引言

國家電網(wǎng)公司于2009年首次公布了智能電網(wǎng)發(fā)展計劃，隨著近年智能電網(wǎng)建設不斷地推進，電力用戶用電信息采集系統(tǒng)已經(jīng)在全國廣泛應用。僅從2013年國家電網(wǎng)公司的招標結(jié)果來看，Ⅲ型專變采集終端共招了87萬多臺、I型集中器共招了122萬多臺。多年來，國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司和一些地方公司每年的招標數(shù)量都是很大的，因此有大量的這二類的表計型終端在現(xiàn)場運行。

表計型Ⅲ型專變終端和I型集中器的供電電源有線性電源和開關電源二種。在同等的額定輸出功率和使用環(huán)境下，開關電源由于其體積小、效率高、節(jié)能、適應輸入電壓范圍寬，性價比高，比線性電源有著明顯的優(yōu)勢，因此，越來越受到設計人員的青睞，在表計型終端中的使用量呈逐年上升趨勢。但是，自從表計型終端使用開關電源以來，在全國范圍內(nèi)也陸續(xù)出現(xiàn)了一定數(shù)量的表計型終端損壞甚至爆炸的現(xiàn)象，給供電部門和用戶造成了一定的影響。

據(jù)行業(yè)內(nèi)一些重要終端廠商反映，結(jié)合我們調(diào)查的情況來看，表計型終端的損壞部分涉及到終端的方方面面，其中終端供電部分的損壞是其中之一，并且有些輸入電壓為220/380Vac三相四線制供電的表計型終端供電部分的損壞還很嚴重。當然，終端供電部分的損壞也會導致其它方面的損壞，同樣地，終端其它方面的損壞也會導致供電部分的損壞。

多年來，關于使用了開關電源的終端其供電部分的損壞原因在業(yè)內(nèi)爭論很多。有說是雷擊損壞，有說是電源品質(zhì)異常出現(xiàn)的損壞，等等，莫衷一是。這里有一個典型的爭論例子，在同一現(xiàn)場，在多數(shù)情況下，為什么終端供電部分電路會損壞，而相鄰使用了線性電源的三相電能表的供電部分卻能獨善其身?不明真相的人就由此得出結(jié)論說開關電源根本不適合應用到終端上?；诖耍覀冇斜匾芯繉е逻@類終端供電部分損壞的原因，并提出相應的改進措施，以期解決困擾行業(yè)多年的問題，加強終端運行的可靠性，具有很迫切的現(xiàn)實意義。

一、現(xiàn)場終端及使用環(huán)境

1.現(xiàn)場終端介紹

表計型終端主要由電源板、控制主板、通訊模塊、顯示屏和外殼組成。

終端供電部分由輸入接線柱、輸入導線與電源板構(gòu)成，電源板一般含有電源輸入保護部分、電源部分和交采部分。對于使用了開關電源的終端，其電源部分就是開關電源。

圖1是目前幾類使用了開關電源的表記型終端常用的供電部分結(jié)構(gòu)及電路簡圖。圖中注明了關鍵器件的參數(shù)。

輸入保護電路是為了防止浪涌過電壓的侵害。前級輸入保護電路由壓敏電阻RV1-RV3和限流線繞電阻RX1-RX3組成，后級輸入保護使用了一只壓敏電阻RV4，有些方案中沒有用此壓敏電阻。

目前在行業(yè)內(nèi)，三相整流電路主要是采用三相全波整流方式。

開關電源DC-DC轉(zhuǎn)換部分主要由輸入整流橋KB、輸入濾波電解電容C1-C2、開關變壓器T、開關管T1、輸入過壓保護電路、控制電路和輸出電路等組成。

圖1：終端供電部分結(jié)構(gòu)及電路簡圖

2.終端使用環(huán)境

1)終端全部安裝在配電網(wǎng)末端配電變壓器旁。

2)配電變壓器一次側(cè)開關為斷路器或跌落式熔斷器(又稱零克)，二次側(cè)開關為隔離開關。

3)末端配電變壓器以△/Y方式聯(lián)結(jié)的居多，一般電壓比為10/0.4kV。

4)線路提供給終端的供電方式有三種：100Vac三相三線供電、57.7/100Vac或220/380Vac三相四線供電，前二種由配電變壓器一次側(cè)PT供電，后一種由二次側(cè)直接供電。

