李智誠(chéng)

（山東送變電工程有限公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

在新建、改建、擴(kuò)建變電站設(shè)備安裝過(guò)程中，隨著安裝進(jìn)度的推進(jìn)應(yīng)進(jìn)行電氣交接試驗(yàn)、設(shè)備調(diào)試等工作，其中，斷路器分合閘線圈回路、隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)的控制回路等均需要提供直流電源。新建變電站的交直流一體化電源系統(tǒng)直流系統(tǒng)往往是在設(shè)備安裝完成后才投入使用，為了不影響整體試驗(yàn)進(jìn)度，試驗(yàn)人員會(huì)通過(guò)簡(jiǎn)易的整流裝置來(lái)獲取直流電源。改擴(kuò)建工程則是通過(guò)臨時(shí)電纜從試驗(yàn)電源屏獲得直流電源，如果試驗(yàn)電源屏與用電設(shè)備距離較遠(yuǎn)，會(huì)出現(xiàn)臨時(shí)電纜施工困難等問(wèn)題。目前，工程現(xiàn)場(chǎng)使用最多的方式是采用簡(jiǎn)陋的敞開(kāi)式整流橋來(lái)獲取直流電源。使用這種簡(jiǎn)易方法來(lái)獲取直流電存在安全隱患，試驗(yàn)人員容易碰觸到整流器裸露的端子，導(dǎo)致試驗(yàn)人員觸電；同時(shí)，這種簡(jiǎn)易整流裝置輸出的直流電壓紋波系數(shù)偏大，容易對(duì)被試品造成損害。而市場(chǎng)上比較成熟的整流裝置大都電壓等級(jí)比較低，只能供蓄電池使用，無(wú)法用于調(diào)試開(kāi)關(guān)。因此亟須設(shè)計(jì)一種新型的便攜式直流電壓輸出裝置，用以配合變電站建設(shè)過(guò)程中的各種試驗(yàn)工作。

1 直流電壓輸出原理

整流電路采用單相橋式整流，原理如圖1 所示［1］，圖中Tr為電源變壓器，其作用是將交流電網(wǎng)電壓U1變成整流電路要求的交流電壓U2，RL是要求直流供電的負(fù)載電阻，4 只整流二極管D1—D4接成電橋的形式。

在U2的正半周期，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D1流向RL，再由二極管D3流回變壓器，所以D1、D3正向?qū)ǎ珼2、D4反偏截止。在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負(fù)的輸出電壓。其電流通路可用圖1 中黑色箭頭表示。

在U2的負(fù)半周期，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D2流向RL，再由二極管D4流回變壓器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向?qū)āｋ娏髁鬟^(guò)RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時(shí)相同。其電流通路如圖1 中紅色箭頭所示。

綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，? 個(gè)二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。

圖1 橋式整流電路原理

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 二極管選型

二極管作為實(shí)現(xiàn)交流電轉(zhuǎn)換為直流電的主要元件，必須使用方便、可靠，具有良好的輸出穩(wěn)定性，并且能夠良好地焊接在電路板上。目前主要有兩種主流二極管，肖特基二極管和快恢復(fù)二極管。

肖特基二極管具有開(kāi)關(guān)頻率高和正向壓降低等優(yōu)點(diǎn)，但其反向擊穿電壓比較低，大多不高于60 V，最高僅約200 V，且反向漏電流偏大，為正溫度特性，容易隨著溫度升高而急劇變大，實(shí)物設(shè)計(jì)存在熱失控的隱患。

快恢復(fù)二極管是一種具有開(kāi)關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管，可作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用?？旎謴?fù)二極管屬于PIN 結(jié)型二極管，因基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓（耐壓值）較高［2］。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，需要對(duì)220 V 交流電壓進(jìn)行整流，肖特基二極管無(wú)法滿(mǎn)足電壓要求，且有熱失控的隱患。因此選用快恢復(fù)二極管（FR607），最大持續(xù)峰值反向電壓為1 000 V，最大均方根電壓為700 V，最大直流阻斷電壓為1 000 V，最大平均整流電流（55 ℃）為6 A，最大浪涌電流（8.3 ms 正弦波）為300 A，最大持續(xù)正向電壓（直流1 A）為1.3 V，封裝類(lèi)型為R-6。

2.2 穩(wěn)壓濾波電路設(shè)計(jì)

利用橋式整流電路可以得到直流電壓UL，但該電壓波形中含有較大的脈動(dòng)成分，須利用具有儲(chǔ)能作用的電抗性元件（如電感、電容）組成的濾波電路來(lái)濾除整流電路輸出電壓中的脈動(dòng)成分。

電阻濾波電路，即RC-π 型濾波電路，實(shí)質(zhì)上是在電容濾波的基礎(chǔ)上加一級(jí)阻容濾波電路，如圖2所示。經(jīng)整流輸出的電壓，首先經(jīng)過(guò)C1電容器的濾波，將大部分高頻交流成分濾除，經(jīng)C1后的電壓，再加到由R 和C2構(gòu)成的RC 濾波電路中，電容C2進(jìn)一步對(duì)交流成分進(jìn)行濾波。C1容抗很小，高頻干擾成分容易被小電容C1濾掉，即C1對(duì)高頻交流干擾濾波較好；C2容抗較大，低頻干擾成分容易被C2濾掉，即C2對(duì)低頻交流干擾濾波效果好。電阻對(duì)交直流均有壓降和功率損耗，所以RC-π 型濾波電路在電流需求較小的場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。

