許守東　陳勇　李勝男　何鑫　馮自權(quán)

摘要：目前變電站二次設(shè)備測試時主要采取分體測試，整體通流的方法。無法實現(xiàn)整體測試的原因主要受限于大功率電流放大器技術(shù)，一方面是因為放大器體積龐大，笨重，電源功率要求較高，變電站現(xiàn)場安裝移動困難；另一方面是大電流輸出幅值、負載、電流精度、電流響應(yīng)速度不能滿足要求?；贛OSFET的大功率快速放大器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大器2000A的電流輸出，同時電流輸出響應(yīng)速度小于500us，體積小，重量輕，移動方便，使二次設(shè)備現(xiàn)場整體測試成為現(xiàn)實，對變電站調(diào)試檢修具有重大的意義。

關(guān)鍵詞：金屬一氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）；大功率；快速；響應(yīng)時間；整體測試

0引言

隨著人們生活水平的提高，社會對電能的需求量也越來越大，電能已經(jīng)成為人們生活和社會發(fā)展不可缺少的能源之一。目前，變電站的數(shù)量在不斷增加，設(shè)備也在逐年增加，人們對變電站的檢修和保養(yǎng)工作也越來越重視。但是我國所有變電站的二次設(shè)備檢修方法粗放、效率低、針對性不強，這些都直接影響著電力設(shè)備的安全和供電的可靠性。尤其是近些年隨著智能變電站的大力推廣建設(shè)，二次設(shè)備之間采用虛端子連接技術(shù)，使得變電站二次設(shè)備的調(diào)試檢修服務(wù)技術(shù)門檻大大提高，同時，調(diào)試檢修工作強度和內(nèi)容也增加了至少一倍，電力檢修公司無論從檢修人員調(diào)配還是檢修服務(wù)已經(jīng)很難把控，而二次設(shè)備檢修不到位將直接威脅到電網(wǎng)的安全和可靠。所以，很有必要開發(fā)一種二次設(shè)備整體測試技術(shù)，從一次設(shè)備加量，實現(xiàn)二次設(shè)備整體測試。

二次設(shè)備整體測試是從電流互感器一次側(cè)直接加量，模擬電網(wǎng)各種短路故障，實現(xiàn)變電站二次合并單元、保護裝置、智能終端和刀閘斷路器等整體測試的一種技術(shù)手段。要想互感器一次側(cè)加量實現(xiàn)二次設(shè)備整體測試，大功率放大器是關(guān)鍵技術(shù)之一。本文主要介紹一種基于MOSFET的大功率快速放大器技術(shù)，通過研究電流影Ⅱ向速度對保護裝置的影響，分析大功率快速放大器技術(shù)實現(xiàn)二次設(shè)備整體測試的可行性。

1電流響應(yīng)速度對繼電保護裝置的影響

目前，繼電保護裝置大部分都使用暫態(tài)分量作為保護邏輯判據(jù)，在試驗中需要模擬和確定電流突變量、電壓突變量、頻率突變量和阻抗突變量等。因此，繼電保護裝置裝置所輸出的突變量的上升速率（響應(yīng)速度）即測試裝置的暫態(tài)特性應(yīng)滿足繼電保護測試儀器相關(guān)規(guī)范要求。在繼電保護測試儀器相關(guān)標準規(guī)范中明確規(guī)定，繼電保護裝置測試儀器輸出電流和輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)時間應(yīng)不大于100us。

現(xiàn)在變電站保護屏柜調(diào)試基本上都是繼電保護測試儀的電流電壓、開入、開出信號直接接到被測保護裝置所在屏柜對應(yīng)的端子排上，按照調(diào)試大綱或者說明書對各保護功能進行詳細的調(diào)試。繼電保護測試儀的電流上升下降時間小于100us，而在實際的各種電氣設(shè)備故障時，故障電流流到保護裝置小于10us，基本上都是瞬時的。而保護裝置在瞬時性故障時，經(jīng)過CPU處理和繼電器的動作延時，基本上實際的出口時間也都大于10ms，所以測試儀電流響應(yīng)時間的100us，對保護裝置的測試沒有影響。

繼電保護測試儀器輸出的是二次值的小電流信號，而實現(xiàn)一次變電站二次系統(tǒng)整體測試需要大電流功率放大器從互感器一次側(cè)加量。受限于硬件產(chǎn)品性能等技術(shù)條件，目前大電流功率放大器電流上升下降時間最多可以控制在500us以內(nèi)，而保護動作時間出口基本都在10ms以上，因此，理論上大電流功率放大器的電流Ⅱ向應(yīng)速度為500us是可以滿足現(xiàn)場使用要求的。

