從開關電源工作原理入手，分析了兩種故障現象：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。通過試驗分別重現了以上兩種故障現象，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故障在電網故障中所占的比重較高。據資料：2007年，國家電網公司110kV及以下系統保護裝置保護共發生不正確動作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其故障現象，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，將一種電源形態轉變為另一形態，用閉環控制穩定輸出，并有保護環節的模塊，叫做開關電源。

 

高壓交流電進入電源，首先經濾波器濾波，再經全橋整流電路，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：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，發現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節上增加輸入電壓檢測環節，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，發現調整后的電源僅出現b）、c）兩種情況，不再出現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）故障現象：電源模塊穩態工作電壓為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：經查發現輸入電壓為60V時，電源啟動，此時啟動瞬態電流約為200mA，穩態電流為600mA，啟動時穩態電流和瞬態電流將為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，啟動時穩態電流降低到200～220mA，穩態電流大約為200±100mA，因而啟動時穩態電流和瞬態電流將為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。可有效避免輸入電壓瞬間降低時，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節，開關電源的輸出電壓建立和消失時序和電源的保護功能，是緊密聯系的，當其中的某一環節存在缺陷時，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突增的現象。

 

2）在設計后盡可能依據繼電保護用開關電源行標，經專業測試部門驗證。從而設計出穩定可靠的開關電源。