若用S′表示C1兩端電壓的脈動(dòng)系數(shù)，則輸出電壓兩端的脈動(dòng)系數(shù)為

式中：ω 為角頻率，ω=2πf，f 為交流頻率。

圖2 RC-π 型濾波電路

由式（1）可以推算，在ω 值一定的情況下，R 越大，C2越大，則脈動(dòng)系數(shù)越小，也就是濾波效果越好。而R 增大時(shí)，電阻上的直流壓降會(huì)增大，這樣就增大了直流電源的內(nèi)部損耗；若增大C2的電容量，又會(huì)增大電容器的體積和重量，不易實(shí)現(xiàn)，選用合適的參數(shù)至關(guān)重要。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和試湊，可以將電阻R 取1.2～3 Ω，C2取100 μF［3］。

2.3 試驗(yàn)仿真

在MATLAB／Simulink 環(huán)境中搭建仿真電路，如圖3 所示，電壓輸入U(xiǎn)1采用220 V／ 50 Hz 恒壓電源，C1取22 μF，C2取100 μF。輸入和輸出仿真波形如圖4 所示，其中，通道A 為U1，通道B 為UL，時(shí)間基準(zhǔn)為0.1 s。0.3 s 后，直流電壓已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，由于未帶負(fù)載，直流輸出電壓為交流輸入電壓有效值的倍，約為310 V，與計(jì)算結(jié)果一致，完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的要求。

圖3 電路仿真原理

圖4 仿真波形

3 實(shí)物設(shè)計(jì)

3.1 輸入接口設(shè)計(jì)

輸入接口采用開(kāi)關(guān)式三孔電氣插頭，如圖5 所示，該接口自帶過(guò)流保險(xiǎn)、通斷開(kāi)關(guān)，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，且穩(wěn)定性好、安全可靠、美觀大方，屬于通用型電氣元件，可隨時(shí)進(jìn)行更換。整個(gè)整流、濾波穩(wěn)壓電路接地引至三孔插頭“N”端子，可靠焊接后一點(diǎn)接地，一方面有效降低了EMI 影響，另一方面保證了試驗(yàn)人員的安全。

圖5 開(kāi)關(guān)式三孔電氣插頭

3.2 輸出接口設(shè)計(jì)

輸出接口采用純銅試驗(yàn)端子接線柱，如圖6 所示，采用該形式接線柱可與試驗(yàn)線可靠連接，且結(jié)構(gòu)靈活，可插接，可壓接，體積小巧，可根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象與設(shè)備的距離更換合適的電源線，相對(duì)于螺絲緊固，不容易出現(xiàn)松動(dòng)的現(xiàn)象。直流輸出側(cè)正極插接端子為紅色，負(fù)極插接端子為黑色，方便區(qū)分直流輸出電源的正負(fù)極。采用直流數(shù)字電壓表來(lái)讀取輸出電壓，如圖7 所示。

圖6 試驗(yàn)端子接線柱

圖7 數(shù)字電壓表

3.3 外部封裝設(shè)計(jì)

采用熱固型環(huán)氧樹(shù)脂塑料對(duì)電路進(jìn)行封閉包裝，分上下兩部分，螺絲固定。設(shè)備外殼側(cè)面每側(cè)設(shè)置4 個(gè)1 cm×3.5 cm 散熱孔，確保電路運(yùn)行中及時(shí)散熱。設(shè)備外殼尺寸為10 cm×5 cm×3.5 cm，方便試驗(yàn)人員攜帶，如圖8 所示［4］。

3.4 電壓調(diào)節(jié)模塊選擇

電壓調(diào)節(jié)模塊應(yīng)滿(mǎn)足當(dāng)輸入電壓在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)動(dòng)時(shí)，保證電壓持續(xù)穩(wěn)定的輸出要求。調(diào)壓變壓器和固態(tài)調(diào)壓器均滿(mǎn)足電壓調(diào)節(jié)模塊的基本要求，但調(diào)壓變壓器重量大、體積大、不方便攜帶；固態(tài)調(diào)壓器質(zhì)量輕、體積小、更換維修方便，雖然存在高次諧波，但用于阻性負(fù)載影響不大。本設(shè)備選擇SSVR 40 A 固態(tài)調(diào)壓器，最大負(fù)載電流為60 A，斷態(tài)漏電流≤5 mA，隔離電壓＞2 500 V（AC），長(zhǎng)44.5 mm，寬29.4 mm，高58.4 mm，能完美放入封裝盒內(nèi)，額定電壓下穩(wěn)壓精度＜2%［5］。

圖8 設(shè)備封裝殼

3.5 組裝與測(cè)試

依次將主電路、濾波電路、固態(tài)調(diào)壓器等電氣元件焊接于成品電路板上，方便設(shè)備維護(hù)，設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9 所示。為保證設(shè)備使用的安全性，采用全封閉封裝設(shè)計(jì)，設(shè)備外部效果如圖10 所示。

圖9 設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖10 外部效果

經(jīng)測(cè)試，設(shè)備在220 V 電壓輸入情況下，可輸出空載電壓為DC 310 V，帶負(fù)載情況下最高可輸出DC 270 V 電壓，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用條件，在某新建220 kV變電站投入使用，測(cè)試結(jié)果如表1 所示，電壓輸出波動(dòng)在允許范圍之內(nèi)。

表1 直流電壓輸出設(shè)備測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

手持式直流電壓輸出設(shè)備利用橋式整流法得到直流電，然后利用RC-π 型濾波電路進(jìn)行濾波，制作簡(jiǎn)單、成本低，可靠性高，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)工程調(diào)試效率，既不需要臨時(shí)電纜，節(jié)省了材料和人工，也不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞，更不存在安全隱患，尤其是在改擴(kuò)建工程中，有效避免了交直流一體化電源系統(tǒng)直流電接地故障。下一步將對(duì)設(shè)備穩(wěn)固性和抗干擾能力進(jìn)行優(yōu)化。