关于继电保护开关电源的电容器使用寿命探讨

江绍带

摘 要：在继电保护装置运行管理规程中规定，继电保护装置的使用年限为12年。在电力反事故措施中规定，微机保护开关电源的使用年限为6～8年，使用8年后必须更换。开关电源的使用寿命主要受电容使用寿命的影响。研究、分析了开关电源使用寿命的影响因素和延长方法。

关键词：继电保护装置；电容器；电源开关；电源故障

中图分类号：TN77；TN86 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）17-0063-02

经统计，在某供电局3 000多套保护装置3年内所出现的问题中，因开关电源故障产生的缺陷占46%（开关电源故障是造成继电保护装置缺陷的主要原因）。在使用6年以上的开关电源出现的故障中，因开关电源电解电容的容量降低或失效造成的电源故障占67%；因稳压二极管故障造成的开关电源故障占11%；其他原因造成的电源故障占22%.

继电保护装置的作用是当被保护元件发生故障时，自动、迅速、有目的地将故障部位从电力系统中隔离。因运行中的设备不允许退出保护运行，所以，在更换保护装置的开关电源时必须使一次设备断电。

各厂家提供的开关电源的使用寿命各不相同，有些电源的寿命只有5年，也有12年以上的。要想延长电源的使用寿命，就必须延长开关电源中电容器的使用寿命，这样有利于继电保护装置的安全运行，能降低继电保护设备的缺陷率和提高继电保护设备的服役年限。

1 开关电源的工作原理和存在的问题

继电保护工作电源使用直流220 V、110 V，交流220 V电源。继电保护CPU板、开出驱动板等板件使用直流弱电5 V、±12 V和24 V供电。继电保护开关电源的作用是将强电DC220 V（DC110 V、AC220 V）转变为弱电5 V、±12 V、24 V模块。

继电保护开关电源的工作原理如图1所示。开关电源的三极管Q1以不同的频率间隔、重复地接通和断开。当Q1断开时，负载将得到连续的、不同的能量提供，并通过电容C储能；当开关三级管Q1导通时，能将一部分能量储存起来，并在三级管Q1断开时向负载释放。

图1 开关电源的工作原理

开关电源的高压整流滤波电路使用C1的电解电容，输出整流滤波电路使用C2～C5的电解电容。电解电容内部存在电解液，在使用一段时间后，电容器电解液中的干雨滴会造成电容器容量降低或失效。

2 电容器使用寿命的计算方法

2.1 按照最高温度计算

电容器的使用寿命与电容器的型号、运行温度、纹波系统和工作电压有关。具体的计算公式如下：

Lx=L0×KT×KR1×KV=L0×2（T0-Tx）/10×2-T/5×KV. （1）

式（1）中：L0——电容加速寿命；

KT——环境温度影响系数；

KR1——纹波电流影响系数；

T0——电容最高工作温度；

Tx——电容实际工作温度；

KV——工作电压影响系数；

T——纹波电流所引起的电容内部温升。

2.2 选型、环境温度与使用寿命的关系

电容选型与电容器使用寿命的关系如表1所示。在选用电筒最高使用温度为85 ℃和105 ℃的电容器、环境温度为50℃、不计算因纹波电流引起的电容内部温升、不计算电容器工作电压的影响和选用2 000 h的电容器时，选用105℃电容器计算得出的使用寿命为10.3年；选用85 ℃电容器计算得出的使用寿命只有2.6年。

表1 选用最高使用温度为85 ℃和105 ℃电容器的使用寿命

序号 电容最高温度/℃ 电容器最高温度下的使用寿命/h 环境温度/℃ 使用寿命/年 备注

1 85 2 000 50 2.6 T=0

KV=1

2 105 2 000 50 10.3

在不同环境温度下，电容器的使用寿命如表2所示。在环境温度为30 ℃、选用最高使用温度为105 ℃的电容器、不计算因纹波电流引起的电容内部温升、不计算电容器工作电压的影响和选用2 000 h的电容器时，计算得出的电容器使用寿命为41年；当环境温度为70 ℃时，电容器的使用寿命只有2.6年。

表2 不同环境温度下电容的使用寿命

序号 电容最高温度/℃ 电容器最高温度下的使用寿命/h 环境温度/℃ 使用寿命/年 备注

1 105 2 000 30 41.3 T=0

KV=1

2 105 2 000 35 29.2

3 105 2 000 40 20.6

4 105 2 000 45 14.6

5 105 2 000 50 10.3

6 105 2 000 55 7.3

7 105 2 000 60 5.2

8 105 2 000 65 3.7

9 105 2 000 70 2.6

由表1和表2对照可知，为了使继电保护装置电源的使用年限超过6年，必须选用最高使用温度为105 ℃、最高温度使用时间为2 000 h的电容器，同时，必须使环境温度不超过55℃。如果要将开关电源的使用寿命延长至12年，使开关电源的使用寿命与继电保护的使用寿命相同，就必须提高电源中电容的使用寿命，比如改善电容的使用环境、选用高温下使用时间较长的电容器和保持环境温度不超过设计限值等。

