氧化锌非线性电阻测试电源系统

    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

    Ud=1.35U2Lcosα（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

    RL=Ud/I（3）

    由式（1）～式（3）可得出设计电抗器所需参数L和RL。

    如果以W=20kJ，I=200A，设计电抗器，则由式（1）～式（3）可得L=1H，RL=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，RL<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dm=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τL=L/RL，充电时间t≈4τL。则电容器C时间常数取τC=τL/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

    ImL1C=Ud/ωL1

    振荡电路频率ω=1/

    L1=CUd2/ImL1C2

    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，RL(<=)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。