天津市地下铁道运营有限公司 天津 300000
摘要：开关电源在地铁各个设备系统中都有大量应用，是各设备系统运行的必要条件，其可靠性与设备系统控制部分的稳定性密不可分。随着地铁运营年限的不断增加，减少老化带来的影响，提高电源的可靠性，减少设备故障率是亟需解决的问题。从天津地铁多年的运营数据中发现，开关电源的损坏占设备故障率的50%以上，是影响设备可靠性的关键因素。本文分析了开关电源主电路元器件故障率及原因，通过对开关电源年故障率的统计分析及故障分析，得出开关电源预防性维修的周期、方法及检测手段。
关键词：老化；故障率；预防性维修；安规测试；电气指标测试
1.开关电源故障统计
以1号线站台闸机用的AC/DC开关电源为例，对其故障情况进行统计分析。闸机电源主要为闸机内显示屏、工控机、车票回收模块供电，其输入电源：AC220V、50HZ，输出：DC5V、12V、24V三种电压规格，其供电特点为负载变化率较小，输出电流较为稳定，主要的故障形式为带载能力不足这一老化性表现。全线共576台电源，其年故障数量如图1所示。
图 1 闸机电源年故障数量分布图
从表1中的数据可以看出，从2005年投入使用以后，前5年故障数量较低，从第6年开始，故障数量开始上升，2012年故障数量高达28台，随着年份的增长故障数量一直居高不下。在2015年对电源进行了一批更换形式的维护，在2016年故障数量有了明显的下降。
通过表1故障数量的分析可以看出，随着年限的增加整个故障分布符合浴盆曲线的特征。2005年故障率较高是由于电源处于早期失效期，在这一时期故障原因主要由元器件质量不稳定引起，电源的故障点呈现离散状态；2006年至2010年电源故障率较低，运行较为稳定，可称为偶然失效期。2010年至2015年，电源的故障率水平明显增加，且故障点多出现在电容、功率开关管等部件上，属于损耗失效期。通过对故障发生趋势的分析发现当年故障率高于历年平均故障率2倍以上，电源进入老化期应进行维护，从表1中可以计算得出：
2010年故障为13台，年故障率为：(公式的字体大小格式)
2005年至2009年平均故障率为：
2010年故障率是历年平均故障率的3.28倍，因此在2010年应对电源进行维护，维护周期为5年。
2.重点元器件
开关电源的主电路担负着电源变换的任务，其工作于高电压、大电流、高热量的环境中，大部分的电源故障都是由主电路产生的。通过对故障电源的分析发现元器件故障率由高到低顺序为电解电容、保险、功率开关管、整流二极管、高频变压器，下面分别对元器件故障原因进行分析。
2.1电解电容
电容是组成开关电源电路的重要元器件，一般起到过滤电源杂波的作用，不仅在电路中应用量极大，而且具备一个重要特性--故障的隐蔽性，也就是在其电特性下降的过程中，无法通过常规的检测手段发现，而且其电特性下降过程中，状态的不稳定会对电路中其他部件产生影响，比如电源工作时，滤波电容的不稳定会对控制芯片会造成直接冲击。
2.1.1电容的电特性分析
容量、内阻是电容重要的技术指标。在理想状态下，电容的容量应为额定值，内阻应为0，但实际情况下由于生产工艺不同、外部环境的变化，电容内部有漏电流产生，因此其容量和内阻与理想状态会有一定偏差。为了了解电容老化后其电特性的变化量，采用LCR-8105G测试仪对电容的容量和内阻两个参数进行测量。抽取了使用年限为7年的5台电源，对其输出电容进行测量。同时选取相同数量、同一规格型号的新电容进行对比，测量结果见表1。
通过表3的数据可以看出，新电容的容量和内阻阻值较一致，容量与平均值差值在±2uF以内，内阻与平均值相差在25mΩ范围以内。当电容出现老化以后，其平均容量变化减少了24%，内阻增大了近一倍，且容量和内阻测量值的离散率很高，质量很不稳定。
