關于繼電保護開關電源的電容器使用壽命探討
2014-10-22 15:41:50江紹帶
科技與創新 2014年17期
江紹帶
摘 要：在繼電保護裝置運行管理規程中規定，繼電保護裝置的使用年限為12年。在電力反事故措施中規定，微機保護開關電源的使用年限為6～8年，使用8年后必須更換。開關電源的使用壽命主要受電容使用壽命的影響。研究、分析了開關電源使用壽命的影響因素和延長方法。
關鍵詞：繼電保護裝置；電容器；電源開關；電源故障
中圖分類號：TN77；TN86 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）17-0063-02
經統計，在某供電局3 000多套保護裝置3年內所出現的問題中，因開關電源故障產生的缺陷占46%（開關電源故障是造成繼電保護裝置缺陷的主要原因）。在使用6年以上的開關電源出現的故障中，因開關電源電解電容的容量降低或失效造成的電源故障占67%；因穩壓二極管故障造成的開關電源故障占11%；其他原因造成的電源故障占22%.
繼電保護裝置的作用是當被保護元件發生故障時，自動、迅速、有目的地將故障部位從電力系統中隔離。因運行中的設備不允許退出保護運行，所以，在更換保護裝置的開關電源時必須使一次設備斷電。
各廠家提供的開關電源的使用壽命各不相同，有些電源的壽命只有5年，也有12年以上的。要想延長電源的使用壽命，就必須延長開關電源中電容器的使用壽命，這樣有利于繼電保護裝置的安全運行，能降低繼電保護設備的缺陷率和提高繼電保護設備的服役年限。
1 開關電源的工作原理和存在的問題
繼電保護工作電源使用直流220 V、110 V，交流220 V電源。繼電保護CPU板、開出驅動板等板件使用直流弱電5 V、±12 V和24 V供電。繼電保護開關電源的作用是將強電DC220 V（DC110 V、AC220 V）轉變為弱電5 V、±12 V、24 V模塊。
繼電保護開關電源的工作原理如圖1所示。開關電源的三極管Q1以不同的頻率間隔、重復地接通和斷開。當Q1斷開時，負載將得到連續的、不同的能量提供，并通過電容C儲能；當開關三級管Q1導通時，能將一部分能量儲存起來，并在三級管Q1斷開時向負載釋放。
圖1 開關電源的工作原理
開關電源的高壓整流濾波電路使用C1的電解電容，輸出整流濾波電路使用C2～C5的電解電容。電解電容內部存在電解液，在使用一段時間后，電容器電解液中的干雨滴會造成電容器容量降低或失效。
2 電容器使用壽命的計算方法
2.1 按照最高溫度計算
電容器的使用壽命與電容器的型號、運行溫度、紋波系統和工作電壓有關。具體的計算公式如下：
Lx=L0×KT×KR1×KV=L0×2（T0-Tx）/10×2-T/5×KV. （1）
式（1）中：L0——電容加速壽命；
KT——環境溫度影響系數；
KR1——紋波電流影響系數；
T0——電容最高工作溫度；
Tx——電容實際工作溫度；
KV——工作電壓影響系數；
T——紋波電流所引起的電容內部溫升。
2.2 選型、環境溫度與使用壽命的關系
電容選型與電容器使用壽命的關系如表1所示。在選用電筒最高使用溫度為85 ℃和105 ℃的電容器、環境溫度為50℃、不計算因紋波電流引起的電容內部溫升、不計算電容器工作電壓的影響和選用2 000 h的電容器時，選用105℃電容器計算得出的使用壽命為10.3年；選用85 ℃電容器計算得出的使用壽命只有2.6年。
表1 選用最高使用溫度為85 ℃和105 ℃電容器的使用壽命
序號 電容最高溫度/℃ 電容器最高溫度下的使用壽命/h 環境溫度/℃ 使用壽命/年 備注
1 85 2 000 50 2.6 T=0
KV=1
2 105 2 000 50 10.3
在不同環境溫度下，電容器的使用壽命如表2所示。在環境溫度為30 ℃、選用最高使用溫度為105 ℃的電容器、不計算因紋波電流引起的電容內部溫升、不計算電容器工作電壓的影響和選用2 000 h的電容器時，計算得出的電容器使用壽命為41年；當環境溫度為70 ℃時，電容器的使用壽命只有2.6年。
