变电站二次设备电源模块状态检测平台设计

2023-12-04黄详淇周耀龙陈科方涛徐纵

中国设备工程 2023年22期

黄详淇，周耀龙，陈科，方涛，徐纵

（国网浙江省电力有限公司超高压分公司，浙江杭州 311232）

近年来，变电站内继电保护装置、自动控制装置，以及一次系统辅助装置的电源模块的故障率呈上升趋势。某省电网近3 年的统计数据显示，电源模块故障导致的继电保护装置故障占继电保护装置故障的16.0%；地处山区的变电站由于直流电源系统改造、周边生产单位用电波动较大等原因，经常造成电源模块烧毁。因此，确保电源模块的稳定可靠工作有重要意义。

为提高电源模块的运行可靠性，已有文献针对电源模块内部的改良进行了研究。文献[1]分析了电源模块故障的原因，指出了影响电源模块寿命的主要内部因素。文献[2]通过在电源模块加装避雷器和浪涌保护器，控制温升、加强除尘等方式提高电源模块的正常运行时长。文献[3]通过对阿列纽斯方程的研究，分析了电源模块内部使用长寿命电解电容的优势，并给出提高电源模块寿命的选型指导。

由于变电站现场装配的电源模块，各厂家装置和模件的质量问题较多且型号不一。通过电源模块内部改良的方式，成本大、不具有通用性，难以短时间内投入生产应用。同时，新版《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》已取消了对国产微机保护装置6 年定期更换电源模块的检修策略，进入“故障更换”模式，因此对电源模块长期跟踪监测，发现问题及时更换的策略更加行之有效。目前，尚无文献对变电站电源模块长期跟踪监测有系统的总结与概括，同时现场工作中电源模块故障导致的二次设备问题占比大。据此，本文建立了变电站二次设备电源模块状态检测平台，设计变电站二次设备电源模块专用板卡接口装置以匹配不同类型电源模块接口，实现测量端子的通用性，能够对二次设备的电源模块进行功能性、可靠性的检测。同时，本文在检测平台的基础上，建立变电站二次设备电源模块检测平台评估体系，通过测试数据，制定电源模块评估指标及技术要求，对变电站内二次装置的电源模块的健康状况进行检测，对电源模块的工作状态给出定性和定量的评估结果，并以此积累技术数据，对变电站二次设备电源模块性能状态进行长期跟踪监测，为电源模块的维护检修积累数据，为检修策略制定提供技术依据。

1 电源模块故障及原因

经统计，近年来，现场保护装置电源模块故障主要有三大类：（1）因电容损坏导致的最多；（2）电源模块老化，该类电源模块的运行时间大部分超过5 年，有的甚至达到10 年，应给予替换；（3）电源无输出或烧毁，其与自身的运行温度等相关，以下将对电源模块故障原因进行分析。

1.1 内部组件故障

电源模块内部组件故障最主要原因是电容元件失效或损坏（尤其是电解电容失效）。根据开关电源的电路结构可知，开关电源的输入和输出都需要电容进行电压调节，电容应用于电路的各个部分，任何电容失效对电源回路的影响都是巨大的。

电源回路中的电解电容由于其不耐高温，当电源模块工作在温度较高的环境下，电容的耐压将会急剧降低，同时漏电流和损耗增大，严重影响电源模块输入输出的电压质量。逆变电源技术条件要求，逆变电源的平均无故障时间（MTBF）应为50000 ～100000h；而据目前模块中现场应用较多的日产Rubycon 电容的产品资料，其电解电容在65℃下的寿命一般是32000h，温度每升高10℃，电容寿命降低一半。开关电源模块的使用寿命约等于电解电容的使用寿命，而电解电容的寿命直接与其运行温度挂钩。

1.2 外部环境恶劣

变电站继电保护小室内运行条件较为恶劣，电磁干扰难以避免。若电源模块的抗电磁干扰能力差，小室内外部电源将串入电源模块保护回路，影响电源模块电压输出质量，甚至使微机保护装置误动或拒动，扩大电网事故范围。

1.3 电压输出失准

电源模块的电压输出主要存在两种问题：（1）输出功率稳定性差；（2）纹波系数过高。若输出功率不稳定，电压下降或升高过大会导致电路基准值突变等一系列问题，进而影响微机保护的逻辑配合，甚至导致逻辑功能判断错误。若电源模块输出的电压纹波系数过高（纹波系数表示为输出电压的交流量与直流量的比值），交流分量一般为高频量，高频幅值过高会影响设备寿命，甚至造成逻辑错误或导致保护拒动。同时，过大的纹波量对电源模块的元件也是额外的损伤，影响其寿命。

除了电源模块工艺上的缺陷，现场电源模块故障主要是运行过程中内部组件故障、外部环境恶劣、电压输出失准等原因造成，并具有突发性，难以有效控制，因此，需要建立有效的电源模块状态检测平台，对运行中的电源模块进行定期的检测，评估电源模块的运行工况，及时发现电源模块的故障及缺陷。