表1 新旧电解电容参数对照表
2.1.2电解电容的结构分析
电解电容器是由经过腐蚀形成氧化膜的阳极铝箔、经过腐蚀的阴极铝箔、中间隔着电解纸卷绕后，再浸渍工作电解液，然后密封在铝壳中而制成的，如图2所示。电解容的电容量从μF 级到万μF 级，其单位体积电容量比其他电容器大几百倍到几千倍，虽然电解电容寿命较低，但现阶段无法用其他种类电容替代。
图2 电解电容剖面图
将老化的电容拆解发现，电容内部电解液已经出现干涸和结晶现象，沾有电解液的电解纸颜色由原来的浅黄色变为深棕色，如图3所示。通过使用绝缘电阻仪检测，包裹极片的衬垫纸绝缘特性明显下降。在电容受到瞬时电压冲击时，其绝缘可能被击穿，极片间瞬间高温使电解液蒸发，从而出现鼓包、漏液等现象。因此，当电解电容使用达到一定年限必须进行更换，才能达到预防性维修的目的。
图3新老电容对比
2.2保险
保险管，是一种安装在电路中，保证电路安全运行的电器元件。保险管会在电流异常升高到一定程度并达到一定温度时，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。一般保险丝由三个部分组成：一是熔体部分，它是保险丝的核心，熔断时起到切断电流的作用，常采用铝锑合金等低熔点合金制成的；二是电极部分，通常有两个，它是熔体与电路联接的重要部件，它必须有良好的导电性，不应产生明显的安装接触电阻；三是支架部分，支架的作用就是将熔体固定并使三个部分成为刚性的整体以便于安装、使用，它必须有良好的机械强度、绝缘性、耐热性和阻燃性，在使用中不应产生断裂、变形、燃烧及短路等现象。在维修中发现，保险管的熔断一般都伴随着元器件短路故障的发生，属于伴随性故障。因此从其故障原因来看，保险管不需要进行更换。
2.3功率开关管
开关电源中使用的功率开关管主要有两种类型：一种为金属氧化物导体场效应晶体管-MOSFET，由于其价格便宜、通态电阻小、损耗低，但受到导通电流的限制，只用在中小功率的开关电源上；另一种为绝缘栅双极型晶体管-IGBT，其耐压高、工作电流大、导通电阻小、开关速度快，主要用于大功率开关电源、逆变器等设备上。
在功率开关管工作时，其电流密度很高，一般在106-108A/m2，很容易形成“热斑”造成开关管失效，另外它一般由上百个发射区并联而成。随着使用年限的增加，发射区因出现断路现象导致其数量不断减少，这时功率开关管所能承受的工作电流开始下降，但工作电流没有发生变化，剩余的发射区会承受更大的工作电流，这就导致了功率开关管加速损坏。因此，功率开关管故障的原因有一部分是由于其老化造成的，其老化速度是由慢到快的过程，当其损坏时，往往伴随着电火花、放炮、断电等故障现象。根据其故障率、故障原因及故障造成的影响，在电源维护时应当更换功率开关管。
2.4整流二极管
整流二极管常用在电源的输入端和输出端，起到整流的作用。在电源的输入端，一般采用成品整流桥的形式，由于整流二极管或整流桥的价格比较低，在设计时将选取的耐压值和额定电流都留有很高的裕量，因此在实际使用中其故障率很低。在对其故障原因进行分析时发现，其故障一般是功率开关管短路造成整流二极管瞬间电流过大引起的整流二极管故障，其故障原因属于伴随性故障，因此可以不进行更换。
2.5高频变压器
高频变压器在开关电源中起到电压变换、电气隔离的作用，变压器内部是由软磁性材料的铁氧体磁芯和缠绕在磁芯外部的漆包线组成，其结构可靠性较高，故障率几乎为0，在电源进行维护时无需更换，但要检查漆包线的绝缘漆是否有起鼓脱落现象，对于较大的变压器要测试其绝缘性能。
