继电保护装置电源插件失效应对措施

周治伊 李新文 崔力心 倪赛赛 王永年

摘 要：继电保护装置对电网的稳定运行起到了关键作用，而电压插件失效是继电保护装置运行不稳定的主要原因。本文通过对电源插件失效情况、工作原理及电解电容关键元件失效成因进行研究，提出电源插件失效的应对措施。

关键词：继电保护装置;电源插件失效;电解电容

中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）18-0038-04

Abstract： Relay Protection Equipment plays a key role in the stable operation of power grid， and the failure of voltage plug-in is the main reason for the unstable operation of relay protection equipment. This paper studies the failure situation， working principle and failure causes of key components of electrolytic capacitor， and put forward the countermeasures for the failure of power plug-in.

Keywords： relay protection equipment;failure of voltage plug-in;electrolytic capacitor

近年来，电网快速发展，电网设备规模不断扩大，省际联络线电磁解环，电网形态发生了根本变化。继电保护装置作为保障电网稳定运行的关键设备，其使用寿命的长短直接影响电力系统的稳定性和可靠性。而电源插件的产品性能对继电保护装置稳定可靠运行起着决定性作用。本文通过分析某省公司电源插件失效数据，研究导致电源插件失效的主要因素，即关键器件失效，并提出电源插件失效的应对措施。

1 电源插件失效情况

某省公司对2017—2019年继电保护装置插件失效导致的插件更换进行了统计，结果如表1所示。从表1可知，三年来因电源插件失效引起的插件更换占比为36.1%。

为进一步深入研究电源插件失效与运行年限的关系，统计了更换的失效电源插件的运行年限，如表2所示。

从表2来看，电源插件失效率在时间维度上大致符合浴盆曲线，曲线如图1所示，纵坐标是失效率，横坐标是时间。在早期失效期，电源插件失效率较高，但隨着使用时间的延长，失效率快速下降，呈递减型，这一阶段的失效主要是由设计错误、工艺不完善、质量不合格等原因引起的。偶然失效期是电源插件的最佳工作状态，失效率比较稳定，这一阶段的失效往往是由偶然原因引起的。损耗失效期是在产品使用后期，在此阶段，元件退化，寿命衰竭，故障率上升较快，呈递增型，这一阶段的失效主要是由产品性能劣化或强度退化所引起的。

根据不完全统计和相关研究[1]，电源插件失效的原因有电解电容失效、三极管失效、二极管失效、电源插件老化和制造加工工艺不良等。其中，电解电容失效是元器件失效的主要原因。为了找到关键元器件失效的应对措施，有必要对电源插件的工作原理进行研究。

2 电源插件失效分析

2.1 电源插件工作原理及失效原因

电源插件是继电保护装置稳定运行的基础，主要包括滤波器、变压器、控制单元及半导体开关、输出整流电路、输出稳压电路、反馈环路及电压监测回路，如图2所示。电源插件将DC 220 V（DC 110 V）电压变换为5 V、±15 V（±12 V）、24 V三种直流电压，为保护装置其余插件提供工作电源。其中，5 V电压为CPU、存储芯片、FPGA、ADC、通信等供电，15 V电压为装置A/D采样回路供电，24 V电压为继电器工作电压和装置24 V开路电压。

由国内学者的研究可知[2]，电源插件失效主要由电解电容、三极管和二极管等元器件的失效引起，其中，电解电容失效率占失效器件总数的60%。在25 ℃工作环境下，与三极管、二极管、感性元件、芯片等关键器件相比，电解电容老化速度最快，使用寿命最短。因此，电解电容是影响电源插件使用寿命的关键元件。对电解电容失效成因进行研究，有助于了解电源插件失效的关键原因，为应对电源插件失效找到合理的措施。

2.2 电解电容失效成因

按失效原因，可将电解电容失效分为两大类：一类是制造原因引起的失效，该类失效的典型模式有开路、短路两种;另一类是设备长期运行电解电容劣化引起的失效，主要表现为电容量下降、等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，ESR）增大。随着厂家制造工艺的不断提高，制造原因引起的失效越来越少，而且此类失效在生产环节可通过老化试验避免;设备长期运行导致电解电容劣化失效是无法避免的，但可以通过检测和寿命评估及时预警，并采取相应措施避免影响继电保护装置稳定运行。

