基于继电保护装置的开关电源故障与改进研究

李建龙

（北京新雷能科技股份有限公司，北京 102200）

0 引 言

近年来，随着电力系统规模的不断扩大，继电保护装置在电力系统中的应用也越来越广泛，其功能也越来越多。继电保护装置在运行过程中，不仅要满足继电保护装置本身的工作要求，而且需要满足电力系统运行的各种需求[1]。而继电保护装置由微机型电子式继电保护装置、计算机和通信设备等构成。当电力系统发生故障时，继电保护装置可以及时动作跳闸，使故障范围内的设备脱离故障区域，从而保证电网的安全运行。然而，由于电力系统中存在各种干扰源，导致继电保护装置发生误动或拒动等情况，从而造成设备损坏或事故。因此，明确继电保护装置开关电源故障原因，并提出针对性的解决对策，对提高继电保护装置稳定性和安全性具有重要意义。

1 继电保护装备开关电源故障案例分析

1.1 开关电源的工作原理

开关电源主要由整流电路、逆变电路、滤波电路以及控制电路组成。整流电路将交流电变成直流电；逆变电路将直流电变成高频交流电；滤波电路将高频交流电滤掉；控制电路将高频交流电整流成稳定的交流电[2]。

开关电源可以根据实际需求对负载进行供电：当负载大于额定电流时，输出电压会升高；当负载小于额定电流时，输出电压会降低。当开关频率一定时，输入电压和输出电压成正比，因此通过控制开关频率可以得到负载需要的最大输出电压。

目前，在开关电源中广泛采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）整流技术，也就是将50 Hz 的交流电压变换成频率为50 Hz 的直流电压，使用PWM 整流技术可以降低输出电压的纹波电流，使输出电压更加稳定。在直流电源中采用PWM 整流技术可以提高电源的稳定性。通过分析，控制电路和滤波电路是开关电源最重要的组成部分，因此在研究中必须加强对其的重视[3]。

当开关频率不变时，如果输出电压不变，那么输出电流和功率因数都会改变。当开关频率不变时，输入电压的大小决定了输出电压的大小，输出电压越大，输入电压越小。在开关电源中，通过控制电路，可以调节开关电源的输出电压，从而调整输出电流和功率因数。开关电源的输入电压可以是直流、交流或2 者都有。

一般情况下，当输入电压为交流电时，开关电源可以正常工作；当输入电压为直流电时，开关电源会出现一种半桥变换器形式，这种变换方式转换效率较高，并且无须变压器和整流电路，但是功率损耗较高。而当输入电压为交流电时，开关电源会出现全桥变换器形式，这种方式转换效率较低、不能满足需求。因此，在实际的应用中需要根据不同的情况来选择不同的变换方式。

1.2 继电保护装置的开关电源故障描述

2020 年9 月16 日，某工程继电保护装置线路出口保护跳闸，强送不良，重合不良，造成开关电源故障的原因为开关电源电缆受外力作用发送损坏，导致AB 相发生短路故障，故障如图1 所示。故障位置13809 为继电保护装置，13809 高压柜开关处于合位，保护装置未通电，进而导致保护动作未执行，造成跳闸故障。另外，13809 开关为合位状态，导致跳闸故障未被隔离，造成强送不良和重合不良。

1.3 故障原因分析

当没有配电网的控制设备且只配备微机保护装置时，如果下级电源电缆出现了永久性的故障，那么微机保护装置和开关电源保护会在同一时间执行保护动作。因为微机保护装置不具有重合闸的功能，所以可以将故障进行隔离，然后依靠线路出口重合闸，就可以将非故障区域的供电重新恢复。如果配线是一条架空与一条电缆混杂的配线，那么可以在配线端跳闸后，根据测量系统对集中式的在线状况及采集的电压进行检测，从而确定配线端的故障位置[4]。

根据继电保护装置开关电源内部元件损坏或老化原因分析可知：在继电保护装置开关电源工作过程中，内部元件的损坏或老化会直接导致继电保护装置开关电源无法正常工作。因此，为有效地解决继电保护装置开关电源故障问题，要对继电保护装置开关电源进行维修或更换。但在对继电保护装置开关电源进行维修或更换时，需要对继电保护装置进行全面的检测。具体检测内容包括以下几点：一是，将继电保护装置开关电源进行通电检查，并观察其运行状态是否正常；二是，对继电保护装置开关电源的各部分线路和元器件进行逐一检测，包括电压、电流、温度等方面；三是，对继电保护装置开关电源中的所有元件进行测量和检验[5]。

