基于繼電保護裝置的開關電源故障與改進研究

李建龍

（北京新雷能科技股份有限公司，北京 102200）

0 引 言

近年來，隨著電力系統規模的不斷擴大，繼電保護裝置在電力系統中的應用也越來越廣泛，其功能也越來越多。繼電保護裝置在運行過程中，不僅要滿足繼電保護裝置本身的工作要求，而且需要滿足電力系統運行的各種需求[1]。而繼電保護裝置由微機型電子式繼電保護裝置、計算機和通信設備等構成。當電力系統發生故障時，繼電保護裝置可以及時動作跳閘，使故障范圍內的設備脫離故障區域，從而保證電網的安全運行。然而，由于電力系統中存在各種干擾源，導致繼電保護裝置發生誤動或拒動等情況，從而造成設備損壞或事故。因此，明確繼電保護裝置開關電源故障原因，并提出針對性的解決對策，對提高繼電保護裝置穩定性和安全性具有重要意義。

1 繼電保護裝備開關電源故障案例分析

1.1 開關電源的工作原理

開關電源主要由整流電路、逆變電路、濾波電路以及控制電路組成。整流電路將交流電變成直流電；逆變電路將直流電變成高頻交流電；濾波電路將高頻交流電濾掉；控制電路將高頻交流電整流成穩定的交流電[2]。

開關電源可以根據實際需求對負載進行供電：當負載大于額定電流時，輸出電壓會升高；當負載小于額定電流時，輸出電壓會降低。當開關頻率一定時，輸入電壓和輸出電壓成正比，因此通過控制開關頻率可以得到負載需要的最大輸出電壓。

目前，在開關電源中廣泛采用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）整流技術，也就是將50 Hz 的交流電壓變換成頻率為50 Hz 的直流電壓，使用PWM 整流技術可以降低輸出電壓的紋波電流，使輸出電壓更加穩定。在直流電源中采用PWM 整流技術可以提高電源的穩定性。通過分析，控制電路和濾波電路是開關電源最重要的組成部分，因此在研究中必須加強對其的重視[3]。

當開關頻率不變時，如果輸出電壓不變，那么輸出電流和功率因數都會改變。當開關頻率不變時，輸入電壓的大小決定了輸出電壓的大小，輸出電壓越大，輸入電壓越小。在開關電源中，通過控制電路，可以調節開關電源的輸出電壓，從而調整輸出電流和功率因數。開關電源的輸入電壓可以是直流、交流或2 者都有。

一般情況下，當輸入電壓為交流電時，開關電源可以正常工作；當輸入電壓為直流電時，開關電源會出現一種半橋變換器形式，這種變換方式轉換效率較高，并且無須變壓器和整流電路，但是功率損耗較高。而當輸入電壓為交流電時，開關電源會出現全橋變換器形式，這種方式轉換效率較低、不能滿足需求。因此，在實際的應用中需要根據不同的情況來選擇不同的變換方式。

1.2 繼電保護裝置的開關電源故障描述

2020 年9 月16 日，某工程繼電保護裝置線路出口保護跳閘，強送不良，重合不良，造成開關電源故障的原因為開關電源電纜受外力作用發送損壞，導致AB 相發生短路故障，故障如圖1 所示。故障位置13809 為繼電保護裝置，13809 高壓柜開關處于合位，保護裝置未通電，進而導致保護動作未執行，造成跳閘故障。另外，13809 開關為合位狀態，導致跳閘故障未被隔離，造成強送不良和重合不良。

1.3 故障原因分析

當沒有配電網的控制設備且只配備微機保護裝置時，如果下級電源電纜出現了永久性的故障，那么微機保護裝置和開關電源保護會在同一時間執行保護動作。因為微機保護裝置不具有重合閘的功能，所以可以將故障進行隔離，然后依靠線路出口重合閘，就可以將非故障區域的供電重新恢復。如果配線是一條架空與一條電纜混雜的配線，那么可以在配線端跳閘后，根據測量系統對集中式的在線狀況及采集的電壓進行檢測，從而確定配線端的故障位置[4]。

根據繼電保護裝置開關電源內部元件損壞或老化原因分析可知：在繼電保護裝置開關電源工作過程中，內部元件的損壞或老化會直接導致繼電保護裝置開關電源無法正常工作。因此，為有效地解決繼電保護裝置開關電源故障問題，要對繼電保護裝置開關電源進行維修或更換。但在對繼電保護裝置開關電源進行維修或更換時，需要對繼電保護裝置進行全面的檢測。具體檢測內容包括以下幾點：一是，將繼電保護裝置開關電源進行通電檢查，并觀察其運行狀態是否正常；二是，對繼電保護裝置開關電源的各部分線路和元器件進行逐一檢測，包括電壓、電流、溫度等方面；三是，對繼電保護裝置開關電源中的所有元件進行測量和檢驗[5]。

