表計型電力用戶用電信息采集終端運行損壞故障分析

 引言

國家電網公司于2009年首次公布了智能電網發展計劃，隨著近年智能電網建設不斷地推進，電力用戶用電信息采集系統已經在全國廣泛應用。僅從2013年國家電網公司的招標結果來看，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，國家電網公司、南方電網公司和一些地方公司每年的招標數量都是很大的，因此有大量的這二類的表計型終端在現場運行。

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電源二種。在同等的額定輸出功率和使用環境下，開關電源由于其體積小、效率高、節能、適應輸入電壓范圍寬，性價比高，比線性電源有著明顯的優勢，因此，越來越受到設計人員的青睞，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電源以來，在全國范圍內也陸續出現了一定數量的表計型終端損壞甚至爆炸的現象，給供電部門和用戶造成了一定的影響。

據行業內一些重要終端廠商反映，結合我們調查的情況來看，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重。當然，終端供電部分的損壞也會導致其它方面的損壞，同樣地，終端其它方面的損壞也會導致供電部分的損壞。

多年來，關于使用了開關電源的終端其供電部分的損壞原因在業內爭論很多。有說是雷擊損壞，有說是電源品質異常出現的損壞，等等，莫衷一是。這里有一個典型的爭論例子，在同一現場，在多數情況下，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善其身?不明真相的人就由此得出結論說開關電源根本不適合應用到終端上。基于此，我們有必要研究導致這類終端供電部分損壞的原因，并提出相應的改進措施，以期解決困擾行業多年的問題，加強終端運行的可靠性，具有很迫切的現實意義。

一、現場終端及使用環境

1.現場終端介紹

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、輸入導線與電源板構成，電源板一般含有電源輸入保護部分、電源部分和交采部分。對于使用了開關電源的終端，其電源部分就是開關電源。

圖1是目前幾類使用了開關電源的表記型終端常用的供電部分結構及電路簡圖。圖中注明了關鍵器件的參數。

輸入保護電路是為了防止浪涌過電壓的侵害。前級輸入保護電路由壓敏電阻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。

目前在行業內，三相整流電路主要是采用三相全波整流方式。

開關電源DC-DC轉換部分主要由輸入整流橋KB、輸入濾波電解電容C1-C2、開關變壓器T、開關管T1、輸入過壓保護電路、控制電路和輸出電路等組成。



圖1：終端供電部分結構及電路簡圖

2.終端使用環境

1)終端全部安裝在配電網末端配電變壓器旁。

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

3)末端配電變壓器以△/Y方式聯結的居多，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PT供電，后一種由二次側直接供電。

5)圖2是220/380Vac三相四線供電終端現場接線示意圖。



圖2：220Vac/380Vac三相四線供電終端現場接線示意圖

二、終端損壞情況及初步分析

1.終端損壞現象

一般損壞現象有：輸入接線柱熔化、接線柱附近外殼塑料燒焦、輸入導線燒斷、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

經現場調查和分析，發現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開關為零克時為甚;少部分損壞發生在10KV配電線路停電后再次送電時;還有少部分損壞發生在電網和設備正常運行時。

3)一般終端損壞部位出現在輸入進線接線柱、輸入導線、前級輸入保護部分、三相全波整流二極管、后級輸入保護壓敏電阻、開關電源部分的輸入濾波電解電容C1-C2和開關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)少部分終端爆炸產生的沖擊波會掀開終端的表蓋，導致整個終端報廢，更為嚴重的會撞碎表計柜。

三、終端損壞機理分析

1.供電部分電路損壞分析

從上面所描述的損壞現象來看，作為電氣設備的終端被電損傷，歸根到底還是因為施加在終端上面相關部位的電壓和通過的電流大小超過了終端相關元件的耐受能力。排除元件本身個體上的差異出現的損壞，首先我們需要考慮的是元件的設計值是否在額定工作范圍內，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，考慮實際輸入電壓高于額定電壓25%，那么實際輸入電壓就是275/475Vac，經三相全波整流濾波后的直流母線電壓為Vin=665Vdc。一般開關電源的設計功率為10-15W，終端實際額定功率不到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，因電流超標而損壞的前提是該元件后接的器件或負載產生的電流過大，超過了設計值，或者是出現了短路的現象。就終端開關電源本身而言，它有電流過載和短路保護電路，我們假設這一電路是可靠的，因此我們可以忽視開關電源輸出負載因素的影響。

那么，會是什么原因造成開關MOS管T1損壞呢?在開關控制正常的情況下，唯一的因素就是過電壓超過了它本身的承受能力。我們一般設計的開關電源輸入過壓保護電路的保護點為Vp=750±50Vdc，也就是說當輸入直流母線電壓Vin超過Vp值時，開關管會處于關斷保護狀態，但是，當開關MOS管上出現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MOS管。開關MOS管損壞一般會引起開關管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。現場出現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，導致它們損壞的因素只能是后級的開關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短路的現象居多，開路的較少;電解電容過壓后出現過流、短路、開路的情況均存在。因此，我們仍然可以得出結論，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Vin≥800Vdc或900Vdc時，就可能損壞電解電容C1和C2。當Vin≥745Vdc的電壓持續加在20K550壓敏電阻RV4上一定時間時，或當Vin≥825Vdc的電壓持續加在20K625壓敏電阻RV4上一定時間時，就會導致RV4的擊穿損壞，出現RV4支路短路。

