表计型电力用户用电信息采集终端运行损坏故障分析

 引言

国家电网公司于2009年首次公布了智能电网发展计划，随着近年智能电网建设不断地推进，电力用户用电信息采集系统已经在全国广泛应用。仅从2013年国家电网公司的招标结果来看，Ⅲ型专变采集终端共招了87万多台、I型集中器共招了122万多台。多年来，国家电网公司、南方电网公司和一些地方公司每年的招标数量都是很大的，因此有大量的这二类的表计型终端在现场运行。

表计型Ⅲ型专变终端和I型集中器的供电电源有线性电源和开关电源二种。在同等的额定输出功率和使用环境下，开关电源由于其体积小、效率高、节能、适应输入电压范围宽，性价比高，比线性电源有着明显的优势，因此，越来越受到设计人员的青睐，在表计型终端中的使用量呈逐年上升趋势。但是，自从表计型终端使用开关电源以来，在全国范围内也陆续出现了一定数量的表计型终端损坏甚至爆炸的现象，给供电部门和用户造成了一定的影响。

据行业内一些重要终端厂商反映，结合我们调查的情况来看，表计型终端的损坏部分涉及到终端的方方面面，其中终端供电部分的损坏是其中之一，并且有些输入电压为220/380Vac三相四线制供电的表计型终端供电部分的损坏还很严重。当然，终端供电部分的损坏也会导致其它方面的损坏，同样地，终端其它方面的损坏也会导致供电部分的损坏。

多年来，关于使用了开关电源的终端其供电部分的损坏原因在业内争论很多。有说是雷击损坏，有说是电源品质异常出现的损坏，等等，莫衷一是。这里有一个典型的争论例子，在同一现场，在多数情况下，为什么终端供电部分电路会损坏，而相邻使用了线性电源的三相电能表的供电部分却能独善其身?不明真相的人就由此得出结论说开关电源根本不适合应用到终端上。基于此，我们有必要研究导致这类终端供电部分损坏的原因，并提出相应的改进措施，以期解决困扰行业多年的问题，加强终端运行的可靠性，具有很迫切的现实意义。

一、现场终端及使用环境

1.现场终端介绍

表计型终端主要由电源板、控制主板、通讯模块、显示屏和外壳组成。

终端供电部分由输入接线柱、输入导线与电源板构成，电源板一般含有电源输入保护部分、电源部分和交采部分。对于使用了开关电源的终端，其电源部分就是开关电源。

图1是目前几类使用了开关电源的表记型终端常用的供电部分结构及电路简图。图中注明了关键器件的参数。

输入保护电路是为了防止浪涌过电压的侵害。前级输入保护电路由压敏电阻RV1-RV3和限流线绕电阻RX1-RX3组成，后级输入保护使用了一只压敏电阻RV4，有些方案中没有用此压敏电阻。

目前在行业内，三相整流电路主要是采用三相全波整流方式。

开关电源DC-DC转换部分主要由输入整流桥KB、输入滤波电解电容C1-C2、开关变压器T、开关管T1、输入过压保护电路、控制电路和输出电路等组成。



图1：终端供电部分结构及电路简图

2.终端使用环境

1)终端全部安装在配电网末端配电变压器旁。

2)配电变压器一次侧开关为断路器或跌落式熔断器(又称零克)，二次侧开关为隔离开关。

3)末端配电变压器以△/Y方式联结的居多，一般电压比为10/0.4kV。

4)线路提供给终端的供电方式有三种：100Vac三相三线供电、57.7/100Vac或220/380Vac三相四线供电，前二种由配电变压器一次侧PT供电，后一种由二次侧直接供电。

5)图2是220/380Vac三相四线供电终端现场接线示意图。



图2：220Vac/380Vac三相四线供电终端现场接线示意图

二、终端损坏情况及初步分析

1.终端损坏现象

一般损坏现象有：输入接线柱熔化、接线柱附近外壳塑料烧焦、输入导线烧断、线绕电阻RX1-RX3灼伤或烧断开路或烧脱落、整流管D1-D16开路或短路损坏、电解电容C1-C2鼓包或漏液或爆裂或从线路板上炸脱落、开关管T1短路或爆裂、压敏电阻RV4失效或爆裂或炸脱落、线路板上印制线起皱或断裂、线路板被烧黑或烧成碳灰。部分终端仅输入导线在焊盘处烧断，焊盘附近线路板上有明显烧灼痕迹;或者是仅输入接线柱熔化、接线柱附近外壳塑料烧焦;有少部分终端爆炸。