除此之外，需要檢查繼電保護板上的指示燈是否正常運行。在對繼電保護板進行檢測和檢驗時，必須確保繼電保護設備開關電源工作正常。通過以上內容可以發現：在對繼電保護板上的指示燈進行檢查時，必須確保指示燈能正常運行。

2 繼電保護裝置開關電源故障改進方案

2.1 更換取電互感器

當開關電源中的二次電壓互感器的二次繞組絕緣擊穿，或由于其他原因使互感器二次繞組出現故障時，會造成開關電源中的二次電壓互感器不能正常工作，從而使開關電源輸出的電壓存在較大波動，甚至無法輸出。為解決這一問題，提出了一種新型的開關電源改進方法，即更換高精度取電互感器。

這種方法是在開關電源中加裝一組高精度取電互感器，并將其與開關電源的輸出端口并聯，當開關電源輸出端口的電壓變化時，高精度取電互感器的輸出電壓也會隨之發生變化，從而使開關電源能夠正常工作[6]。

開關電源的輸出端通常接有繼電器、接觸器等，當繼電器或接觸器吸合時，就會產生較大的電流，而繼電器或接觸器不能正常工作時，就會導致開關電源輸出端存在較大電流。開關電源內部的二次電壓互感器具有很高的精度，其二次繞組的匝數和線徑可以進行靈活調整，因此在開關電源中加裝一組高精度取電互感器可以增強開關電源的可靠性和穩定性。

當開關電源中加裝一組高精度取電互感器后，可以將開關電源輸出端的電流調整到正常值。由于二次電壓互感器的線徑較粗，其精度較高，因此二次電壓互感器可調整到較高精度。當開關電源中加裝一組高精度取電互感器后，在開關電源輸出端電壓不變時，二次電壓互感器的線徑將會變小，從而降低開關電源輸出端電壓。當開關電源中加裝一組高精度取電互感器后，由于二次繞組的匝數和線徑較細，二次繞組的線徑將會變小。為增強開關電源的可靠性和穩定性，需要適當地降低開關電源中二次繞組的線徑[7]。

2.2 配備電容分壓取電裝置

當開關電源中的二次電壓互感器出現故障時，會導致開關電源輸出端出現較大的電流，而當開關電源輸出端產生較大的電流時，會引起二次繞組發生故障。由于開關電源中的二次繞組含有大量的電容，當開關電源中的二次繞組出現故障時，會造成開關電源輸出端存在較大電流[8]。

開關電源中加裝一組電容分壓取電裝置后，可以使開關電源輸出端產生的電流減小，從而使開關電源輸出端電壓降低，改善開關電源輸出端存在較大電流的問題。當開關電源中加裝一組電容分壓取電裝置后，可以將電容進行合理的分壓，使二次繞組產生的電流減小。電容分壓取電裝置具有較大的容抗和感抗，因此可以減小開關電源輸出端產生的電流。開關電源中的二次繞組會產生較大的電流，因此需要對二次繞組進行合理分壓。當開關電源中加裝一組電容分壓取電裝置后，開關電源輸出端產生的電流減小時，電容分壓取電裝置具有較大的容抗和感抗，因此可以增大電容分壓取電裝置的容抗和感抗。開關電源中加裝一組電容分壓取電裝置后，二次繞組中產生的電流也會隨之減小。

2.3 多電流互感器并聯取電

在開關電源中，一次側的電流可以通過二次側的電流互感器進行測量，但是一次側的電流一般較小，當開關電源中的一次側出現故障時，會造成一次側出現較大電流。為解決該問題，可以安裝多電流互感器（Current transformer，CT）并聯取電。開關電源中的二次電壓互感器的二次繞組有6 根線圈組成，分別與開關電源中的6 個開關模塊連接。當開關電源中出現故障時，開關電源輸出端存在較大的電流，此時如果將每根線圈上的3 個開關模塊并聯連接起來，將會造成開關電源中的二次繞組中的電流減小[9]。

通過對開關電源進行改進后，可以使開關電源輸出端存在較小的電流。由于二次電壓互感器不能正常工作時，會造成一次側出現較大的電流。當開關電源中出現故障時，會導致二次側出現較大的電流。當二次側產生較大的電流時，會導致二次繞組中產生較大的電流。當出現故障時，將每根線圈上3 個開關模塊并聯連接起來后可以減少二次繞組中產生的電流。

3 結 論

隨著我國電力事業的快速發展，電力系統運行中對繼電保護裝置的要求也越來越高，在電力系統中，繼電保護裝置作為保證電網安全穩定運行的重要組成部分，其自身的安全可靠運行直接關系到電力系統的正常運行和電力用戶的用電安全，因此對繼電保護裝置開關電源故障問題進行研究具有十分重要的意義。在分析繼電保護裝置開關電源工作原理的基礎上，針對傳統開關電源存在的不足提出了一種新型的開關電源改進方法。該改進后的方法可以有效提高繼電保護裝置開關電源的可靠性、穩定性和抗干擾能力。