從開關電源工作原理入手，分析了兩種故障現(xiàn)象：1）輸入電源波動，導致開關電源停止工作；2）開關電源的啟動電流過大，導致供電電源過載告警。通過試驗分別重現(xiàn)了以上兩種故障現(xiàn)象，分析了故障原因：1）由于設計時未考慮保護延時放電回路，輸入電壓快速通斷導致電源欠壓保護誤動作；2）啟動功率一定的情況下，啟動門檻設置過低，導致啟動電流過大。并把改進后的開關電源與改進前的開關電源進行了對比驗證。

 

 

繼電保護裝置對電力系統(tǒng)的安全可靠運行有著十分重要的作用，繼電保護裝置故障所造成的電網(wǎng)故障在電網(wǎng)故障中所占的比重較高。據(jù)資料：2007年，國家電網(wǎng)公司110kV及以下系統(tǒng)保護裝置保護共發(fā)生不正確動作37次，其中40.54%為運行部門繼電保護人員責任，制造部門責任占37.84%，在制造部門責任中，制造質量不良為主要原因。繼電保護用開關電源是繼電保護裝置中的主要功能模塊，繼電保護用開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。電源性能的好壞直接影響到繼電保護裝置可靠性。

 

本文從開關電源的原理入手，以測試的角度，對兩種有故障的電源模塊通過試驗再現(xiàn)其故障現(xiàn)象，并分析了其故障原因，最后對改進后的開關電源進行了對比驗證。

 

 

用半導體功率器件作為開關，將一種電源形態(tài)轉變?yōu)榱硪恍螒B(tài)，用閉環(huán)控制穩(wěn)定輸出，并有保護環(huán)節(jié)的模塊，叫做開關電源。

 

高壓交流電進入電源，首先經(jīng)濾波器濾波，再經(jīng)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低，最后經(jīng)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。

 

 

 

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教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。

 

2.1 輸入電源波動，開關電源停止工作 

 

1）故障現(xiàn)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。

 

2）故障再現(xiàn)：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(fā)現(xiàn)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。

 

 

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(xiàn)欠壓過程，電源欠壓保護也不會動作。

 

 

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(jīng)延時約50ms，+24V輸出電壓建立。

 

輸出電壓欠壓保護邏輯為：當輸出電壓任何一路降到20% Un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(jù)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。

 

4）解決措施：采取的措施是在保護環(huán)節(jié)上增加輸入電壓檢測環(huán)節(jié)，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。

 

 

5）試驗驗證：用繼電保護試驗儀狀態(tài)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(fā)現(xiàn)調整后的電源僅出現(xiàn)b）、c）兩種情況，不再出現(xiàn)a）即故障情況。

 

2.2 啟動電流過大，導致供電電源過載告警

 

1）故障現(xiàn)象：電源模塊穩(wěn)態(tài)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。

 

2）故障分析：經(jīng)查發(fā)現(xiàn)輸入電壓為60V時，電源啟動，此時啟動瞬態(tài)電流約為200mA，穩(wěn)態(tài)電流為600mA，啟動時穩(wěn)態(tài)電流和瞬態(tài)電流將為600±mA，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(tài)電流的激增，電流的激增對供電電源有較大的沖擊。

 

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。

 

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(wěn)態(tài)電流降低到200～220mA，穩(wěn)態(tài)電流大約為200±100mA，因而啟動時穩(wěn)態(tài)電流和瞬態(tài)電流將為400±100mA，啟動電流教改進前減小300mA，不會對供電電源造成太大的沖擊?？捎行П苊廨斎腚妷核查g降低時，給整個供電回路造成較大的電流沖擊。

 

 

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(huán)節(jié)，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(lián)系的，當其中的某一環(huán)節(jié)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：

 

1）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(tài)突增的現(xiàn)象。

 

2）在設計后盡可能依據(jù)繼電保護用開關電源行標，經(jīng)專業(yè)測試部門驗證。從而設計出穩(wěn)定可靠的開關電源。