表计型电力用户用电信息采集终端运行损坏故障分析

2) 空投变压器产生的励磁涌流含有二次谐波和三次谐波，在非全相投入时，产生的谐波会出现在低压侧，出现暂时过电压。

配电变压器投入时产生的励磁涌流持续时间较长，从数十个电源周期到数十秒不等。励磁涌流的幅度与变压器的二次负荷无关，但持续时间与二次负荷有关。因此，空载投入时，励磁涌流持续的时间要长些。

产生励磁涌流时，会产生大量的奇次和偶次谐波，但以二次和三次为主。低压侧二次谐波的幅度可以达到基波的30%-50%，三次谐波的幅度可以达到基波的50%。假设幅值均达到基波的50%，则考虑高压侧A相缺相和二种谐波后的低压侧b相、a相和c相的电压为：

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)

当φ1=-π/2、φ2=-π时，上式的最大值可以达到最大，此时的合成波输出波形如图5所示。

图5：含有二、三次谐波分量的合成电压波形图

显然，低压侧Ub的最大幅度会达到正常值的2倍，即为2Um，持续时间会较长，出现暂时过电压。同时，电压波形发生了畸变，一方面波形相对时间轴不对称，出现了偏移，因此有直流分量存在，这是偶次谐波造成的;另一方面波形出现了台阶，这是奇次谐波造成的。这一结论跟我们在许多现场测量到的波形是吻合的。

3) 对于三相全波整流的开关电源，在变压器非全相投入时，电流不流经零线N，直接在火线之间流动，这样会加强过电压的影响，形成损害终端的主要原因之一。

当低压侧的电压波形是如图5的情况时，在图1所示的三相全波整流电路中，输入电流直接在Ub与Ua(Uc)之间流动，加在三相整流输入上的电压差为Ubc和Uba。因此，配电变压器非全相空载投入时，直流母线电压Vin有可能到达3Um,也就是会出现超过1000V的持续过电压。

4) 压敏电阻属于瞬态电压抑制器件，在终端内不能有效阻止暂时过电压的伤害。

终端内使用的20K的压敏电阻通流容量仅有5KA，对持续的暂时过电压的吸收能力有限，并且有可能自身受到损坏，因此，它既不能有效保护其它器件，自身也成了一个隐患点。图1方案中所用到的压敏电阻RV4有时就会起到加重伤害终端的危险，在有些方案中，就没有使用此器件。换言之，使用压敏电阻来对抗持续的暂时过电压，在终端内部实现起来是相当困难的。所以，即使大家在终端内使用了压敏电阻，也未能有效阻止一些极端条件下的损害。这种极端条件包括雷击过电压和具备一定幅值持续一定时间的暂时过电压。

3.弧光放电是引起终端爆炸的直接原因

当两电极间电压升高时，空气可能会被电离产生弧光放电。弧光放电一般不需要很高的电压，属于低电压大电流放电，当两个电极先接触后再拉开建立了电弧，维持此10mm长的电弧只需要20V的电压。

对于终端而言，因内部过电压和雷击过电压施加在其内部时，会发生带电导体间的电弧性短路起火和爬电起火。一个典型的现象在终端内常会发生，就是使用了压敏电阻后，在压敏电阻因过电压损坏出现短路后，压敏电阻的二极间会因大电流烧断，如果加在上面的电压仍然存在，这时很容易形成弧光短路。

雷击过电压、带有直流分量的内部过电压和内部直流电压，产生的电弧会持续较长的时间而不容易熄弧，而配电变压器非全相空载投入产生的暂时过电压也带有直流分量。电弧产生的高温会在几千度到上万度，高温电弧光不仅会引起终端输入导线在焊盘处烧断，器件损坏，还会引起绝缘物质燃烧，更会引起金属接线柱和元件的金属部分熔化、飞溅，进一步加剧终端内部短路的形成，高温电弧瞬间会在终端这样一个狭小封闭的空间里释放出巨大的能量，引起终端燃烧和爆炸，造成灾难性的后果。

四、结论及改进措施

通过上述分析，不管是雷击过电压，还是内部过电压，对终端一定会产生伤害，这种伤害的冲击效应和累积效应作用于终端后，会导致终端立即损坏，或带伤运行一段时间后损坏。因此，我们不难理解为什么有的终端是在极端电压情况出现时损坏，有的终端被认为在正常供电电压时损坏。

总之，我们可以得出结论，终端供电过电压是导致终端损坏的重要原因，尤其是配电变压器非全相空载投入产生的暂时过电压是当今造成终端损坏的主要原因之一，过电压作用于终端后产生的弧光放电是引起终端爆炸的直接原因。

为了将上述原因造成的终端损坏的几率降到最低程度，建议终端生产厂商和使用单位采取如下措施：

1)在配电变压器低压侧安装大容量的避雷器，抑制雷击浪涌过电压和大能量的瞬时操作过电压。

2)建议相关方面按照电力系统的规程操作相关电力设备，避免违规操作出现的过电压。

3)精心设计终端安全的爬电和放电距离，高度重视“三防”处理。

4)利用三相输入半波整流电路代替目前广泛使用的三相全波整流方案，使输入直流母线电压Vin降为全波整流的一半，极大地降低母线电压应力，这对于器件的选择、器件使用的安全以及为设计安全的爬电和放电距离，创造了一个根本性的安全环境，因此，这一措施相当重要，希望引起行业内的高度重视。

作者简介：

1、刘爱国(1965)：男，工学学士，高级工程师，主要从事电力自动化设备的研发及管理。

2、马元鑫(1989)：男，工学学士，助理工程师，主要从事电力营销、城市供用电工程管理及信息化等工作。

3、陈虎(1974)：男，工学学士，高级工程师，长期致力于电力自动化行业开关电源的研究。

4、胡闯(1986)：男，工学学士，工程师，从事用电信息管理终端电源研究。