表2 不同環境溫度下電容的使用壽命
序號 電容最高溫度/℃ 電容器最高溫度下的使用壽命/h 環境溫度/℃ 使用壽命/年 備注
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對照可知，為了使繼電保護裝置電源的使用年限超過6年，必須選用最高使用溫度為105 ℃、最高溫度使用時間為2 000 h的電容器，同時，必須使環境溫度不超過55℃。如果要將開關電源的使用壽命延長至12年，使開關電源的使用壽命與繼電保護的使用壽命相同，就必須提高電源中電容的使用壽命，比如改善電容的使用環境、選用高溫下使用時間較長的電容器和保持環境溫度不超過設計限值等。
3 結束語
本文討論了繼電保護開關電源的使用壽命與電容器使用壽命的影響因素，為了延長繼電保護電源的使用壽命，需選用承受溫度能力較強、高溫下使用時間較長的電容器。
繼電保護的電源應使用散熱好、通風能力強的機箱，以便將開關電源工作時產生的熱量及時排出裝置。此外，微機保護裝置的運行環境須保持低溫狀態，繼電保護室的溫度應控制在35 ℃以下，這樣可使繼電保護開關電源服役的年限更長，還能降低維護費用。
參考文獻
[1]國家電力調度通信中心.電力系統繼電保護實用技術問答[M].北京：中國電力出版社，2000.
〔編輯：張思楠〕
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：在繼電保護裝置運行管理規程中規定，繼電保護裝置的使用年限為12年。在電力反事故措施中規定，微機保護開關電源的使用年限為6～8年，使用8年后必須更換。開關電源的使用壽命主要受電容使用壽命的影響。研究、分析了開關電源使用壽命的影響因素和延長方法。
關鍵詞：繼電保護裝置；電容器；電源開關；電源故障
中圖分類號：TN77；TN86 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）17-0063-02
經統計，在某供電局3 000多套保護裝置3年內所出現的問題中，因開關電源故障產生的缺陷占46%（開關電源故障是造成繼電保護裝置缺陷的主要原因）。在使用6年以上的開關電源出現的故障中，因開關電源電解電容的容量降低或失效造成的電源故障占67%；因穩壓二極管故障造成的開關電源故障占11%；其他原因造成的電源故障占22%.
繼電保護裝置的作用是當被保護元件發生故障時，自動、迅速、有目的地將故障部位從電力系統中隔離。因運行中的設備不允許退出保護運行，所以，在更換保護裝置的開關電源時必須使一次設備斷電。
各廠家提供的開關電源的使用壽命各不相同，有些電源的壽命只有5年，也有12年以上的。要想延長電源的使用壽命，就必須延長開關電源中電容器的使用壽命，這樣有利于繼電保護裝置的安全運行，能降低繼電保護設備的缺陷率和提高繼電保護設備的服役年限。
1 開關電源的工作原理和存在的問題
繼電保護工作電源使用直流220 V、110 V，交流220 V電源。繼電保護CPU板、開出驅動板等板件使用直流弱電5 V、±12 V和24 V供電。繼電保護開關電源的作用是將強電DC220 V（DC110 V、AC220 V）轉變為弱電5 V、±12 V、24 V模塊。
繼電保護開關電源的工作原理如圖1所示。開關電源的三極管Q1以不同的頻率間隔、重復地接通和斷開。當Q1斷開時，負載將得到連續的、不同的能量提供，并通過電容C儲能；當開關三級管Q1導通時，能將一部分能量儲存起來，并在三級管Q1斷開時向負載釋放。
圖1 開關電源的工作原理
開關電源的高壓整流濾波電路使用C1的電解電容，輸出整流濾波電路使用C2～C5的電解電容。電解電容內部存在電解液，在使用一段時間后，電容器電解液中的干雨滴會造成電容器容量降低或失效。
2 電容器使用壽命的計算方法