3 结束语

本文讨论了继电保护开关电源的使用寿命与电容器使用寿命的影响因素，为了延长继电保护电源的使用寿命，需选用承受温度能力较强、高温下使用时间较长的电容器。

继电保护的电源应使用散热好、通风能力强的机箱，以便将开关电源工作时产生的热量及时排出装置。此外，微机保护装置的运行环境须保持低温状态，继电保护室的温度应控制在35 ℃以下，这样可使继电保护开关电源服役的年限更长，还能降低维护费用。

参考文献

[1]国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答[M].北京：中国电力出版社，2000.

〔编辑：张思楠〕

About Relay Switching Power Supply Capacitors to Explore Life

Jiang Shaodai

Abstract： The protection device operation management procedures specified in， the age protection devices for 12 years. In the anti-accident measures stipulated in electricity， computer protection switching power supply life span of 6-8 years and must be replaced after eight years of use. The life of the switching power supply is mainly affected by the capacitor life. Research， analysis of the factors affecting the switching power supply and extend the life of the method.

Key words： protection devices； capacitors； power switch； power failure

摘 要：在继电保护装置运行管理规程中规定，继电保护装置的使用年限为12年。在电力反事故措施中规定，微机保护开关电源的使用年限为6～8年，使用8年后必须更换。开关电源的使用寿命主要受电容使用寿命的影响。研究、分析了开关电源使用寿命的影响因素和延长方法。

关键词：继电保护装置；电容器；电源开关；电源故障

中图分类号：TN77；TN86 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）17-0063-02

经统计，在某供电局3 000多套保护装置3年内所出现的问题中，因开关电源故障产生的缺陷占46%（开关电源故障是造成继电保护装置缺陷的主要原因）。在使用6年以上的开关电源出现的故障中，因开关电源电解电容的容量降低或失效造成的电源故障占67%；因稳压二极管故障造成的开关电源故障占11%；其他原因造成的电源故障占22%.

继电保护装置的作用是当被保护元件发生故障时，自动、迅速、有目的地将故障部位从电力系统中隔离。因运行中的设备不允许退出保护运行，所以，在更换保护装置的开关电源时必须使一次设备断电。

各厂家提供的开关电源的使用寿命各不相同，有些电源的寿命只有5年，也有12年以上的。要想延长电源的使用寿命，就必须延长开关电源中电容器的使用寿命，这样有利于继电保护装置的安全运行，能降低继电保护设备的缺陷率和提高继电保护设备的服役年限。

1 开关电源的工作原理和存在的问题

继电保护工作电源使用直流220 V、110 V，交流220 V电源。继电保护CPU板、开出驱动板等板件使用直流弱电5 V、±12 V和24 V供电。继电保护开关电源的作用是将强电DC220 V（DC110 V、AC220 V）转变为弱电5 V、±12 V、24 V模块。

继电保护开关电源的工作原理如图1所示。开关电源的三极管Q1以不同的频率间隔、重复地接通和断开。当Q1断开时，负载将得到连续的、不同的能量提供，并通过电容C储能；当开关三级管Q1导通时，能将一部分能量储存起来，并在三级管Q1断开时向负载释放。

图1 开关电源的工作原理

开关电源的高压整流滤波电路使用C1的电解电容，输出整流滤波电路使用C2～C5的电解电容。电解电容内部存在电解液，在使用一段时间后，电容器电解液中的干雨滴会造成电容器容量降低或失效。

2 电容器使用寿命的计算方法

2.1 按照最高温度计算

电容器的使用寿命与电容器的型号、运行温度、纹波系统和工作电压有关。具体的计算公式如下：

Lx=L0×KT×KR1×KV=L0×2（T0-Tx）/10×2-T/5×KV. （1）

式（1）中：L0——电容加速寿命；

KT——环境温度影响系数；

KR1——纹波电流影响系数；

T0——电容最高工作温度；

Tx——电容实际工作温度；

KV——工作电压影响系数；

T——纹波电流所引起的电容内部温升。

2.2 选型、环境温度与使用寿命的关系

电容选型与电容器使用寿命的关系如表1所示。在选用电筒最高使用温度为85 ℃和105 ℃的电容器、环境温度为50℃、不计算因纹波电流引起的电容内部温升、不计算电容器工作电压的影响和选用2 000 h的电容器时，选用105℃电容器计算得出的使用寿命为10.3年；选用85 ℃电容器计算得出的使用寿命只有2.6年。

