壞的后果是出現(xiàn)短路的現(xiàn)象居多，開路的較少;電解電容過壓后出現(xiàn)過流、短路、開路的情況均存在。因此，我們?nèi)匀豢梢缘贸鼋Y(jié)論，因過電壓損壞電解電容和壓敏電阻RV4，會引起三相整流二極管的損壞。當(dāng)Vin≥800Vdc或900Vdc時，就可能損壞電解電容C1和C2。當(dāng)Vin≥745Vdc的電壓持續(xù)加在20K550壓敏電阻RV4上一定時間時，或當(dāng)Vin≥825Vdc的電壓持續(xù)加在20K625壓敏電阻RV4上一定時間時，就會導(dǎo)致RV4的擊穿損壞，出現(xiàn)RV4支路短路。

在線繞電阻RX1-RX3的后級出現(xiàn)大電流或短路的情況下，絕對會對線阻電阻造成損害，嚴(yán)重者會導(dǎo)致線繞電阻燒斷。

總之，當(dāng)輸入供電電壓的直流母線電壓Vin≥Vp=750±50Vdc時，電路會因過電壓面臨損壞風(fēng)險。

2.配變電壓器非全相投入產(chǎn)生的暫時過電壓是造成終端損壞的主要原因之一

(1)供電線路的過電壓及其一般特點(diǎn)

一般地，供電線路的過電壓分為外部過電壓和內(nèi)部過電壓。雷擊過電壓為外部過電壓，對于電網(wǎng)自身參數(shù)發(fā)生變化產(chǎn)生的過電壓，稱為內(nèi)部過電壓。雷擊過電壓會造成終端損壞是毋庸置疑的。

內(nèi)部過電壓分為操作過電壓和暫時過電壓。操作過電壓主要是指投切配電設(shè)施產(chǎn)生的過電壓，它的特點(diǎn)是在工頻電壓分量上疊加一高頻衰減振蕩波，或者疊加一非周期性的沖擊波，幅值會是工頻電壓的二倍甚至三倍，持續(xù)時間短，一般不大于0.1s。暫時過電壓分為工頻電壓升高和諧振過電壓，它的特點(diǎn)是工頻電壓或疊加在工頻電壓上的倍頻電壓、分頻電壓會升高，嚴(yán)重時會超過額定電壓的一倍，持續(xù)時間可能較長，尤其是出現(xiàn)基波鐵磁諧振時，幅值可能相當(dāng)大。

不管是外部過電壓，還是內(nèi)部過電壓，一旦其幅度和持續(xù)時間達(dá)到一定水平時，肯定會對終端造成損害。

(2)配電變壓器非全相空載投入產(chǎn)生暫時過電壓機(jī)理分析

配電變壓器非全相空載投入是指變壓器處于空載時，一次側(cè)A、B、C三相開關(guān)投入不同步，導(dǎo)致變壓器在一定時間內(nèi)處于非全相運(yùn)行。斷路器開關(guān)的三相不同步投入和三相零克的不同時投入是客觀存在的，尤其是后者在現(xiàn)實(shí)中普遍存在，并且操作極為不規(guī)范，出現(xiàn)配電變壓器非全相空載投入的現(xiàn)象相當(dāng)普遍。

1) 配電變壓器非全相空載投入會導(dǎo)致低壓側(cè)電壓一相相電壓是正常值電壓，另二相的相電壓均為正常值的一半，方向一致，但與正常電壓值相的方向剛好相反。

如圖2，假如我們先投入零克B，然后投零克C，過一定時間后再投零克A，換言之，在一段時間內(nèi)讓A相處于缺相狀態(tài)。

對于普遍使用的△/Y0-11方式聯(lián)結(jié)的配電變壓器，我們不難作出此時的電壓相量圖為圖3。從相量圖上得知，配電變壓器在斷A相空載投入時，會導(dǎo)致低壓側(cè)相電壓Ub是正常值電壓，另二相Ua和Uc的相電壓均為正常值的一半，且Ua和Uc方向一致，但與Ub相的方向剛好相反。假設(shè)Ub=Umsinωt，則Ua=Uc=0.5Umsin(ωt+π),圖4是此時的低壓側(cè)各相電壓的波形圖。