电解电容的等效电路模型可用理想电解电容与等效串联电阻（ESR）串联实现，如图3所示。图中[R接]、[R液]、[R纸]分别是导针与铝箔的接触电阻、电解液的等效电阻及电解纸的阻值。

电容量C退化减少主要受以下因素影响：①随着运行时间的增加，电解液不断挥发，体积逐渐减小，环境温度越高，电解液挥发越快，电容量减少越明显;②电源插件经常运行在高频率下，电解电容逐步变为感性，其有效电容量逐步减少;③设备运行过程中，电解电容内部发生的电化学反应修补介质氧化膜，导致氧化膜厚度增加、不平整度降低，进一步劣化了电解电容性能。随着运行时间的增加，电容量C退化逐步累积，当电容量下降到初始值的60%[时]，可以认为电解电容彻底失效，寿命终止。

等效串联电阻（ESR）退化增大主要受以下因素影响：①电解液电阻[R液]是等效串联电阻（ESR）的主要成分，随着运行时间延长，电解液不断挥发其黏度逐步增大，导致等效串联电阻（ESR）的值不断增大;②电解电容的纹波电流作用使等效串联电阻（ESR）上产生大量热损耗，引起电解电容内部温度上升，进一步加快电解液挥发，电解液黏度逐渐增大，等效串联电阻（ESR）随之增大。当等效串联电阻（ESR）增大到初始值的2～4倍时，可以认为电解电容彻底失效，寿命终止。

3 电源插件失效应对措施

通过上文对电源插件工作原理及关键元器件电解电容失效成因进行分析，发现电解电容的寿命与产品性能、环境温度、运行时间密切相关。因此，建议从以下几方面采取应对措施，以降低因电源插件失效带来的负面影响。

3.1 优化元器件选型，提升产品性能，推迟电解电容失效时间

优化元器件选型，提升产品性能，推迟电解电容失效时间是应对电源插件失效的根本措施。电解电容劣化失效时间的长短与产品性能密切相关，电解电容越耐高温、等效串联阻抗初始值越低，电解电容失效时间就越往后推，产品使用寿命就越长。因此，可以从两方面来提升产品性能：一是选用与电源插件配套的耐高温、低阻抗、长寿命的电解电容;二是在电源插件的部分回路采用固态电容替换电解电容。

近年来，相关厂家研制出了电导率高、耐腐蚀性强、闪火电压高和高温稳定性能优越的电解液;同时，通过优化电解纸、铝箔选型和改进制造工艺，研制出了可用于105 ℃下、寿命达10 000 h的低阻抗电解电容[3]。随着此类耐高温、低阻抗、长寿命的电解电容产品逐渐成熟和大批量推广应用，二次设备厂家开始选用此类产品来提高电解电容产品性能，推迟电解电容失效时间，延长电源插件使用寿命。

固态电容采用导电性高分子材料作为介电材料，与电解电容采用电解液作为介电材料相比，产品性能大幅提高，具体如下：导电能力至少提高了2个数量级，等效串联电阻（ESR）大幅降低，温度特性大为改善，沸点高达350 ℃;固态电容不会和氧化铝发生反应，无爆炸隐患。固态电容的上述优点非常适用于替代电源插件部分回路的电解电容。鉴于目前固态电容产品耐压不高（80 V以下），已有厂家将固态电容用于电源插件的直流输出回路（5 V、24 V）中，其失效时间明显比电解电容推后，显著延长了电源插件的寿命。

3.2 预估电源插件寿命，为应对插件失效提供决策依据

推广基于电解电容评估的电源插件寿命评估，可提前预测电源插件使用寿命，为应对可能出现的插件失效采取相应措施提供决策依据。目前，日本Rubycon、NCC等公司和国内主要电解电容供应商在其产品手册中提供的寿命预测模型均以阿氏模型为基础，并考虑环境温度、纹波电流的影响。