5)圖2是220/380Vac三相四線供電終端現(xiàn)場接線示意圖。

圖2：220Vac/380Vac三相四線供電終端現(xiàn)場接線示意圖

二、終端損壞情況及初步分析

1.終端損壞現(xiàn)象

一般損壞現(xiàn)象有：輸入接線柱熔化、接線柱附近外殼塑料燒焦、輸入導線燒斷、線繞電阻RX1-RX3灼傷或燒斷開路或燒脫落、整流管 D1-D16開路或短路損壞、電解電容C1-C2鼓包或漏液或爆裂或從線路板上炸脫落、開關管T1短路或爆裂、壓敏電阻RV4失效或爆裂或炸脫落、線路板上印制線起皺或斷裂、線路板被燒黑或燒成碳灰。部分終端僅輸入導線在焊盤處燒斷，焊盤附近線路板上有明顯燒灼痕跡;或者是僅輸入接線柱熔化、接線柱附近外殼塑料燒焦;有少部分終端爆炸。

2.終端損壞特征

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)終端損壞有如下幾方面的特征：

1)因供電原因引起損壞的終端采用220/380Vac三相四線供電 ，并且終端的開關電源前端采用了三相全波整流方式。

2)一般在安裝好終端后，或切斷配電變壓器后，投入空載配電變壓器時損壞居多，尤以配電變壓器一次側(cè)開關為零克時為甚;少部分損壞發(fā)生在10KV配電線路停電后再次送電時;還有少部分損壞發(fā)生在電網(wǎng)和設備正常運行時。

3)一般終端損壞部位出現(xiàn)在輸入進線接線柱、輸入導線、前級輸入保護部分、三相全波整流二極管、后級輸入保護壓敏電阻、開關電源部分的輸入濾波電解電容C1-C2和開關MOS管T1。平常壓敏電阻RV1-RV3損壞較少見，而一般雷擊時壓敏電阻RV1-RV3損壞多見。有一種典型的損壞僅發(fā)生在終端供電接線柱到電源板輸入焊盤處。

4)部分終端損壞部位除上述部位外，還會波及到交采電路、載波通訊電路。少部分終端僅損壞交采電路。

5)少部分終端爆炸產(chǎn)生的沖擊波會掀開終端的表蓋，導致整個終端報廢，更為嚴重的會撞碎表計柜。

三、終端損壞機理分析

1.供電部分電路損壞分析

從上面所描述的損壞現(xiàn)象來看，作為電氣設備的終端被電損傷，歸根到底還是因為施加在終端上面相關部位的電壓和通過的電流大小超過了終端相關元件的耐受能力。排除元件本身個體上的差異出現(xiàn)的損壞，首先我們需要考慮的是元件的設計值是否在額定工作范圍內(nèi)，再來考慮極端條件下元件的工作情況。

對于額定電壓220/380Vac的三相四線輸入，考慮實際輸入電壓高于額定電壓25%，那么實際輸入電壓就是275 /475Vac，經(jīng)三相全波整流濾波后的直流母線電壓為Vin=665Vdc。一般開關電源的設計功率為10-15W，終端實際額定功率不到10W，瞬時功率不到15W。綜合上面所述的器件的參數(shù)來看，圖1部分所選擇的器件是足以滿足正常工作需要的。

作為元件，因電流超標而損壞的前提是該元件后接的器件或負載產(chǎn)生的電流過大，超過了設計值，或者是出現(xiàn)了短路的現(xiàn)象。就終端開關電源本身而言，它有電流過載和短路保護電路，我們假設這一電路是可靠的，因此我們可以忽視開關電源輸出負載因素的影響。

那么，會是什么原因造成開關MOS管T1損壞呢?在開關控制正常的情況下，唯一的因素就是過電壓超過了它本身的承受能力。我們一般設計的開關電源輸入過壓保護電路的保護點為Vp=750±50Vdc，也就是說當輸入直流母線電壓Vin超過Vp值時，開關管會處于關斷保護狀態(tài)，但是，當開關MOS管上出現(xiàn)大于或等于最大額定耐壓值時，即Vin≥900V或1000V時，可能會損壞開關MOS管。開關MOS管損壞一般會引起開關管T1短路。

對于三相整流二極管D1-D16，如果選取的是耐壓1KV的整流管，因過電壓損壞至少電壓要大于或等于3KV?，F(xiàn)場出現(xiàn)這高電壓值的可能性只有雷擊過電壓和諧振過電壓，除此之外，導致它們損壞的因素只能是后級的開關MOS管過流或短路、壓敏電阻RV4過流或短路、電解電容C1-C2 支路過流或短路。

而導致C1-C2支路和RV4支路過流或短路的唯一原因，只能是二條支路上出現(xiàn)過電壓損壞電解電容C1-C2和壓敏電阻RV4。而一般壓敏電阻過壓損壞的后果是出現(xiàn)短路的現(xiàn)象居多，開路的較少;電解電容過壓后出現(xiàn)過流、短路、開路的情況均存在。因此，我們?nèi)匀豢梢缘贸鼋Y(jié)論，因過電壓損壞電解電容和壓敏電阻RV4，會引起三相整流二極管的損壞。當Vin≥800Vdc或900Vdc時，就可能損壞電解電容C1和C2。當 Vin≥745Vdc的電壓持續(xù)加在20K550壓敏電阻RV4上一定時間時，或當Vin≥825Vdc的電壓持續(xù)加在20K625壓敏電阻RV4上一定時間時，就會導致RV4的擊穿損壞，出現(xiàn)RV4支路短路。