表1 选用最高使用温度为85 ℃和105 ℃电容器的使用寿命

序号 电容最高温度/℃ 电容器最高温度下的使用寿命/h 环境温度/℃ 使用寿命/年 备注

1 85 2 000 50 2.6 T=0

KV=1

2 105 2 000 50 10.3

在不同环境温度下，电容器的使用寿命如表2所示。在环境温度为30 ℃、选用最高使用温度为105 ℃的电容器、不计算因纹波电流引起的电容内部温升、不计算电容器工作电压的影响和选用2 000 h的电容器时，计算得出的电容器使用寿命为41年；当环境温度为70 ℃时，电容器的使用寿命只有2.6年。

表2 不同环境温度下电容的使用寿命

序号 电容最高温度/℃ 电容器最高温度下的使用寿命/h 环境温度/℃ 使用寿命/年 备注

1 105 2 000 30 41.3 T=0

KV=1

2 105 2 000 35 29.2

3 105 2 000 40 20.6

4 105 2 000 45 14.6

5 105 2 000 50 10.3

6 105 2 000 55 7.3

7 105 2 000 60 5.2

8 105 2 000 65 3.7

9 105 2 000 70 2.6

由表1和表2对照可知，为了使继电保护装置电源的使用年限超过6年，必须选用最高使用温度为105 ℃、最高温度使用时间为2 000 h的电容器，同时，必须使环境温度不超过55℃。如果要将开关电源的使用寿命延长至12年，使开关电源的使用寿命与继电保护的使用寿命相同，就必须提高电源中电容的使用寿命，比如改善电容的使用环境、选用高温下使用时间较长的电容器和保持环境温度不超过设计限值等。

3 结束语

本文讨论了继电保护开关电源的使用寿命与电容器使用寿命的影响因素，为了延长继电保护电源的使用寿命，需选用承受温度能力较强、高温下使用时间较长的电容器。

继电保护的电源应使用散热好、通风能力强的机箱，以便将开关电源工作时产生的热量及时排出装置。此外，微机保护装置的运行环境须保持低温状态，继电保护室的温度应控制在35 ℃以下，这样可使继电保护开关电源服役的年限更长，还能降低维护费用。

参考文献

[1]国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答[M].北京：中国电力出版社，2000.

〔编辑：张思楠〕

About Relay Switching Power Supply Capacitors to Explore Life

Jiang Shaodai

Abstract： The protection device operation management procedures specified in， the age protection devices for 12 years. In the anti-accident measures stipulated in electricity， computer protection switching power supply life span of 6-8 years and must be replaced after eight years of use. The life of the switching power supply is mainly affected by the capacitor life. Research， analysis of the factors affecting the switching power supply and extend the life of the method.

Key words： protection devices； capacitors； power switch； power failure

摘 要：在继电保护装置运行管理规程中规定，继电保护装置的使用年限为12年。在电力反事故措施中规定，微机保护开关电源的使用年限为6～8年，使用8年后必须更换。开关电源的使用寿命主要受电容使用寿命的影响。研究、分析了开关电源使用寿命的影响因素和延长方法。

关键词：继电保护装置；电容器；电源开关；电源故障

中图分类号：TN77；TN86 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）17-0063-02

经统计，在某供电局3 000多套保护装置3年内所出现的问题中，因开关电源故障产生的缺陷占46%（开关电源故障是造成继电保护装置缺陷的主要原因）。在使用6年以上的开关电源出现的故障中，因开关电源电解电容的容量降低或失效造成的电源故障占67%；因稳压二极管故障造成的开关电源故障占11%；其他原因造成的电源故障占22%.