2 变电站电源模块检测平台

2.1 平台框架

为评估变电站现场电源模块实际状态，本文构建了变电站电源模块检测平台，平台配有可编程激励电源、可编程电子负载、专用板卡接口装置、数字测量仪器等。

可编程激励电源通过程序设定电源试验量序列输入电源模块，可编程电子负载通过程序设定电路负载序列模拟电源模块真实工作环境。由于不同厂家的电源模块各不相同，因此平台提供了一种专用板卡接口装置，匹配不同厂家的电源模块接口，并以统一的测量端子引出。同时，利用高精度仪表、数字测量仪器等数字测量仪器在引出端子处测量输出电气量，实现电源模块性能定量测试。最后，将各项测量数据上送至数据库，用于指标分析与对比。

2.2 专用板卡接口装置

为保证电源模块检测平台的通用性，专用板卡接口装置是连接数据库与电源模块的重要装置，是检测平台可靠实现的重中之重，直接影响检测平台的准确性和通用性。由于各厂家电源模块封装方式不同，从而专用板卡接口装置设计上不仅要满足多参数测试要求，即不同测试仪器、电源模块的接口，还要具备大批量测试需求。设计应兼顾功能和量产要求。

针对人工插拔测试时经常性插拔电源模块引脚的效率低下、电源模块带电测试不安全等问题，专用板卡接口装置通过转换插针、统一测试接口等方式来满足多参数测试要求，提升不同电源模块测试效率和测试安全性。专用板卡接口装置提供了输入输出接口：（1）统一的、通用的与测试仪器及数据库相连的输出接口；（2）多样化的、适用不同厂家电源模块的输入接口。

专用板卡接口装置设计以接口管脚设计和结构优化为主，对于不同厂家的电源模块，装置内部夹具考量了管脚类型及定义、尺寸要求、测试指标等，以机械安装代替手动连线，夹具外围电路少、布线清晰、耐插拔。同时，装置外部可靠封装，避免了操作不当造成的触电危害。专用板卡接口装置的设计有效地解决了人工插拔测试方式存在的问题，对电源模块通用测试的工程化应用有重要意义。

3 变电站电源模块检测平台评估体系

为更好地评估电源模块运行时的工况，在建立变电站电源模块检测平台的基础上，需根据模块的功能，对测试数据制定相应的技术指标进行衡量。因此，本文提出了10 项评估指标及技术要求，进一步建立了电源模块检测平台评估体系。

3.1 电源模块启动电压测试

为检验电源是否可以正常启动，电压启动过程中波形是否单调，测试人员需在输出空载、半载、满载条件下，调节可编程激励电源输出电源额定工作电压，用数字测量仪器监视启动电压的单调性、启动时间、启动后的电压幅值。电源模块应满足在0 ～100%额定负载，输入电压从0 开始缓慢上升到80%额定电压之前，可靠启动的技术要求。

3.2 电源模块输入极限电压测试

为检验电源是极限电压输入条件下，电压启动过程中波形是否单调，电源模块是否可以正常启动，测试人员需调节负载分别输出空载、半载、满载，并设置可编程激励电源输出电源最低工作电压、最高工作电压，用数字测量仪器监视启动电压的单调性、启动时间、启动后的电压幅值。电源模块应满足在0 ～100%额定负载，输入电压在70%～120%额定电压范围内，电源模块应可靠启动的技术要求。

3.3 电源模块重复启动测试

为检验电源重复开机启动是否正常，测试人员需在输出额定负载条件下，调节可编程激励电源输出电源额定工作电压，重复关机、开机5 次，每次间隔10s。电源模块应满足以下两点技术要求：（1）额定负载情况下，输出电压从10%升到95%额定电压时的稳定建立时间宜不大于35ms。（2）在额定负载、额定输入电压下，开机冲击电流不大于20A，冲击电流下降到1.5 倍额定输入电流的时间不大于10ms。

3.4 电源输出准确度

为检验电源环路及输出整流滤波电路是否正常，测试人员需在输出额定负载条件下，调节可编程激励电源输出电源额定工作电压，用数字测量仪器测试输出端电压的伏值。电源模块应满足的技术要求如表1。

表1 电源输出准确度技术要求

其中，额定电压对应图3 中电源模块的不同电压等级，基准误差表示为高度精度测试输出端电压幅值与可编程激励电源输入电源模块的工作电压之比。

3.5 综合调整率

为检验电源环路稳定性和响应速度及检验电源环路稳定性是否正常，测试人员需在电源额定负载下，调节电源由80%额定电压阶跃至120%额定电压，用数字测量仪器抓取电压突变的最高点和持续时间。调节电源由120%额定电压阶跃至80%额定电压，用数字测量仪器抓取电压突变的最低点和持续时间。取两者中的最大值。电源模块应满足电源输入电压在80%～120%额定电压范围内变化，负载功率在10%～100%额定功率范围内变化时，测得的综合调整率（电源模块输出电压与额定电压之比）与不同等级额定电压对应关系如表2 的技术要求。