2.终端损坏特征

经现场调查和分析，发现终端损坏有如下几方面的特征：

1)因供电原因引起损坏的终端采用220/380Vac三相四线供电 ，并且终端的开关电源前端采用了三相全波整流方式。

2)一般在安装好终端后，或切断配电变压器后，投入空载配电变压器时损坏居多，尤以配电变压器一次侧开关为零克时为甚;少部分损坏发生在10KV配电线路停电后再次送电时;还有少部分损坏发生在电网和设备正常运行时。

3)一般终端损坏部位出现在输入进线接线柱、输入导线、前级输入保护部分、三相全波整流二极管、后级输入保护压敏电阻、开关电源部分的输入滤波电解电容C1-C2和开关MOS管T1。平常压敏电阻RV1-RV3损坏较少见，而一般雷击时压敏电阻RV1-RV3损坏多见。有一种典型的损坏仅发生在终端供电接线柱到电源板输入焊盘处。

4)部分终端损坏部位除上述部位外，还会波及到交采电路、载波通讯电路。少部分终端仅损坏交采电路。

5)少部分终端爆炸产生的冲击波会掀开终端的表盖，导致整个终端报废，更为严重的会撞碎表计柜。

三、终端损坏机理分析

1.供电部分电路损坏分析

从上面所描述的损坏现象来看，作为电气设备的终端被电损伤，归根到底还是因为施加在终端上面相关部位的电压和通过的电流大小超过了终端相关元件的耐受能力。排除元件本身个体上的差异出现的损坏，首先我们需要考虑的是元件的设计值是否在额定工作范围内，再来考虑极端条件下元件的工作情况。

对于额定电压220/380Vac的三相四线输入，考虑实际输入电压高于额定电压25%，那么实际输入电压就是275/475Vac，经三相全波整流滤波后的直流母线电压为Vin=665Vdc。一般开关电源的设计功率为10-15W，终端实际额定功率不到10W，瞬时功率不到15W。综合上面所述的器件的参数来看，图1部分所选择的器件是足以满足正常工作需要的。

作为元件，因电流超标而损坏的前提是该元件后接的器件或负载产生的电流过大，超过了设计值，或者是出现了短路的现象。就终端开关电源本身而言，它有电流过载和短路保护电路，我们假设这一电路是可靠的，因此我们可以忽视开关电源输出负载因素的影响。

那么，会是什么原因造成开关MOS管T1损坏呢?在开关控制正常的情况下，唯一的因素就是过电压超过了它本身的承受能力。我们一般设计的开关电源输入过压保护电路的保护点为Vp=750±50Vdc，也就是说当输入直流母线电压Vin超过Vp值时，开关管会处于关断保护状态，但是，当开关MOS管上出现大于或等于最大额定耐压值时，即Vin≥900V或1000V时，可能会损坏开关MOS管。开关MOS管损坏一般会引起开关管T1短路。

对于三相整流二极管D1-D16，如果选取的是耐压1KV的整流管，因过电压损坏至少电压要大于或等于3KV。现场出现这高电压值的可能性只有雷击过电压和谐振过电压，除此之外，导致它们损坏的因素只能是后级的开关MOS管过流或短路、压敏电阻RV4过流或短路、电解电容C1-C2支路过流或短路。

而导致C1-C2支路和RV4支路过流或短路的唯一原因，只能是二条支路上出现过电压损坏电解电容C1-C2和压敏电阻RV4。而一般压敏电阻过压损坏的后果是出现短路的现象居多，开路的较少;电解电容过压后出现过流、短路、开路的情况均存在。因此，我们仍然可以得出结论，因过电压损坏电解电容和压敏电阻RV4，会引起三相整流二极管的损坏。当Vin≥800Vdc或900Vdc时，就可能损坏电解电容C1和C2。当Vin≥745Vdc的电压持续加在20K550压敏电阻RV4上一定时间时，或当Vin≥825Vdc的电压持续加在20K625压敏电阻RV4上一定时间时，就会导致RV4的击穿损坏，出现RV4支路短路。