為了驗證功率放大器電流響應(yīng)速度為500us是否對保護邏輯判斷產(chǎn)生影Ⅱ向，本文通過PN4661繼電保護測試儀對國內(nèi)主流繼電保護廠家的RCS931線路保護裝置進行相關(guān)模擬仿真試驗。PN4661的電流精度為0.1%，通過更換內(nèi)部電阻等部件實現(xiàn)電流上升時間分別為100us，500us，1000us和2000us，在不同電流Ⅱ向應(yīng)時間下測試RCS931線路保護裝置的差動接地距離保護、相間距離保護、縱聯(lián)差動保護、零序過流保護和重合閘保護的出口時間，詳細測試驗證結(jié)果見表1所示。

從表1的測試儀輸出不同響應(yīng)時間下保護裝置動作出口試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著繼保測試儀器輸出響應(yīng)時間增大，保護動作出口時間也會逐漸增大。測試儀輸出響應(yīng)時間在1000us以內(nèi)，對保護裝置的動作邏輯出口時間基本沒有影響，因此，500us的大電流功率放大器能夠?qū)崿F(xiàn)二次裝置的整體測試。

2傳統(tǒng)大電流放大器技術(shù)

目前變電站一次通流采用的大電流通常利用升流組合裝置來實現(xiàn)，其工作原理見圖1所示。升流組合裝置由升流器組、電容補償裝置、電源控制系統(tǒng)及輔助設(shè)備構(gòu)成。升流發(fā)生器跟高壓電流互感器一樣，實質(zhì)就是一種雙繞組降壓變壓器嗍。理論上原邊和副邊的功率相等，運行時原副邊的電壓與電流成反比。升流時，采取降低輸出端電壓來提高相關(guān)的負載電流，從而完成產(chǎn)生大電流的功能。

升流器的方法從技術(shù)原理上能夠?qū)崿F(xiàn)大電流的輸出，但是其輸出的電流不能控制其暫態(tài)變化，只能進行簡單的通流試驗。而且，該大電流升流組合裝置還有以下缺陷：一方面，其輸出電流波動大，無法滿足電流精度測試的要求：另一方面，現(xiàn)有的大電流升流設(shè)備均配置在專用實驗室內(nèi)，由于要求有足夠的容量，必須專線電源供電和固定使用，如將其直接用于大負荷大電流現(xiàn)場試驗檢測，存在著體積龐大無法運輸、設(shè)備抗外力沖擊性差、散熱性能差、安裝擺放場地受限、難以解決現(xiàn)場安全接線（地）和電源容量配置以及設(shè)備渦流損耗和溫升現(xiàn)象嚴重等問題。

3基于MOSFET的大功率放大器方案

基于MOSFET的大功率放大器主要由MOSFET器件構(gòu)成的逆變器電源模塊和放大模塊構(gòu)成，其工作原理如圖2所示。整體結(jié)構(gòu)采用模塊化分布方式設(shè)計，電源模塊和放大器模塊分開，其連接通過電纜分別連接，這樣便于拆裝移動。電源模塊為單相放大模塊提供100kW的供電電源，其采用MOSFET管作為整個供電電源開關(guān)驅(qū)動電路。放大器部分將采用兩個功率放大器模塊進行并聯(lián)輸出，其中一個功率模塊提供輸出的基波電流和諧波電流，并采用開關(guān)放大器的原理進行設(shè)計，減小設(shè)備的體積和重量，將此模塊設(shè)為模塊1：另一個模塊提供暫態(tài)電流，將采用線性放大器的原理進行設(shè)計，將此模塊設(shè)為模塊2。模塊1和模塊2由主控模塊控制同步輸出，通過高速電流傳感器輸出不低于2000A的大電流。endprint

基于MOSFET的大功率快速放大器的整個工作流程為：100kW主變電源模塊將380V的交流電轉(zhuǎn)為放大器模塊使用的直流電，通過電纜傳輸給放大器模塊，從而驅(qū)動整個放大電路正常工作。主控模塊通過光纖一方面?zhèn)鬏斖娇刂菩盘枌崿F(xiàn)各相功率放大器同步輸出，另一方面?zhèn)鬏敂?shù)字輸出信號控制各相功率放大器各相輸出電流的幅值、相位和頻率等。功率放大器的高速DA模塊將主控模塊的數(shù)字信號轉(zhuǎn)為放大模塊能夠使用的模擬信號，通過功率模塊1和功率模塊2及其對應(yīng)的高速電流傳感器實現(xiàn)大電流的穩(wěn)態(tài)輸出和暫態(tài)控制，兩個功率模塊在輸出端通過電纜并聯(lián)，實現(xiàn)大電流同步輸出。