2.1 按照最高溫度計算
電容器的使用壽命與電容器的型號、運行溫度、紋波系統和工作電壓有關。具體的計算公式如下：
Lx=L0×KT×KR1×KV=L0×2（T0-Tx）/10×2-T/5×KV. （1）
式（1）中：L0——電容加速壽命；
KT——環境溫度影響系數；
KR1——紋波電流影響系數；
T0——電容最高工作溫度；
Tx——電容實際工作溫度；
KV——工作電壓影響系數；
T——紋波電流所引起的電容內部溫升。
2.2 選型、環境溫度與使用壽命的關系
電容選型與電容器使用壽命的關系如表1所示。在選用電筒最高使用溫度為85 ℃和105 ℃的電容器、環境溫度為50℃、不計算因紋波電流引起的電容內部溫升、不計算電容器工作電壓的影響和選用2 000 h的電容器時，選用105℃電容器計算得出的使用壽命為10.3年；選用85 ℃電容器計算得出的使用壽命只有2.6年。
表1 選用最高使用溫度為85 ℃和105 ℃電容器的使用壽命
序號 電容最高溫度/℃ 電容器最高溫度下的使用壽命/h 環境溫度/℃ 使用壽命/年 備注
1 85 2 000 50 2.6 T=0
KV=1
2 105 2 000 50 10.3
在不同環境溫度下，電容器的使用壽命如表2所示。在環境溫度為30 ℃、選用最高使用溫度為105 ℃的電容器、不計算因紋波電流引起的電容內部溫升、不計算電容器工作電壓的影響和選用2 000 h的電容器時，計算得出的電容器使用壽命為41年；當環境溫度為70 ℃時，電容器的使用壽命只有2.6年。
表2 不同環境溫度下電容的使用壽命
序號 電容最高溫度/℃ 電容器最高溫度下的使用壽命/h 環境溫度/℃ 使用壽命/年 備注
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對照可知，為了使繼電保護裝置電源的使用年限超過6年，必須選用最高使用溫度為105 ℃、最高溫度使用時間為2 000 h的電容器，同時，必須使環境溫度不超過55℃。如果要將開關電源的使用壽命延長至12年，使開關電源的使用壽命與繼電保護的使用壽命相同，就必須提高電源中電容的使用壽命，比如改善電容的使用環境、選用高溫下使用時間較長的電容器和保持環境溫度不超過設計限值等。
3 結束語
本文討論了繼電保護開關電源的使用壽命與電容器使用壽命的影響因素，為了延長繼電保護電源的使用壽命，需選用承受溫度能力較強、高溫下使用時間較長的電容器。
繼電保護的電源應使用散熱好、通風能力強的機箱，以便將開關電源工作時產生的熱量及時排出裝置。此外，微機保護裝置的運行環境須保持低溫狀態，繼電保護室的溫度應控制在35 ℃以下，這樣可使繼電保護開關電源服役的年限更長，還能降低維護費用。
參考文獻
[1]國家電力調度通信中心.電力系統繼電保護實用技術問答[M].北京：中國電力出版社，2000.
〔編輯：張思楠〕
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：在繼電保護裝置運行管理規程中規定，繼電保護裝置的使用年限為12年。在電力反事故措施中規定，微機保護開關電源的使用年限為6～8年，使用8年后必須更換。開關電源的使用壽命主要受電容使用壽命的影響。研究、分析了開關電源使用壽命的影響因素和延長方法。
關鍵詞：繼電保護裝置；電容器；電源開關；電源故障
中圖分類號：TN77；TN86 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）17-0063-02
經統計，在某供電局3 000多套保護裝置3年內所出現的問題中，因開關電源故障產生的缺陷占46%（開關電源故障是造成繼電保護裝置缺陷的主要原因）。在使用6年以上的開關電源出現的故障中，因開關電源電解電容的容量降低或失效造成的電源故障占67%；因穩壓二極管故障造成的開關電源故障占11%；其他原因造成的電源故障占22%.