圖3：配電變壓器低壓側(cè)電壓相量圖



圖4：低壓側(cè)各相電壓的波形圖

2) 空投變壓器產(chǎn)生的勵磁涌流含有二次諧波和三次諧波，在非全相投入時，產(chǎn)生的諧波會出現(xiàn)在低壓側(cè)，出現(xiàn)暫時過電壓。

配電變壓器投入時產(chǎn)生的勵磁涌流持續(xù)時間較長，從數(shù)十個電源周期到數(shù)十秒不等。勵磁涌流的幅度與變壓器的二次負(fù)荷無關(guān)，但持續(xù)時間與二次負(fù)荷有關(guān)。因此，空載投入時，勵磁涌流持續(xù)的時間要長些。

產(chǎn)生勵磁涌流時，會產(chǎn)生大量的奇次和偶次諧波，但以二次和三次為主。低壓側(cè)二次諧波的幅度可以達(dá)到基波的30%-50%，三次諧波的幅度可以達(dá)到基波的50%。假設(shè)幅值均達(dá)到基波的50%，則考慮高壓側(cè)A相缺相和二種諧波后的低壓側(cè)b相、a相和c相的電壓為：

Ub=Umsinωt+0.5Umsin(2ωt+φ1)+0.5Umsin(3ωt+φ2)

Ua=Uc=0.5Umsin(ωt+π)+0.25Umsin(2ωt+φ1+π)+0.25Umsin(3ωt+φ2+π)

當(dāng)φ1=-π/2、φ2=-π時，上式的最大值可以達(dá)到最大，此時的合成波輸出波形如圖5所示。



圖5：含有二、三次諧波分量的合成電壓波形圖

顯然，低壓側(cè)Ub的最大幅度會達(dá)到正常值的2倍，即為2Um，持續(xù)時間會較長，出現(xiàn)暫時過電壓。同時，電壓波形發(fā)生了畸變，一方面波形相對時間軸不對稱，出現(xiàn)了偏移，因此有直流分量存在，這是偶次諧波造成的;另一方面波形出現(xiàn)了臺階，這是奇次諧波造成的。這一結(jié)論跟我們在許多現(xiàn)場測量到的波形是吻合的。

3) 對于三相全波整流的開關(guān)電源，在變壓器非全相投入時，電流不流經(jīng)零線N，直接在火線之間流動，這樣會加強(qiáng)過電壓的影響，形成損害終端的主要原因之一。

當(dāng)?shù)蛪簜?cè)的電壓波形是如圖5的情況時，在圖1所示的三相全波整流電路中，輸入電流直接在Ub與Ua(Uc)之間流動，加在三相整流輸入上的電壓差為Ubc和Uba。因此，配電變壓器非全相空載投入時，直流母線電壓Vin有可能到達(dá)3Um,也就是會出現(xiàn)超過1000V的持續(xù)過電壓。

4) 壓敏電阻屬于瞬態(tài)電壓抑制器件，在終端內(nèi)不能有效阻止暫時過電壓的傷害。

終端內(nèi)使用的20K的壓敏電阻通流容量僅有5KA，對持續(xù)的暫時過電壓的吸收能力有限，并且有可能自身受到損壞，因此，它既不能有效保護(hù)其它器件，自身也成了一個隱患點(diǎn)。圖1方案中所用到的壓敏電阻RV4有時就會起到加重傷害終端的危險，在有些方案中，就沒有使用此器件。換言之，使用壓敏電阻來對抗持續(xù)的暫時過電壓，在終端內(nèi)部實(shí)現(xiàn)起來是相當(dāng)困難的。所以，即使大家在終端內(nèi)使用了壓敏電阻，也未能有效阻止一些極端條件下的損害。這種極端條件包括雷擊過電壓和具備一定幅值持續(xù)一定時間的暫時過電壓。