在线绕电阻RX1-RX3的后级出现大电流或短路的情况下，绝对会对线阻电阻造成损害，严重者会导致线绕电阻烧断。

总之，当输入供电电压的直流母线电压Vin≥Vp=750±50Vdc时，电路会因过电压面临损坏风险。

2.配变电压器非全相投入产生的暂时过电压是造成终端损坏的主要原因之一

(1)供电线路的过电压及其一般特点

一般地，供电线路的过电压分为外部过电压和内部过电压。雷击过电压为外部过电压，对于电网自身参数发生变化产生的过电压，称为内部过电压。雷击过电压会造成终端损坏是毋庸置疑的。

内部过电压分为操作过电压和暂时过电压。操作过电压主要是指投切配电设施产生的过电压，它的特点是在工频电压分量上叠加一高频衰减振荡波，或者叠加一非周期性的冲击波，幅值会是工频电压的二倍甚至三倍，持续时间短，一般不大于0.1s。暂时过电压分为工频电压升高和谐振过电压，它的特点是工频电压或叠加在工频电压上的倍频电压、分频电压会升高，严重时会超过额定电压的一倍，持续时间可能较长，尤其是出现基波铁磁谐振时，幅值可能相当大。

不管是外部过电压，还是内部过电压，一旦其幅度和持续时间达到一定水平时，肯定会对终端造成损害。

(2)配电变压器非全相空载投入产生暂时过电压机理分析

配电变压器非全相空载投入是指变压器处于空载时，一次侧A、B、C三相开关投入不同步，导致变压器在一定时间内处于非全相运行。断路器开关的三相不同步投入和三相零克的不同时投入是客观存在的，尤其是后者在现实中普遍存在，并且操作极为不规范，出现配电变压器非全相空载投入的现象相当普遍。

1) 配电变压器非全相空载投入会导致低压侧电压一相相电压是正常值电压，另二相的相电压均为正常值的一半，方向一致，但与正常电压值相的方向刚好相反。

如图2，假如我们先投入零克B，然后投零克C，过一定时间后再投零克A，换言之，在一段时间内让A相处于缺相状态。

对于普遍使用的△/Y0-11方式联结的配电变压器，我们不难作出此时的电压相量图为图3。从相量图上得知，配电变压器在断A相空载投入时，会导致低压侧相电压Ub是正常值电压，另二相Ua和Uc的相电压均为正常值的一半，且Ua和Uc方向一致，但与Ub相的方向刚好相反。假设Ub=Umsinωt，则Ua=Uc=0.5Umsin(ωt+π),图4是此时的低压侧各相电压的波形图。



图3：配电变压器低压侧电压相量图



图4：低压侧各相电压的波形图

2) 空投变压器产生的励磁涌流含有二次谐波和三次谐波，在非全相投入时，产生的谐波会出现在低压侧，出现暂时过电压。

配电变压器投入时产生的励磁涌流持续时间较长，从数十个电源周期到数十秒不等。励磁涌流的幅度与变压器的二次负荷无关，但持续时间与二次负荷有关。因此，空载投入时，励磁涌流持续的时间要长些。

产生励磁涌流时，会产生大量的奇次和偶次谐波，但以二次和三次为主。低压侧二次谐波的幅度可以达到基波的30%-50%，三次谐波的幅度可以达到基波的50%。假设幅值均达到基波的50%，则考虑高压侧A相缺相和二种谐波后的低压侧b相、a相和c相的电压为：

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)

当φ1=-π/2、φ2=-π时，上式的最大值可以达到最大，此时的合成波输出波形如图5所示。



图5：含有二、三次谐波分量的合成电压波形图

显然，低压侧Ub的最大幅度会达到正常值的2倍，即为2Um，持续时间会较长，出现暂时过电压。同时，电压波形发生了畸变，一方面波形相对时间轴不对称，出现了偏移，因此有直流分量存在，这是偶次谐波造成的;另一方面波形出现了台阶，这是奇次谐波造成的。这一结论跟我们在许多现场测量到的波形是吻合的。

