氧化锌非线性电阻测试电源系统

摘要：氧化锌非线性电阻广泛用于电力系统过压保护和浪涌能量吸收。研究了一种对其进行测试的电源。测试电源用容量电抗器来提供非线性电阻测试所需要的浪涌能量。试验结果表明，测试电源工作可靠，能完成对氧化锌非线性电阻的有效测试。

关键词：非线性电阻；测试电源；能容量

0    引言

    氧化锌非线性电阻是一种压敏电阻器，用于电力系统保护已有30多年的历史了，它具有保护效果好，节能、价廉等一系列优点，因此，在发电机转子过电压保护，剩磁吸收，及避雷器中有着不可替代的保护作用[1][2]。由于电力系统中感性元件的存在，电力设备中故障电流出现时将导致严重的过电压现象，因此，抑制过电压对设备和操作人员的安全都是极为重要的[3]。随着我国电力事业的迅猛发展，电网容量不断扩大，发电机的单机容量也越来越大，为保证电网的安全运行，对发电机的快速灭磁，过压保护越来越重要。

    ZnO电阻的能容量大，通流性能好，可以起到快速灭磁的作用。而ZnO电阻结构的均匀程度对其能容量有直接影响，均匀度差会降低其对能量的吸收能力。测试电源系统就是要模拟ZnO快速灭磁时所吸收的瞬间能量，并监控ZnO电阻的工作情况，得出测试结果和参数。

1    电路基本原理

    测试电源由整流、换向、放电三部分组成，如图1所示。三相交流电通过整流桥对电抗器L进行充电，L充电完成后换向电路（图1中K）动作，使L与整流桥断开并对ZnO非线性电阻放电，完成测试。电抗器L是整个电源的核心，其合理设计对测试电源的性能有决定性作用。因此，电抗器设计是测试电源设计的核心。

图1    原理图

2    电抗器L优化设计

    原理图中的直流电源由380V三相电整流得到，即

    U_d=1.35U_2Lcosα（1）

    电抗器中存储的能量（即被测电阻阀片的能容量）为

    W=(1/2)LI²（2）

式中：I为被测电阻阀片的短时间可以承受的电流。

    电抗器的电阻为

    R_L=U_d/I（3）

    由式（1）～式（3）可得出设计电抗器所需参数L和R_L。

    如果以W=20kJ，I=200A，设计电抗器，则由式（1）～式（3）可得L=1H，R_L=2.55Ω。

    在设计电抗器的过程中要考虑很多方面的因素，为保证电源满足测试要求，取L>1H，R_L<2.4Ω。我们首先采用矩形截面的设计，经过多次试验后发现，很难满足要求，于是就改用了正方形截面的设计，最终设计出了满足要求的电抗器。电抗器线圈截面图如图2所示。

图2    电抗器线圈截面图

2.1    导线型号的选取

    采用BVR型导线，参数如下：

    横截面积S=35mm²；

    导线最大外径d_m=12.5mm；

    导线电阻率ρ=0.0217×10^－6Ω·m；

    线圈绕制系数K=1.05；

    取线圈的轴向层数和径向匝数相等，径向匝数取32匝，故

    线圈匝数N=32×32=1024；

    轴向高度a=12.5×32×1.05=420mm=0.42m；

    径向宽度b=12.5×32×1.05=420mm=0.42m；

    线圈内径d₁=0.76m；

    线圈平均直径d=d₁＋b=0.76＋0.42=1.18m；

    线圈总长l=πdN=π×1.18×1024=3796m（取3800m）；

    线圈电阻R₁=ρl/s=0.0217×10^－6×3800/35×10^－6=2.356Ω。

2.2    检测电感值是否满足要求

    电感的计算公式如下：

    L=N²dΦ（4）

式中：Φ为由线圈结构决定的系数，可从电感计算手册中查得Φ=16.26；

      N为线圈匝数；

      d为线圈的平均直径；

            μ₀为空气的导磁率，它的值是4π×10^－7。

则线圈电感为

    L=N²dΦ=×1024²×1.18×16.26×10^－7=1.006H，

    线圈电感满足要求。

3    换向电路原理

    换向电路如图3所示，要求当电抗器L充电完成后即直流侧电流达到I时，切断主电路，让电抗器对氧化锌电阻阀片放电。换向电路中采用LC振荡电路反向阻断晶闸管的办法。

图3    换向电路电路图

    当L充电完成之后，通过二次侧的逻辑控制使继电器ZJ动作，V₃关断，V₂导通，此时正向电流存在V1仍导通，L₁与C所组成的振荡电路开始振荡，电容C开始通过L₁放电，其电流方向与主电路电流相反，当流过V₁的电流值降为0时，V₁将被强制关断，换向过程结束。这就要求C要先于L完成充电。

    由于电抗器L时间常数τ_L=L/R_L，充电时间t≈4τ_L。则电容器C时间常数取τ_C=τ_L/4=R₁C。

    为保证振荡电路可靠阻断主电路，其峰值振荡电流取1.5I，即

    I_mL1C=U_d/ωL₁

    振荡电路频率ω=1/

    L₁=CU_d²/I_mL1C₂

    图3中R₅是一个对主电路进行过压保护的氧化锌非线性电阻，其电压等级高于待测电阻。待测非线性电阻故障时，R5可限制电抗器两端的高电压。

4    试验

    为验证上述测试电源系统的可行性，进行了试验，试验电路参数如下：

    1）被测氧化锌电阻阀片能量W=20kJ；

    2）测试电源直流侧电流I(>=)200A；

    3）电抗器的电气参数L(>=)1H，R_L(<=)2.55Ω；

    4）换向电路L₁=0.43mH，C=150μF，R₁=550Ω。

    试验表明，直流侧电流达到200A时，交流侧电流幅值为245A，据此整定交流侧的电流互感器，使电流继电器动作，控制电路驱动继电器ZJ动作，L₁C振荡电路开始强制换向。测试表明电容C先于L完成充电，并且其反向振荡电流可以强制关断晶闸管，断开主电路，强制换向能够顺利进行，使电抗器能量注入氧化锌非线性电阻阀片，可以完成测试。

    图4为换向电流图。图5为电抗器电流图。

图4    换向电流图

图5    电抗器电流图

5    结语

    经过试验，此电源达到了测试氧化锌非线性电阻器的要求，测试结果与计算比较吻合，通过调整参数，可调节系统的工作情况。该测试系统切实可行，结构合理简单。

作者简介

    张承慧，教授，国内电力电子及电源领域的中青年专家，在国内外著名学术期刊杂志上发表论文近百篇。

    杜春水，研究员，贝加莱现代运动控制实验室研究员。

    马同星，在读研究生，在山东大学控制学院贝加莱现代运动控制实验室从事多电机同步控制的研究工作。