3.环境因素的影响
地铁站分为地下站和高架站两种，地铁站属于半封闭或开放状态，受天气影响很大。天津地区气温范围在 -25℃ -40℃，气候较为湿润，每年冬季易形成大雾，最近几年雾霾较为严重。地铁站内主要特点为湿度较高，粉尘较多。粉尘主要来源于：闸瓦粉末、碳滑靴粉末、轮轨摩擦产生的铁粉，主要成分为：C、Fe、Cu等其他金属成分，开关电源容易受到粉尘污染。
电子设备的可靠性不仅取决于所用元器件的质量，而且与环境条件及防护设计有着密切关系。有数据分析与统计结果表明：电子设备所发生故障的50%以上是由于环境因素造成的。因此，有必要对电路板进行相应的防护，以提高可靠性。环境因素中温度、湿度、盐雾及霉菌等因素对电子设备的影响较大。
（1）温度与湿度的影响：无论是金属材料还是非金属材料，吸潮后会在表面形成一层水膜，与大气中的CO2、SO2、NO2、H2S等气体会溶解在水膜中形成电解液，使绝缘性能下降，使金属材料产生化学腐蚀。
（2）霉菌的影响：霉菌在生命活动中，一方面吸取和分解有机材料中的某些成分作为养料，从而破坏材料的结构和性能；另一方面由代谢作用分泌出来的酶和有机酸对金属产生腐蚀，使绝缘介质的表面电阻成百倍的下降。此外霉菌的生长还会构成一种扩展性的物质堆积，从而破坏金属表面的保护层，使之松动、开裂或起泡，这种堆积物还会引起印制导线间的短路和霉断等。
（3）盐雾的影响：盐雾是由悬浮的氯化物和微小液滴组成的。盐雾中的氯化物是一种强电解质，能大大增强金属表面液膜的导电性，从而促进电化学腐蚀。
开关电源由于其散热性的需要，其外壳都设有散热孔或格栅，电路板直接与外部环境相接触。将常年使用的电源打开外壳发现，电路板上灰尘堆积严重，这样严重影响了元器件的散热增加了工作温度；由于灰尘的吸附作用增加了电路板周围环境的湿度；灰尘间的微小气孔为霉菌滋生提供了天然的场所，使酸碱腐蚀更加严重；灰尘中含有的碳、铁、铜等成分与空气中的盐雾相结合加快了电化学腐蚀的速度。因此对电路板进行彻底的清洁、除尘是十分必要的，对于腐蚀严重的电路板应采取相应的保护措施，比如涂覆三防漆。
4.开关电源维护及检测
为保证设备运行的可靠性，避免电源故障及其带来的次生故障，应在故障大规模爆发之前对电源进行维护。电源维护应遵循以下原则：
（1） 在电源性能整体下降或大规模故障发生之前进行维护；
（2）维护后的电源整体寿命能够可靠使用到下一次维护；
（3）维护后电源的负载能力、输出稳定性等指标不低于新电源的95%。
4.1开关电源的维护
如果按照以上原则，以闸机电源为例，其故障大规模爆发年限是6-7年，那么其维护周期应在5-6年为一个周期进行一次维护；在维护中应更换所有故障率高的元器件，将电源恢复到良好的工作状态。在器件更换以后，应对电源进行电气性能指标测试，如满载测试、能效测试、输出电路测试等。在测试结果与新电源进行对比，其所有性能指标不低于新电源的90%。维护主要分以下几个步骤：
（1）拆解清洁。将电源拆解，擦拭电源壳体、吹扫电路板等电子部件灰尘，解决电路板积尘导致的散热不良、腐蚀等问题。
（2）更换老化元器件。更换电解电容、功率开关管等容易老化的元器件，以解决电源老化性能下降的问题。更换的元器件不仅限于上述元器件，应根据电源具体老化情况而定。
（3）更换导热硅脂。去除原有导热硅脂，并重新涂抹导热硅脂，解决因硅脂老化带来的导热能力下降的问题。
（4）更换紧固件。在部件回装时，将重要紧固件更新，尤其是用于紧固接地线、导线端子处紧固件，避免因紧固件锈蚀、电腐蚀、疲劳断裂、螺纹变形引起的接触电阻增大的问题。
4.2检测