3) 对于三相全波整流的开关电源，在变压器非全相投入时，电流不流经零线N，直接在火线之间流动，这样会加强过电压的影响，形成损害终端的主要原因之一。

当低压侧的电压波形是如图5的情况时，在图1所示的三相全波整流电路中，输入电流直接在Ub与Ua(Uc)之间流动，加在三相整流输入上的电压差为Ubc和Uba。因此，配电变压器非全相空载投入时，直流母线电压Vin有可能到达3Um,也就是会出现超过1000V的持续过电压。

4) 压敏电阻属于瞬态电压抑制器件，在终端内不能有效阻止暂时过电压的伤害。

终端内使用的20K的压敏电阻通流容量仅有5KA，对持续的暂时过电压的吸收能力有限，并且有可能自身受到损坏，因此，它既不能有效保护其它器件，自身也成了一个隐患点。图1方案中所用到的压敏电阻RV4有时就会起到加重伤害终端的危险，在有些方案中，就没有使用此器件。换言之，使用压敏电阻来对抗持续的暂时过电压，在终端内部实现起来是相当困难的。所以，即使大家在终端内使用了压敏电阻，也未能有效阻止一些极端条件下的损害。这种极端条件包括雷击过电压和具备一定幅值持续一定时间的暂时过电压。

3.弧光放电是引起终端爆炸的直接原因

当两电极间电压升高时，空气可能会被电离产生弧光放电。弧光放电一般不需要很高的电压，属于低电压大电流放电，当两个电极先接触后再拉开建立了电弧，维持此10mm长的电弧只需要20V的电压。

对于终端而言，因内部过电压和雷击过电压施加在其内部时，会发生带电导体间的电弧性短路起火和爬电起火。一个典型的现象在终端内常会发生，就是使用了压敏电阻后，在压敏电阻因过电压损坏出现短路后，压敏电阻的二极间会因大电流烧断，如果加在上面的电压仍然存在，这时很容易形成弧光短路。

雷击过电压、带有直流分量的内部过电压和内部直流电压，产生的电弧会持续较长的时间而不容易熄弧，而配电变压器非全相空载投入产生的暂时过电压也带有直流分量。电弧产生的高温会在几千度到上万度，高温电弧光不仅会引起终端输入导线在焊盘处烧断，器件损坏，还会引起绝缘物质燃烧，更会引起金属接线柱和元件的金属部分熔化、飞溅，进一步加剧终端内部短路的形成，高温电弧瞬间会在终端这样一个狭小封闭的空间里释放出巨大的能量，引起终端燃烧和爆炸，造成灾难性的后果。

四、结论及改进措施

通过上述分析，不管是雷击过电压，还是内部过电压，对终端一定会产生伤害，这种伤害的冲击效应和累积效应作用于终端后，会导致终端立即损坏，或带伤运行一段时间后损坏。因此，我们不难理解为什么有的终端是在极端电压情况出现时损坏，有的终端被认为在正常供电电压时损坏。

总之，我们可以得出结论，终端供电过电压是导致终端损坏的重要原因，尤其是配电变压器非全相空载投入产生的暂时过电压是当今造成终端损坏的主要原因之一，过电压作用于终端后产生的弧光放电是引起终端爆炸的直接原因。

为了将上述原因造成的终端损坏的几率降到最低程度，建议终端生产厂商和使用单位采取如下措施：

1)在配电变压器低压侧安装大容量的避雷器，抑制雷击浪涌过电压和大能量的瞬时操作过电压。

2)建议相关方面按照电力系统的规程操作相关电力设备，避免违规操作出现的过电压。

3)精心设计终端安全的爬电和放电距离，高度重视“三防”处理。

4)利用三相输入半波整流电路代替目前广泛使用的三相全波整流方案，使输入直流母线电压Vin降为全波整流的一半，极大地降低母线电压应力，这对于器件的选择、器件使用的安全以及为设计安全的爬电和放电距离，创造了一个根本性的安全环境，因此，这一措施相当重要，希望引起行业内的高度重视。

作者简介：

1、刘爱国(1965)：男，工学学士，高级工程师，主要从事电力自动化设备的研发及管理。

2、马元鑫(1989)：男，工学学士，助理工程师，主要从事电力营销、城市供用电工程管理及信息化等工作。

3、陈虎(1974)：男，工学学士，高级工程师，长期致力于电力自动化行业开关电源的研究。

4、胡闯(1986)：男，工学学士，工程师，从事用电信息管理终端电源研究。