手持式直流電壓輸出設備研究

李智誠

（山東送變電工程有限公司，山東 濟南 250118）

0 引言

在新建、改建、擴建變電站設備安裝過程中，隨著安裝進度的推進應進行電氣交接試驗、設備調試等工作，其中，斷路器分合閘線圈回路、隔離開關和接地開關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)往往是在設備安裝完成后才投入使用，為了不影響整體試驗進度，試驗人員會通過簡易的整流裝置來獲取直流電源。改擴建工程則是通過臨時電纜從試驗電源屏獲得直流電源，如果試驗電源屏與用電設備距離較遠，會出現(xiàn)臨時電纜施工困難等問題。目前，工程現(xiàn)場使用最多的方式是采用簡陋的敞開式整流橋來獲取直流電源。使用這種簡易方法來獲取直流電存在安全隱患，試驗人員容易碰觸到整流器裸露的端子，導致試驗人員觸電；同時，這種簡易整流裝置輸出的直流電壓紋波系數偏大，容易對被試品造成損害。而市場上比較成熟的整流裝置大都電壓等級比較低，只能供蓄電池使用，無法用于調試開關。因此亟須設計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過程中的各種試驗工作。

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，只能經過二極管D1流向RL，再由二極管D3流回變壓器，所以D1、D3正向導通，D2、D4反偏截止。在負載上產生一個極性為上正下負的輸出電壓。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，只能經過二極管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正向導通。電流流過RL時產生的電壓極性仍是上正下負，與正半周時相同。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導電性，將4 個二極管分為兩組，根據變壓器副邊電壓的極性分別導通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負載電阻的上端相連，負極性端與負載電阻的下端相連，使負載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓。

圖1 橋式整流電路原理

2 設計方案

2.1 二極管選型

二極管作為實現(xiàn)交流電轉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二極管。

肖特基二極管具有開關頻率高和正向壓降低等優(yōu)點，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，實物設計存在熱失控的隱患。

快恢復二極管是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管，可作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用?？旎謴投O管屬于PIN 結型二極管，因基區(qū)很薄，反向恢復電荷很小，所以快恢復二極管的反向恢復時間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓（耐壓值）較高［2］。

根據現(xiàn)場需求，需要對220 V 交流電壓進行整流，肖特基二極管無法滿足電壓要求，且有熱失控的隱患。因此選用快恢復二極管（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，封裝類型為R-6。

2.2 穩(wěn)壓濾波電路設計

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成分，須利用具有儲能作用的電抗性元件（如電感、電容）組成的濾波電路來濾除整流電路輸出電壓中的脈動成分。

電阻濾波電路，即RC-π 型濾波電路，實質上是在電容濾波的基礎上加一級阻容濾波電路，如圖2所示。經整流輸出的電壓，首先經過C1電容器的濾波，將大部分高頻交流成分濾除，經C1后的電壓，再加到由R 和C2構成的RC 濾波電路中，電容C2進一步對交流成分進行濾波。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對低頻交流干擾濾波效果好。電阻對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合應用廣泛。

若用S′表示C1兩端電壓的脈動系數，則輸出電壓兩端的脈動系數為

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，則脈動系數越小，也就是濾波效果越好。而R 增大時，電阻上的直流壓降會增大，這樣就增大了直流電源的內部損耗；若增大C2的電容量，又會增大電容器的體積和重量，不易實現(xiàn)，選用合適的參數至關重要。通過經驗和試湊，可以將電阻R 取1.2～3 Ω，C2取100 μF［3］。

2.3 試驗仿真

在MATLAB／Simulink 環(huán)境中搭建仿真電路，如圖3 所示，電壓輸入U1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，時間基準為0.1 s。0.3 s 后，直流電壓已經達到穩(wěn)定狀態(tài)，由于未帶負載，直流輸出電壓為交流輸入電壓有效值的倍，約為310 V，與計算結果一致，完全滿足現(xiàn)場設備的要求。

圖3 電路仿真原理

圖4 仿真波形

3 實物設計

3.1 輸入接口設計

輸入接口采用開關式三孔電氣插頭，如圖5 所示，該接口自帶過流保險、通斷開關，滿足現(xiàn)場使用要求，且穩(wěn)定性好、安全可靠、美觀大方，屬于通用型電氣元件，可隨時進行更換。整個整流、濾波穩(wěn)壓電路接地引至三孔插頭“N”端子，可靠焊接后一點接地，一方面有效降低了EMI 影響，另一方面保證了試驗人員的安全。

圖5 開關式三孔電氣插頭

3.2 輸出接口設計

輸出接口采用純銅試驗端子接線柱，如圖6 所示，采用該形式接線柱可與試驗線可靠連接，且結構靈活，可插接，可壓接，體積小巧，可根據試驗對象與設備的距離更換合適的電源線，相對于螺絲緊固，不容易出現(xiàn)松動的現(xiàn)象。直流輸出側正極插接端子為紅色，負極插接端子為黑色，方便區(qū)分直流輸出電源的正負極。采用直流數字電壓表來讀取輸出電壓，如圖7 所示。

圖6 試驗端子接線柱

圖7 數字電壓表

3.3 外部封裝設計

采用熱固型環(huán)氧樹脂塑料對電路進行封閉包裝，分上下兩部分，螺絲固定。設備外殼側面每側設置4 個1 cm×3.5 cm 散熱孔，確保電路運行中及時散熱。設備外殼尺寸為10 cm×5 cm×3.5 cm，方便試驗人員攜帶，如圖8 所示［4］。

3.4 電壓調節(jié)模塊選擇

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

圖8 設備封裝殼

3.5 組裝與測試

依次將主電路、濾波電路、固態(tài)調壓器等電氣元件焊接于成品電路板上，方便設備維護，設備內部結構如圖9 所示。為保證設備使用的安全性，采用全封閉封裝設計，設備外部效果如圖10 所示。

圖9 設備內部結構

圖10 外部效果

經測試，設備在220 V 電壓輸入情況下，可輸出空載電壓為DC 310 V，帶負載情況下最高可輸出DC 270 V 電壓，滿足現(xiàn)場使用條件，在某新建220 kV變電站投入使用，測試結果如表1 所示，電壓輸出波動在允許范圍之內。

表1 直流電壓輸出設備測試結果

4 結語

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