除此之外，需要检查继电保护板上的指示灯是否正常运行。在对继电保护板进行检测和检验时，必须确保继电保护设备开关电源工作正常。通过以上内容可以发现：在对继电保护板上的指示灯进行检查时，必须确保指示灯能正常运行。

2 继电保护装置开关电源故障改进方案

2.1 更换取电互感器

当开关电源中的二次电压互感器的二次绕组绝缘击穿，或由于其他原因使互感器二次绕组出现故障时，会造成开关电源中的二次电压互感器不能正常工作，从而使开关电源输出的电压存在较大波动，甚至无法输出。为解决这一问题，提出了一种新型的开关电源改进方法，即更换高精度取电互感器。

这种方法是在开关电源中加装一组高精度取电互感器，并将其与开关电源的输出端口并联，当开关电源输出端口的电压变化时，高精度取电互感器的输出电压也会随之发生变化，从而使开关电源能够正常工作[6]。

开关电源的输出端通常接有继电器、接触器等，当继电器或接触器吸合时，就会产生较大的电流，而继电器或接触器不能正常工作时，就会导致开关电源输出端存在较大电流。开关电源内部的二次电压互感器具有很高的精度，其二次绕组的匝数和线径可以进行灵活调整，因此在开关电源中加装一组高精度取电互感器可以增强开关电源的可靠性和稳定性。

当开关电源中加装一组高精度取电互感器后，可以将开关电源输出端的电流调整到正常值。由于二次电压互感器的线径较粗，其精度较高，因此二次电压互感器可调整到较高精度。当开关电源中加装一组高精度取电互感器后，在开关电源输出端电压不变时，二次电压互感器的线径将会变小，从而降低开关电源输出端电压。当开关电源中加装一组高精度取电互感器后，由于二次绕组的匝数和线径较细，二次绕组的线径将会变小。为增强开关电源的可靠性和稳定性，需要适当地降低开关电源中二次绕组的线径[7]。

2.2 配备电容分压取电装置

当开关电源中的二次电压互感器出现故障时，会导致开关电源输出端出现较大的电流，而当开关电源输出端产生较大的电流时，会引起二次绕组发生故障。由于开关电源中的二次绕组含有大量的电容，当开关电源中的二次绕组出现故障时，会造成开关电源输出端存在较大电流[8]。

开关电源中加装一组电容分压取电装置后，可以使开关电源输出端产生的电流减小，从而使开关电源输出端电压降低，改善开关电源输出端存在较大电流的问题。当开关电源中加装一组电容分压取电装置后，可以将电容进行合理的分压，使二次绕组产生的电流减小。电容分压取电装置具有较大的容抗和感抗，因此可以减小开关电源输出端产生的电流。开关电源中的二次绕组会产生较大的电流，因此需要对二次绕组进行合理分压。当开关电源中加装一组电容分压取电装置后，开关电源输出端产生的电流减小时，电容分压取电装置具有较大的容抗和感抗，因此可以增大电容分压取电装置的容抗和感抗。开关电源中加装一组电容分压取电装置后，二次绕组中产生的电流也会随之减小。

2.3 多电流互感器并联取电

在开关电源中，一次侧的电流可以通过二次侧的电流互感器进行测量，但是一次侧的电流一般较小，当开关电源中的一次侧出现故障时，会造成一次侧出现较大电流。为解决该问题，可以安装多电流互感器（Current transformer，CT）并联取电。开关电源中的二次电压互感器的二次绕组有6 根线圈组成，分别与开关电源中的6 个开关模块连接。当开关电源中出现故障时，开关电源输出端存在较大的电流，此时如果将每根线圈上的3 个开关模块并联连接起来，将会造成开关电源中的二次绕组中的电流减小[9]。

通过对开关电源进行改进后，可以使开关电源输出端存在较小的电流。由于二次电压互感器不能正常工作时，会造成一次侧出现较大的电流。当开关电源中出现故障时，会导致二次侧出现较大的电流。当二次侧产生较大的电流时，会导致二次绕组中产生较大的电流。当出现故障时，将每根线圈上3 个开关模块并联连接起来后可以减少二次绕组中产生的电流。

3 结 论

随着我国电力事业的快速发展，电力系统运行中对继电保护装置的要求也越来越高，在电力系统中，继电保护装置作为保证电网安全稳定运行的重要组成部分，其自身的安全可靠运行直接关系到电力系统的正常运行和电力用户的用电安全，因此对继电保护装置开关电源故障问题进行研究具有十分重要的意义。在分析继电保护装置开关电源工作原理的基础上，针对传统开关电源存在的不足提出了一种新型的开关电源改进方法。该改进后的方法可以有效提高继电保护装置开关电源的可靠性、稳定性和抗干扰能力。