连退生产线直流稳压电源的预防性管理

刘 进，张战果，陈晓伟，张振国

（武汉钢铁有限公司冷轧总厂；湖北武汉 430082）

0 引言

带钢通过清洗后，不间断地进入炉内进行工艺退火，然后平整、剪边、涂油变成最终成品。连退生产线对于设备的稳定性和可靠性要求非常高。连退生产线如果出现突发性故障停机，极易导致炉内带钢高温变形瓢曲，造成较大的经济损失。

直流稳压电源通常给电气柜中的精密仪器仪表、PLC 及变频设备供电。一旦出现直流稳压电源供电故障，多数会导致生产线直接停机，炉内被迫降温拖出废带钢。出于成本考虑，连退线的大部分直流供电线路都没有做冗余设计。因而在日常维护过程中，对直流稳压电源的健康预测和提高事故防范能力非常重要。

1 直流稳压电源的元器件分析

直流稳压电源通常由以下几个部分组成：抗干扰电路、功率变换、整流滤波、脉宽调制电路、稳压电路、保护电路等。常用电器元件包括：变压器、电解电容、二极管、MOS 管、控制芯片、集成稳压器、电位器等。其中最易发生损坏的是电解电容、二极管和MOS 管，其次是电位器、变压器。

电解电容是电子设备中最容易老化失效的元件，也是直流稳压电源中最易发生故障的元件。电解电容长期在高频率的状态下工作，其内部的电解液会逐渐消耗，从而使电容的容量下降。实验证明，环境温度每升高10 ℃，电容的寿命便会减半。根据电容器等效串联电阻模型电压的变化和电容器稳态输出电压的变化，进行的预测滤波电容器老化实验表明：电容正常状态、老化临界状态和故障状态，三种状态的转化在其老化过程中有一定趋势性，并有相对较大的观察空间。二极管和MOS 管比电解电容相对抗老化，寿命也更持久。MOS 管较易受外界高压干扰的影响，二极管的劣化则主要与电流和温度有关。

电源中元器件的突发性失效问题属于随机产生的问题，预知元器件突发性失效问题非常困难。但电子元器件的自然老化和环境劣化会有一个随时间变化的周期。最有效的方法就是进行严格的周期性点检，辅以专业技术知识，从直流稳压电源表现出的各种迹象对其运行情况进行预判。

2 直流稳压电源的点检方法

直流稳压电源检测的有效手段包括：①红外热成像技术。通过红外热成像仪可以探测到直流稳压电源中，温度较高的元件。从而判断出直流稳压电源的运行状态；②X 射线检测。通过透视检查，观察电源内部元件及焊点是否良好；③电子显微镜检测。通过放大倍数观察，可以清楚看到内部元件表面缺陷。

后两种检测对设备要求较高，仅适用于实验室，并不适合现场点检，而且连退机组缺乏停电检测的条件。红外线热成像仪检测非常有效，可以带电检测。但对于现场设备人员来说，红外线热成像仪器较为贵重，不能够完全普及。在直流稳压电源带电的情况下，仅凭五感是难以判断直流电源运行状况的。现场最常见的点检工具是万用表和点温枪。所以定期检测直流稳压电源的输出电压和运行温度是预测电源故障唯一可行的手段。

在点检过程中，仅凭单独的时间点数据难以判断电源健康状况优劣，必须根据运行点检记录进行对比和趋势分析。若点检发现以下几种运行趋势，则是电源老化或劣化的先兆，必须引起注意。

（1）输出电压变低。出现此情况，首先考虑交流输入电压是否过低，从而导致整流滤波电路的工作电压不够，或者电路中增加了负载，超出了直流稳压电源的负荷能力。如果检测两者均正常，则有可能是负载电路过流、整流输出电路中的二极管、滤波电容发生老化。

（2）输出电压变高。有可能是脉宽调制电路出现问题，振荡定时电容的容量下降。整流二极管开路、滤波电容开路等。

（3）输出电压不稳定。需要检查基准采样电路和稳压反馈电路，有可能是这两部分的电容器、MOS 管、整流器、电位器等出现了老化降级。

（4）长期运行温度过高。运行温度过高会加速电源内电气元件的老化，影响最大的是电解电容，其次是变压器线圈以及电源的绝缘性能，二极管、MOS 管的寿命也会受到影响。

3 直流电源的预防性管理

对于直流电源电路的设备管理，必须要做的事情包括以下3 点。

（1）确认全线每个直流电源所带的负载是否合适。电源负载分为纯电阻性负载、线性负载、非线性负载。如果不是纯电阻性负载，欧姆定律不一定适用。因此在计算直流电源负载的时候，准确的方法是测量电源工作时的输出电流和电压，直接利用P（功率）=U（电压）×I（电流）的常用功率公式进行推算。直流稳压电源所带负载最好不要超过其额定负载的70 %。

（2）确保直流稳压电源的良好工作环境。粉尘和高温是直流稳压电源最大的杀手。一个相对防尘并且通风的环境有利于延长直流稳压电源的使用寿命。直流电源的工作温度范围可以参照电源的产品手册，以常见的西门子SITOP 电源为例，最高工作温度为70 ℃。如果日常点检发现电源工作温度接近这个数值，必须立即寻找方法给电源降温，并提高点检频率，随时观察电源健康状况。

（3）定期点检。建立直流稳压电源的运行档案进行趋势分析。部分直流稳压电源的输出电压是可以调节的。对于连续运行机组来说，频繁调节输出电压不利于观察电源运行的历史趋势。故除了电源初次上机时对输出电压进行校准之外，不建议在运行过程中，对直流稳压电源的输出电压进行调节。

初次定期点检的频率建议每月一次。三个月后，可根据点检数据库进行动态调整。对于工作环境比较恶劣、输出电压有变化的电源增加点检频率，高温暴雨季节增加点检频率。工作环境好，输出稳定的电源，可适当降低点检频率。简单地说，决定点检频率的依据是：①线路的重要性；②工作环境的优劣；③前期的点检状况。

以初次安装时输出电压校准为24 V 的西门子SITOP 电源为例，若电源出现以下三种情况，建议做预防性更换。①输出电压呈逐步降低趋势或已降至＜23.5 V；②输出电压呈逐步升高趋势或已升至＞25 V；③测量时发现电源输出电压跳动且波动值>0.1 V。

对于预防性维护更换下来的直流稳压电源，可以打开外壳进行功能性检测，决定是否进行修复或直接废弃。检测元器件状况尚好的电源，可以重新校准输出电压后，置换在不太重要的线路上继续使用。

4 结束语

对于连退生产线这种不能故障停机的机组，供电线路的安全性和稳定性始终是第一位。电气元件的突然性失效固然难以预知，但直流稳压电源的老化或者劣化有一定的时间周期，可以通过测量输出电压和温度的方法，预知其健康状况。加强定期点巡检，做好设备档案记录，及时利用检修时间进行预防性更换，是目前行之有效的设备管理方案。