继电保护装置的作用是当被保护元件发生故障时，自动、迅速、有目的地将故障部位从电力系统中隔离。因运行中的设备不允许退出保护运行，所以，在更换保护装置的开关电源时必须使一次设备断电。

各厂家提供的开关电源的使用寿命各不相同，有些电源的寿命只有5年，也有12年以上的。要想延长电源的使用寿命，就必须延长开关电源中电容器的使用寿命，这样有利于继电保护装置的安全运行，能降低继电保护设备的缺陷率和提高继电保护设备的服役年限。

1 开关电源的工作原理和存在的问题

继电保护工作电源使用直流220 V、110 V，交流220 V电源。继电保护CPU板、开出驱动板等板件使用直流弱电5 V、±12 V和24 V供电。继电保护开关电源的作用是将强电DC220 V（DC110 V、AC220 V）转变为弱电5 V、±12 V、24 V模块。

继电保护开关电源的工作原理如图1所示。开关电源的三极管Q1以不同的频率间隔、重复地接通和断开。当Q1断开时，负载将得到连续的、不同的能量提供，并通过电容C储能；当开关三级管Q1导通时，能将一部分能量储存起来，并在三级管Q1断开时向负载释放。

图1 开关电源的工作原理

开关电源的高压整流滤波电路使用C1的电解电容，输出整流滤波电路使用C2～C5的电解电容。电解电容内部存在电解液，在使用一段时间后，电容器电解液中的干雨滴会造成电容器容量降低或失效。

2 电容器使用寿命的计算方法

2.1 按照最高温度计算

电容器的使用寿命与电容器的型号、运行温度、纹波系统和工作电压有关。具体的计算公式如下：

Lx=L0×KT×KR1×KV=L0×2（T0-Tx）/10×2-T/5×KV. （1）

式（1）中：L0——电容加速寿命；

KT——环境温度影响系数；

KR1——纹波电流影响系数；

T0——电容最高工作温度；

Tx——电容实际工作温度；

KV——工作电压影响系数；

T——纹波电流所引起的电容内部温升。

2.2 选型、环境温度与使用寿命的关系

电容选型与电容器使用寿命的关系如表1所示。在选用电筒最高使用温度为85 ℃和105 ℃的电容器、环境温度为50℃、不计算因纹波电流引起的电容内部温升、不计算电容器工作电压的影响和选用2 000 h的电容器时，选用105℃电容器计算得出的使用寿命为10.3年；选用85 ℃电容器计算得出的使用寿命只有2.6年。

表1 选用最高使用温度为85 ℃和105 ℃电容器的使用寿命

序号 电容最高温度/℃ 电容器最高温度下的使用寿命/h 环境温度/℃ 使用寿命/年 备注

1 85 2 000 50 2.6 T=0

KV=1

2 105 2 000 50 10.3

在不同环境温度下，电容器的使用寿命如表2所示。在环境温度为30 ℃、选用最高使用温度为105 ℃的电容器、不计算因纹波电流引起的电容内部温升、不计算电容器工作电压的影响和选用2 000 h的电容器时，计算得出的电容器使用寿命为41年；当环境温度为70 ℃时，电容器的使用寿命只有2.6年。

表2 不同环境温度下电容的使用寿命

序号 电容最高温度/℃ 电容器最高温度下的使用寿命/h 环境温度/℃ 使用寿命/年 备注

1 105 2 000 30 41.3 T=0

KV=1

2 105 2 000 35 29.2

3 105 2 000 40 20.6

4 105 2 000 45 14.6

5 105 2 000 50 10.3

6 105 2 000 55 7.3

7 105 2 000 60 5.2

8 105 2 000 65 3.7

9 105 2 000 70 2.6

由表1和表2对照可知，为了使继电保护装置电源的使用年限超过6年，必须选用最高使用温度为105 ℃、最高温度使用时间为2 000 h的电容器，同时，必须使环境温度不超过55℃。如果要将开关电源的使用寿命延长至12年，使开关电源的使用寿命与继电保护的使用寿命相同，就必须提高电源中电容的使用寿命，比如改善电容的使用环境、选用高温下使用时间较长的电容器和保持环境温度不超过设计限值等。

3 结束语

本文讨论了继电保护开关电源的使用寿命与电容器使用寿命的影响因素，为了延长继电保护电源的使用寿命，需选用承受温度能力较强、高温下使用时间较长的电容器。

继电保护的电源应使用散热好、通风能力强的机箱，以便将开关电源工作时产生的热量及时排出装置。此外，微机保护装置的运行环境须保持低温状态，继电保护室的温度应控制在35 ℃以下，这样可使继电保护开关电源服役的年限更长，还能降低维护费用。

参考文献

[1]国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答[M].北京：中国电力出版社，2000.

〔编辑：张思楠〕

About Relay Switching Power Supply Capacitors to Explore Life

Jiang Shaodai

Abstract： The protection device operation management procedures specified in， the age protection devices for 12 years. In the anti-accident measures stipulated in electricity， computer protection switching power supply life span of 6-8 years and must be replaced after eight years of use. The life of the switching power supply is mainly affected by the capacitor life. Research， analysis of the factors affecting the switching power supply and extend the life of the method.

Key words： protection devices； capacitors； power switch； power failure