电源测试是将已经维护完成的电源与供电设备、负载设备及测量设备等连接在一起，进行电源安全性及电气性能的测试。通过采集维护后的电源各项参数与标准指标进行比较，验证维护后电源是否存在缺陷，是衡量电源能否投入使用的手段之一。测试分为两大部分：安全规格指标测试、电气技术指标测试。
4.2.1安全规格指标测试
安全规格测试的目的是使用人员避免电气危害， 也使公司规避了风险。在每个电源维护后都要首先进行安规测试，电源的安全性能指标必须满足国家安全标准，不可降低标准。安规测试中要对电源进行以下4项测试：
（1）抗电强度测试。测试目的是防止电器破坏，经输入串入高压而影响使用者安全。
（2）泄漏电流测试。泄漏电流是指在没有故障施加电压的情况下，开关电源中输入与机壳间流通的电流。
（3）绝缘阻抗测试。测试目的是测量待测卡关电源带电部件与输出电流之间和带电部件与胶壳之间的绝缘阻抗值，在可接触到的金属部分和输入之间应有大于2MΩ的电阻。
（4）接地电阻测试。接地电阻是在开关电源接地端子与接地母线之间施加一个额定大小的电流测量到的电阻值。开关电源接地端和接地母线之间的电阻值必须小于0.1Ω。
4.2.2电气技术指标测试
开关电源的电气技术指标测试是衡量电源性能的方法。在电源维护后，要对电源进行电气技术指标测试，其测试结果可以与新电源进行对比，由于长期使用电源的某些电气指标有可能产生永久性退化，可根据电源用途对某些电气指标进行适当的放宽，但各项指标不得低于原有性能的95%。电气技术指标需要测试的项目较多，现将主要技术指标及含义罗列如下：
（1）效率测试：开关电源把其输入的有功功率转换为有效输出功率的能力。
（2）最大输入电流测试：在允许工作条件下，开关电源可能达到的最大输入电流。
（3）输出电流测试：开关电源在一定输入电压、频率、负载时的输出电流值。
（4）浪涌电流测试：在开关电源接通瞬间，流入开关电源输入端的峰值电流。
（5）输入电压调整率：在开关电源输入电压范围内，在输出负载一定而输入电压变动时，随着输入电压的变化，输出电压会出现一定的变化，输出电压随着输入电压变化的百分比就是电压调整率。
（6）输出纹波及噪声测试：直流输出量对电压平均值的周期和随机偏移。
（7）过流保护测试：在开关电源输出短路或过载时对开关电源或负载进行的保护。
（8）过压保护测试：当开关电源异常增高时，将电源自行关断的能力。
开关电源的测试还包括：重轻载变化测试、输入电压变动测试、输入过压欠压及恢复测试、稳压精度测试等共计33项测试。其测试指标满足要求后，开关电源经维护后合格，可以交付使用。
5.结束语
本文以天津地铁中使用的电源故障率和故障年限为依据，提出了将开关电源进行预防性维修的必要性。并对电源的故障周期及故障原因进行分析，提出对电源进行预防性维修的周期、维护方法及测试方法。最终达到开关电源能够安全、稳定使用的目的。
参考文献：
[1]沙占友，王彦鹏，安国陈.开关电源设计入门与实例解析[M]. 北京：中国电力出版社，2009.
[2]沙占友，孟志永 . 提高开关电源效率的方法 . 电源技术应用， 2012 （4）
[3]周志敏，纪爱华 . 图解开关电源测试及应用技能 . 北京：电子工业出版社，2015.
[4]周志敏，周纪海，纪爱华 . 现代开关电源控制电路设计与应用 . 北京：人民邮电出版社，2005.
论文作者:宋承昊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/20
标签：开关电源论文; 电源论文; 故障论文; 测试论文; 故障率论文; 电容论文; 电流论文; 《防护工程》2018年第4期论文;