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直流系統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，會出現臨時電纜施工困難等問題。目前，工程現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、續流二極管或阻尼二極管使用。快恢復二極管屬于PIN 結型二極管，因基區很薄，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，最大持續正向電壓（直流1 A）為1.3 V，封裝類型為R-6。

2.2 穩壓濾波電路設計

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，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定狀態，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，滿足現場使用要求，且穩定性好、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，不容易出現松動的現象。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 電壓調節模塊選擇

電壓調節模塊應滿足當輸入電壓在一定范圍內靈活調動時，保證電壓持續穩定的輸出要求。調壓變壓器和固態調壓器均滿足電壓調節模塊的基本要求，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 固態調壓器，最大負載電流為60 A，斷態漏電流≤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，大大提高了現場工程調試效率，既不需要臨時電纜，節省了材料和人工，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直流電接地故障。下一步將對設備穩固性和抗干擾能力進行優化。