基于阿氏模型与经验数据，Rubycon公司提供了基于环境温度的电解电容寿命预测模型公式[4][：]

同时，基于纹波电流归一化算法，Rubycon公司提供了内部温升[Tr]推算公式：

式中：[ ][TR]、[LR]分别是产品手册给出的电容最高允许工作温度、电容在温度[TR]下的特征寿命;[ ][TA]、[LN]分别是电容的实际工作环境温度、电容在温度[TA]下的预测寿命;[Tr0]是与电容类型相关的常数;[kf]是考虑电解电容不同频率ESR不同，归一化到标准频率（如100 Hz）的频率系数;[Irms]和[Irms0]分别是当前和额定的纹波电流有效值;[2TR-TA10]代表周围环境温度对电容寿命的影响。

在纹波电流一定的情况下，电解电容的工作环境温度每下降10 ℃，使用寿命延长1倍;反之，环境温度每升高10 ℃，其使用寿命缩短1倍。公式（1）和（2）表明，电解电容使用寿命主要受环境温度和纹波电流的影响。环境温度越低，纹波电流越小，电解电容的使用寿命就越长。

基于电解电容评估的电源插件寿命评估，能提前预测电源插件寿命，可为电源插件的状态监测和定期更换提供决策参考，降低电源插件失效带来的安全隐患。

3.3 改善继电保护装置运行环境，延长电源插件寿命

从上述分析可知，电源插件运行环境温度越低，其使用寿命越长、运行越稳定。为延长电源插件使用寿命，需要采取相应的措施来改善继电保护装置运行环境，保证外部环境温度在25 ℃以下。具体来讲，就是在布置保护装置的继保室（预制舱）加装空调，让环境温度维持在25 ℃以下;同时，设计方案时，考虑将能安装在继保室的继电保护装置尽量安装在继保室内;对于设计规范推荐安装在高压开关柜上的低压保护测控装置，应在高压开关室加装空调，保证高压开关室温度维持在合理区间。

3.4 定期更换电源插件，降低失效隐患

即使是最好的元器件，产品性能也会随着运行年限的增加而逐步退化。为了使电源插件始终在最佳工作状态运行，定期更换电源插件是非常值得推荐的措施。

国家电网公司在不同时期对电源插件定期更换出台了指导意见。2012年，国家电网公司发布的《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（修订版）第15.5.2条规定：“配置足够的保护备品、备件，缩短继电保护缺陷处理时间。微机保护装置的开关电源模件宜在运行6年后予以更换。”

随着二次设备厂商制造能力的提升，继电保护装置电源插件的产品性能也在稳步提高。虽然2018年发布的《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（修订版）未再明确电源插件的定期更换时间，但从二次设备厂商电源插件生产情况来看，为保證产品稳定性和延续性，厂家对测试定型的电源插件不会轻易改变设计方案和元器件选型。因此，建议电源插件定期更换时间如下：对于2012—2018年间测试定型的电源插件，宜在运行6年后予以更换;对于2018年后测试定型的电源插件，宜在运行7～8年后予以更换;同时根据厂家推荐的使用寿命、产品实际运行情况和工作环境的好坏，适当延长或缩短更换年限。

4 结语

本文分析了某省公司电源插件失效数据，并在研究导致电源插件失效的关键器件失效影响因素的基础上，提出电源插件失效的应对措施，为提升产品性能和设备定期更换提供参考意见。

参考文献：

[1]欧阳帆，张亮峰，李刚，等.微机保护装置逆变电源故障原因分析[J].电力自动化设备，2011（7）：150-153.

[2]杜银瑜.铝电解电容失效对DC/DC变换器健康状况的影响分析[D].北京：首都师范大学，2012：1-86.

[3]赵勇刚，梁秋妮，周庆波.开关电源用高压铝电解电容器长寿命技术的研究[J].电子元件与材料，2013（7）：29-33.

[4]俞珊，徐志望，董纪清.开关电源中电解电容寿命预测分析[J].电源学报，2016（6）：87-92.