4基于MOSFET的大功率放大器構(gòu)成

4.1電源模塊

目前功率放大器的電源模塊通常采用雙極型開關(guān)管的逆變器電路，基極驅(qū)動電流基本上為開關(guān)電流的1/B，因此要實現(xiàn)大電流開關(guān)電路必須采用多級放大，這樣不僅使電路復(fù)雜化，可靠性也變差，而且隨著輸出功率的增大，開關(guān)管驅(qū)動電流需大于集電極電流的l/B，致使普通驅(qū)動IC無法直接驅(qū)動。雖說采用多級放大可以達到目的，但是波形失真卻明顯增大，從而導(dǎo)致開關(guān)管的導(dǎo)通/截止損耗也增大，而多采用MOSFET管作開關(guān)器件能很好地解決這個問題。MOSFET管漏一源極間導(dǎo)通電阻，具有電阻的均流特性，并聯(lián)應(yīng)用時不必外加均流電阻，漏源極直接并聯(lián)應(yīng)用即可。同時，MOSFET管是由電壓進行控制，控制方式方便，且其具有輸入電阻高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，功耗低，體積小等優(yōu)點。

電源的處理技術(shù)對整個設(shè)備的重量影Ⅱ向非常大，普通的工頻變壓器100kW功率等級的重量在300-500kg，如果我們采用工頻變壓進行降壓隔離處理，那么電源部份就非常重，并且功率因數(shù)也較低，所以這種方式并不適用于現(xiàn)場的搬運和測試。因此，我們采用開發(fā)5-10kW的電源模塊，多個電源模塊進行并聯(lián)使用的方法?？紤]到設(shè)備并非工作在長時間連續(xù)的狀態(tài)下，分布設(shè)計可以分散電源熱量。同時，不必采用很大功率的器件，可減輕電源重量，提高電源的穩(wěn)定性。另外功率小的電源開關(guān)頻率可以做得相對較高，越大功率等級的電源開關(guān)頻率越低。所以采用多個模塊并聯(lián)的工作方式將會大減小電源部份的重量。

4.2放大器模塊

設(shè)定設(shè)備的帶載能力50V，帶載的峰值電壓應(yīng)該為50x1.414=70.7V，最大電流2000A，最大的峰值電流為2000x1.414=2828A，電流的上升時間最大為500us，我們可以推算出輸出負載的最大電感量L=（70.7x500x10）/2828，L=12.5uH，所以設(shè)備輸出的電感負載必須<12.5uH。輸出負載的直流阻抗是根據(jù)輸出線路的長短和截面面積決定的，為了減小重量，輸出線路我們預(yù)設(shè)為lm，來回則為2m，純銅線的電阻率為1.75x10m，輸出線路采用200mm2，輸出線路的直流阻抗R=1.75x10x5000x2=1.75x10，2000A的電流在直流阻抗上形成的電壓Ul=2000Ax1.75x10=0.35V：50Hz的交流電，2000A基波電流在最大感性負載上形成的電壓U2=2000x2x3.14x50x12.5x10=7.85V。

所以基波2000A輸出時需要的最大負載電壓V=（0.352+7.852）112，U=7.858V：2000A基波帶載能力應(yīng)該>10V，為保證模塊l的開關(guān)工作在大于80%的占空比，模塊l的輸出濾波電感可以確定為輸出負載感抗的4倍左右，L=50uH。假定基波為0A時，IKHz諧波頻率輸出時的最大諧波電流應(yīng)為I<100A；模塊l的最小連續(xù)電流>6A，占空比為50%，開關(guān)頻率暫設(shè)為100KHz。

因此，放大器模塊l的主功率拓撲參數(shù)可以確定。采用全橋開關(guān)放大器，開關(guān)頻率為100KHz，電源電壓為80V，輸出濾波電感為50uH。模塊從0A到輸出峰值的上升時間為t=（2828x62.5x10）/（80x0.9）=2.45ms。放大器模塊2的主功率拓撲參數(shù)為也可以基本確定：采用全橋線性放大器，電源電壓80V，0A到輸出峰值電流的上時間為450us，模塊2的輸出時間t=2.45ms。模塊l和模塊2是并聯(lián)工作的，輸入的信號為相同的模擬信號，模塊2提供初始階段的暫態(tài)信號，當(dāng)暫態(tài)信號輸出完成，模塊二停止，模塊接續(xù)模塊的輸出，進行連續(xù)輸出。

5結(jié)論

基于MOSFET的大功率放大器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大電流的輸出，可以暫態(tài)控制電流變化，電流輸出Ⅱ向應(yīng)時間快，精度高，不僅能夠完成變電站通流試驗，還能在互感器一次側(cè)模擬各種短路故障，實現(xiàn)變電站二次系統(tǒng)整體測試。同時，采用分布式設(shè)計理念，電源供電模塊與放大器模塊分開設(shè)計，減少整體體積和重量，便于拆裝移動，極大方便變電站現(xiàn)場調(diào)試檢修服務(wù)?；贛OSFET的大功率放大器技術(shù)真正實現(xiàn)了變電站一次系統(tǒng)故障真實模擬，對變電站現(xiàn)場調(diào)試檢修、電力科學(xué)院及高校和科研機構(gòu)的電力研究有據(jù)大的幫助和指導(dǎo)意義。endprint