繼電保護裝置的作用是當被保護元件發生故障時，自動、迅速、有目的地將故障部位從電力系統中隔離。因運行中的設備不允許退出保護運行，所以，在更換保護裝置的開關電源時必須使一次設備斷電。
各廠家提供的開關電源的使用壽命各不相同，有些電源的壽命只有5年，也有12年以上的。要想延長電源的使用壽命，就必須延長開關電源中電容器的使用壽命，這樣有利于繼電保護裝置的安全運行，能降低繼電保護設備的缺陷率和提高繼電保護設備的服役年限。
1 開關電源的工作原理和存在的問題
繼電保護工作電源使用直流220 V、110 V，交流220 V電源。繼電保護CPU板、開出驅動板等板件使用直流弱電5 V、±12 V和24 V供電。繼電保護開關電源的作用是將強電DC220 V（DC110 V、AC220 V）轉變為弱電5 V、±12 V、24 V模塊。
繼電保護開關電源的工作原理如圖1所示。開關電源的三極管Q1以不同的頻率間隔、重復地接通和斷開。當Q1斷開時，負載將得到連續的、不同的能量提供，并通過電容C儲能；當開關三級管Q1導通時，能將一部分能量儲存起來，并在三級管Q1斷開時向負載釋放。
圖1 開關電源的工作原理
開關電源的高壓整流濾波電路使用C1的電解電容，輸出整流濾波電路使用C2～C5的電解電容。電解電容內部存在電解液，在使用一段時間后，電容器電解液中的干雨滴會造成電容器容量降低或失效。
2 電容器使用壽命的計算方法
2.1 按照最高溫度計算
電容器的使用壽命與電容器的型號、運行溫度、紋波系統和工作電壓有關。具體的計算公式如下：
Lx=L0×KT×KR1×KV=L0×2（T0-Tx）/10×2-T/5×KV. （1）
式（1）中：L0——電容加速壽命；
KT——環境溫度影響系數；
KR1——紋波電流影響系數；
T0——電容最高工作溫度；
Tx——電容實際工作溫度；
KV——工作電壓影響系數；
T——紋波電流所引起的電容內部溫升。
2.2 選型、環境溫度與使用壽命的關系
電容選型與電容器使用壽命的關系如表1所示。在選用電筒最高使用溫度為85 ℃和105 ℃的電容器、環境溫度為50℃、不計算因紋波電流引起的電容內部溫升、不計算電容器工作電壓的影響和選用2 000 h的電容器時，選用105℃電容器計算得出的使用壽命為10.3年；選用85 ℃電容器計算得出的使用壽命只有2.6年。
表1 選用最高使用溫度為85 ℃和105 ℃電容器的使用壽命
序號 電容最高溫度/℃ 電容器最高溫度下的使用壽命/h 環境溫度/℃ 使用壽命/年 備注
1 85 2 000 50 2.6 T=0
KV=1
2 105 2 000 50 10.3
在不同環境溫度下，電容器的使用壽命如表2所示。在環境溫度為30 ℃、選用最高使用溫度為105 ℃的電容器、不計算因紋波電流引起的電容內部溫升、不計算電容器工作電壓的影響和選用2 000 h的電容器時，計算得出的電容器使用壽命為41年；當環境溫度為70 ℃時，電容器的使用壽命只有2.6年。
表2 不同環境溫度下電容的使用壽命
序號 電容最高溫度/℃ 電容器最高溫度下的使用壽命/h 環境溫度/℃ 使用壽命/年 備注
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對照可知，為了使繼電保護裝置電源的使用年限超過6年，必須選用最高使用溫度為105 ℃、最高溫度使用時間為2 000 h的電容器，同時，必須使環境溫度不超過55℃。如果要將開關電源的使用壽命延長至12年，使開關電源的使用壽命與繼電保護的使用壽命相同，就必須提高電源中電容的使用壽命，比如改善電容的使用環境、選用高溫下使用時間較長的電容器和保持環境溫度不超過設計限值等。
3 結束語
本文討論了繼電保護開關電源的使用壽命與電容器使用壽命的影響因素，為了延長繼電保護電源的使用壽命，需選用承受溫度能力較強、高溫下使用時間較長的電容器。
繼電保護的電源應使用散熱好、通風能力強的機箱，以便將開關電源工作時產生的熱量及時排出裝置。此外，微機保護裝置的運行環境須保持低溫狀態，繼電保護室的溫度應控制在35 ℃以下，這樣可使繼電保護開關電源服役的年限更長，還能降低維護費用。
參考文獻
[1]國家電力調度通信中心.電力系統繼電保護實用技術問答[M].北京：中國電力出版社，2000.
〔編輯：張思楠〕
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