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

總之，當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險。

2.配變電壓器非全相投入產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

一般地，供電線路的過電壓分為外部過電壓和內部過電壓。雷擊過電壓為外部過電壓，對于電網自身參數發生變化產生的過電壓，稱為內部過電壓。雷擊過電壓會造成終端損壞是毋庸置疑的。

內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施產生的過電壓，它的特點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，嚴重時會超過額定電壓的一倍，持續時間可能較長，尤其是出現基波鐵磁諧振時，幅值可能相當大。

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

(2)配電變壓器非全相空載投入產生暫時過電壓機理分析

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A、B、C三相開關投入不同步，導致變壓器在一定時間內處于非全相運行。斷路器開關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，尤其是后者在現實中普遍存在，并且操作極為不規范，出現配電變壓器非全相空載投入的現象相當普遍。

1) 配電變壓器非全相空載投入會導致低壓側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，在一段時間內讓A相處于缺相狀態。

對于普遍使用的△/Y0-11方式聯結的配電變壓器，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，會導致低壓側相電壓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Ub=Umsinωt，則Ua=Uc=0.5Umsin(ωt+π),圖4是此時的低壓側各相電壓的波形圖。



圖3：配電變壓器低壓側電壓相量圖



圖4：低壓側各相電壓的波形圖

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

配電變壓器投入時產生的勵磁涌流持續時間較長，從數十個電源周期到數十秒不等。勵磁涌流的幅度與變壓器的二次負荷無關，但持續時間與二次負荷有關。因此，空載投入時，勵磁涌流持續的時間要長些。

產生勵磁涌流時，會產生大量的奇次和偶次諧波，但以二次和三次為主。低壓側二次諧波的幅度可以達到基波的30%-50%，三次諧波的幅度可以達到基波的50%。假設幅值均達到基波的50%，則考慮高壓側A相缺相和二種諧波后的低壓側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φ1=-π/2、φ2=-π時，上式的最大值可以達到最大，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Ub的最大幅度會達到正常值的2倍，即為2Um，持續時間會較長，出現暫時過電壓。同時，電壓波形發生了畸變，一方面波形相對時間軸不對稱，出現了偏移，因此有直流分量存在，這是偶次諧波造成的;另一方面波形出現了臺階，這是奇次諧波造成的。這一結論跟我們在許多現場測量到的波形是吻合的。

3) 對于三相全波整流的開關電源，在變壓器非全相投入時，電流不流經零線N，直接在火線之間流動，這樣會加強過電壓的影響，形成損害終端的主要原因之一。

當低壓側的電壓波形是如圖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3Um,也就是會出現超過1000V的持續過電壓。

4) 壓敏電阻屬于瞬態電壓抑制器件，在終端內不能有效阻止暫時過電壓的傷害。

終端內使用的20K的壓敏電阻通流容量僅有5KA，對持續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，它既不能有效保護其它器件，自身也成了一個隱患點。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的暫時過電壓，在終端內部實現起來是相當困難的。所以，即使大家在終端內使用了壓敏電阻，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

當兩電極間電壓升高時，空氣可能會被電離產生弧光放電。弧光放電一般不需要很高的電壓，屬于低電壓大電流放電，當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，因內部過電壓和雷擊過電壓施加在其內部時，會發生帶電導體間的電弧性短路起火和爬電起火。一個典型的現象在終端內常會發生，就是使用了壓敏電阻后，在壓敏電阻因過電壓損壞出現短路后，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、帶有直流分量的內部過電壓和內部直流電壓，產生的電弧會持續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生的暫時過電壓也帶有直流分量。電弧產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線在焊盤處燒斷，器件損壞，還會引起絕緣物質燃燒，更會引起金屬接線柱和元件的金屬部分熔化、飛濺，進一步加劇終端內部短路的形成，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，造成災難性的后果。

四、結論及改進措施

通過上述分析，不管是雷擊過電壓，還是內部過電壓，對終端一定會產生傷害，這種傷害的沖擊效應和累積效應作用于終端后，會導致終端立即損壞，或帶傷運行一段時間后損壞。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時損壞，有的終端被認為在正常供電電壓時損壞。

總之，我們可以得出結論，終端供電過電壓是導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生的暫時過電壓是當今造成終端損壞的主要原因之一，過電壓作用于終端后產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，建議終端生產廠商和使用單位采取如下措施：

1)在配電變壓器低壓側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)建議相關方面按照電力系統的規程操作相關電力設備，避免違規操作出現的過電壓。

3)精心設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力，這對于器件的選擇、器件使用的安全以及為設計安全的爬電和放電距離，創造了一個根本性的安全環境，因此，這一措施相當重要，希望引起行業內的高度重視。

作者簡介：

1、劉愛國(1965)：男，工學學士，高級工程師，主要從事電力自動化設備的研發及管理。

2、馬元鑫(1989)：男，工學學士，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，工學學士，高級工程師，長期致力于電力自動化行業開關電源的研究。

4、胡闖(1986)：男，工學學士，工程師，從事用電信息管理終端電源研究。