在線繞電阻RX1-RX3的后級出現(xiàn)大電流或短路的情況下，絕對會對線阻電阻造成損害，嚴重者會導致線繞電阻燒斷。

總之，當輸入供電電壓的直流母線電壓Vin≥Vp=750±50Vdc時，電路會因過電壓面臨損壞風險。

2.配變電壓器非全相投入產(chǎn)生的暫時過電壓是造成終端損壞的主要原因之一

(1)供電線路的過電壓及其一般特點

一般地，供電線路的過電壓分為外部過電壓和內(nèi)部過電壓。雷擊過電壓為外部過電壓，對于電網(wǎng)自身參數(shù)發(fā)生變化產(chǎn)生的過電壓，稱為內(nèi)部過電壓。雷擊過電壓會造成終端損壞是毋庸置疑的。

內(nèi)部過電壓分為操作過電壓和暫時過電壓。操作過電壓主要是指投切配電設施產(chǎn)生的過電壓，它的特點是在工頻電壓分量上疊加一高頻衰減振蕩波，或者疊加一非周期性的沖擊波，幅值會是工頻電壓的二倍甚至三倍，持續(xù)時間短，一般不大于0.1s。暫時過電壓分為工頻電壓升高和諧振過電壓，它的特點是工頻電壓或疊加在工頻電壓上的倍頻電壓、分頻電壓會升高，嚴重時會超過額定電壓的一倍，持續(xù)時間可能較長，尤其是出現(xiàn)基波鐵磁諧振時，幅值可能相當大。

不管是外部過電壓，還是內(nèi)部過電壓，一旦其幅度和持續(xù)時間達到一定水平時，肯定會對終端造成損害。

(2)配電變壓器非全相空載投入產(chǎn)生暫時過電壓機理分析

配電變壓器非全相空載投入是指變壓器處于空載時，一次側(cè)A、B、C三相開關投入不同步，導致變壓器在一定時間內(nèi)處于非全相運行。斷路器開關的三相不同步投入和三相零克的不同時投入是客觀存在的，尤其是后者在現(xiàn)實中普遍存在，并且操作極為不規(guī)范，出現(xiàn)配電變壓器非全相空載投入的現(xiàn)象相當普遍。

1) 配電變壓器非全相空載投入會導致低壓側(cè)電壓一相相電壓是正常值電壓，另二相的相電壓均為正常值的一半，方向一致，但與正常電壓值相的方向剛好相反。

如圖2，假如我們先投入零克B，然后投零克C，過一定時間后再投零克A，換言之，在一段時間內(nèi)讓A相處于缺相狀態(tài)。

對于普遍使用的△/Y0-11方式聯(lián)結(jié)的配電變壓器，我們不難作出此時的電壓相量圖為圖3。從相量圖上得知，配電變壓器在斷A相空載投入時，會導致低壓側(cè)相電壓Ub是正常值電壓，另二相Ua和Uc的相電壓均為正常值的一半，且Ua和Uc方向一致，但與Ub相的方向剛好相反。假設 Ub=Umsinωt，則Ua=Uc=0.5Umsin(ωt+π),圖4是此時的低壓側(cè)各相電壓的波形圖。

圖3：配電變壓器低壓側(cè)電壓相量圖

圖4：低壓側(cè)各相電壓的波形圖

2) 空投變壓器產(chǎn)生的勵磁涌流含有二次諧波和三次諧波，在非全相投入時，產(chǎn)生的諧波會出現(xiàn)在低壓側(cè)，出現(xiàn)暫時過電壓。

配電變壓器投入時產(chǎn)生的勵磁涌流持續(xù)時間較長，從數(shù)十個電源周期到數(shù)十秒不等。勵磁涌流的幅度與變壓器的二次負荷無關，但持續(xù)時間與二次負荷有關。因此，空載投入時，勵磁涌流持續(xù)的時間要長些。

產(chǎn)生勵磁涌流時，會產(chǎn)生大量的奇次和偶次諧波，但以二次和三次為主。低壓側(cè)二次諧波的幅度可以達到基波的30%-50%，三次諧波的幅度可以達到基波的50%。假設幅值均達到基波的50%，則考慮高壓側(cè)A相缺相和二種諧波后的低壓側(cè)b相、a相和c相的電壓為：

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)

當φ1=-π/2、φ2=-π時，上式的最大值可以達到最大，此時的合成波輸出波形如圖5所示。

圖5：含有二、三次諧波分量的合成電壓波形圖