3.弧光放電是引起終端爆炸的直接原因

當(dāng)兩電極間電壓升高時，空氣可能會被電離產(chǎn)生弧光放電?；」夥烹娨话悴恍枰芨叩碾妷海瑢儆诘碗妷捍箅娏鞣烹?，當(dāng)兩個電極先接觸后再拉開建立了電弧，維持此10mm長的電弧只需要20V的電壓。

對于終端而言，因內(nèi)部過電壓和雷擊過電壓施加在其內(nèi)部時，會發(fā)生帶電導(dǎo)體間的電弧性短路起火和爬電起火。一個典型的現(xiàn)象在終端內(nèi)常會發(fā)生，就是使用了壓敏電阻后，在壓敏電阻因過電壓損壞出現(xiàn)短路后，壓敏電阻的二極間會因大電流燒斷，如果加在上面的電壓仍然存在，這時很容易形成弧光短路。

雷擊過電壓、帶有直流分量的內(nèi)部過電壓和內(nèi)部直流電壓，產(chǎn)生的電弧會持續(xù)較長的時間而不容易熄弧，而配電變壓器非全相空載投入產(chǎn)生的暫時過電壓也帶有直流分量。電弧產(chǎn)生的高溫會在幾千度到上萬度，高溫電弧光不僅會引起終端輸入導(dǎo)線在焊盤處燒斷，器件損壞，還會引起絕緣物質(zhì)燃燒，更會引起金屬接線柱和元件的金屬部分熔化、飛濺，進(jìn)一步加劇終端內(nèi)部短路的形成，高溫電弧瞬間會在終端這樣一個狹小封閉的空間里釋放出巨大的能量，引起終端燃燒和爆炸，造成災(zāi)難性的后果。

四、結(jié)論及改進(jìn)措施

通過上述分析，不管是雷擊過電壓，還是內(nèi)部過電壓，對終端一定會產(chǎn)生傷害，這種傷害的沖擊效應(yīng)和累積效應(yīng)作用于終端后，會導(dǎo)致終端立即損壞，或帶傷運(yùn)行一段時間后損壞。因此，我們不難理解為什么有的終端是在極端電壓情況出現(xiàn)時損壞，有的終端被認(rèn)為在正常供電電壓時損壞。

總之，我們可以得出結(jié)論，終端供電過電壓是導(dǎo)致終端損壞的重要原因，尤其是配電變壓器非全相空載投入產(chǎn)生的暫時過電壓是當(dāng)今造成終端損壞的主要原因之一，過電壓作用于終端后產(chǎn)生的弧光放電是引起終端爆炸的直接原因。

為了將上述原因造成的終端損壞的幾率降到最低程度，建議終端生產(chǎn)廠商和使用單位采取如下措施：

1)在配電變壓器低壓側(cè)安裝大容量的避雷器，抑制雷擊浪涌過電壓和大能量的瞬時操作過電壓。

2)建議相關(guān)方面按照電力系統(tǒng)的規(guī)程操作相關(guān)電力設(shè)備，避免違規(guī)操作出現(xiàn)的過電壓。

3)精心設(shè)計終端安全的爬電和放電距離，高度重視“三防”處理。

4)利用三相輸入半波整流電路代替目前廣泛使用的三相全波整流方案，使輸入直流母線電壓Vin降為全波整流的一半，極大地降低母線電壓應(yīng)力，這對于器件的選擇、器件使用的安全以及為設(shè)計安全的爬電和放電距離，創(chuàng)造了一個根本性的安全環(huán)境，因此，這一措施相當(dāng)重要，希望引起行業(yè)內(nèi)的高度重視。

作者簡介：

1、劉愛國(1965)：男，工學(xué)學(xué)士，高級工程師，主要從事電力自動化設(shè)備的研發(fā)及管理。

2、馬元鑫(1989)：男，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，主要從事電力營銷、城市供用電工程管理及信息化等工作。

3、陳虎(1974)：男，工學(xué)學(xué)士，高級工程師，長期致力于電力自動化行業(yè)開關(guān)電源的研究。

4、胡闖(1986)：男，工學(xué)學(xué)士，工程師，從事用電信息管理終端電源研究。