氧化鋅非線性電阻測試電源系統(tǒng)

氧化鋅非線性電阻測試電源系統(tǒng)

氧化鋅非線性電阻廣泛用于電力系統(tǒng)過壓保護和浪涌能量吸收。研究了一種對其進行測試的電源。測試電源用容量電抗器來提供非線性電阻測試所需要的浪涌能量。試驗結(jié)果表明，測試電源工作可靠，能完成對氧化鋅非線性電阻的有效測試。

關(guān)鍵詞：非線性電阻；測試電源；能容量

0??? 引言

??? 氧化鋅非線性電阻是一種壓敏電阻器，用于電力系統(tǒng)保護已有30多年的歷史了，它具有保護效果好，節(jié)能、價廉等一系列優(yōu)點，因此，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子過電壓保護，剩磁吸收，及避雷器中有著不可替代的保護作用[1][2]。由于電力系統(tǒng)中感性元件的存在，電力設(shè)備中故障電流出現(xiàn)時將導(dǎo)致嚴重的過電壓現(xiàn)象，因此，抑制過電壓對設(shè)備和操作人員的安全都是極為重要的[3]。隨著我國電力事業(yè)的迅猛發(fā)展，電網(wǎng)容量不斷擴大，發(fā)電機的單機容量也越來越大，為保證電網(wǎng)的安全運行，對發(fā)電機的快速滅磁，過壓保護越來越重要。

??? ZnO電阻的能容量大，通流性能好，可以起到快速滅磁的作用。而ZnO電阻結(jié)構(gòu)的均勻程度對其能容量有直接影響，均勻度差會降低其對能量的吸收能力。測試電源系統(tǒng)就是要模擬ZnO快速滅磁時所吸收的瞬間能量，并監(jiān)控ZnO電阻的工作情況，得出測試結(jié)果和參數(shù)。

1??? 電路基本原理

??? 測試電源由整流、換向、放電三部分組成，如圖1所示。三相交流電通過整流橋對電抗器L進行充電，L充電完成后換向電路（圖1中K）動作，使L與整流橋斷開并對ZnO非線性電阻放電，完成測試。電抗器L是整個電源的核心，其合理設(shè)計對測試電源的性能有決定性作用。因此，電抗器設(shè)計是測試電源設(shè)計的核心。

圖1??? 原理圖

2??? 電抗器L優(yōu)化設(shè)計

??? 原理圖中的直流電源由380V三相電整流得到，即

??? Ud=1.35U2Lcosα（1）

??? 電抗器中存儲的能量（即被測電阻閥片的能容量）為

??? W=(1/2)LI2（2）

式中：I為被測電阻閥片的短時間可以承受的電流。

??? 電抗器的電阻為

??? RL=Ud/I（3）

??? 由式（1）～式（3）可得出設(shè)計電抗器所需參數(shù)L和RL。

??? 如果以W=20kJ，I=200A，設(shè)計電抗器，則由式（1）～式（3）可得L=1H，RL=2.55Ω。

??? 在設(shè)計電抗器的過程中要考慮很多方面的因素，為保證電源滿足測試要求，取L>1H，RL<2.4Ω。我們首先采用矩形截面的設(shè)計，經(jīng)過多次試驗后發(fā)現(xiàn)，很難滿足要求，于是就改用了正方形截面的設(shè)計，最終設(shè)計出了滿足要求的電抗器。電抗器線圈截面圖如圖2所示。

圖2??? 電抗器線圈截面圖

2.1??? 導(dǎo)線型號的選取

??? 采用BVR型導(dǎo)線，參數(shù)如下：

??? 橫截面積S=35mm2；

??? 導(dǎo)線最大外徑dm=12.5mm；

??? 導(dǎo)線電阻率ρ=0.0217×10－6Ω·m；

??? 線圈繞制系數(shù)K=1.05；

??? 取線圈的軸向?qū)訑?shù)和徑向匝數(shù)相等，徑向匝數(shù)取32匝，故

??? 線圈匝數(shù)N=32×32=1024；

??? 軸向高度a=12.5×32×1.05=420mm=0.42m；

??? 徑向?qū)挾萣=12.5×32×1.05=420mm=0.42m；

??? 線圈內(nèi)徑d1=0.76m；

??? 線圈平均直徑d=d1＋b=0.76＋0.42=1.18m；

??? 線圈總長l=πdN=π×1.18×1024=3796m（取3800m）；

??? 線圈電阻R1=ρl/s=0.0217×10－6×3800/35×10－6=2.356Ω。

2.2??? 檢測電感值是否滿足要求

??? 電感的計算公式如下：

??? L=N2dΦ（4）

式中：Φ為由線圈結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)，可從電感計算手冊中查得Φ=16.26；

????? N為線圈匝數(shù)；

????? d為線圈的平均直徑；

??????????? μ0為空氣的導(dǎo)磁率，它的值是4π×10－7。

則線圈電感為

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

??? 線圈電感滿足要求。

3??? 換向電路原理

??? 換向電路如圖3所示，要求當電抗器L充電完成后即直流側(cè)電流達到I時，切斷主電路，讓電抗器對氧化鋅電阻閥片放電。換向電路中采用LC振蕩電路反向阻斷晶閘管的辦法。

圖3??? 換向電路電路圖

??? 當L充電完成之后，通過二次側(cè)的邏輯控制使繼電器ZJ動作，V3關(guān)斷，V2導(dǎo)通，此時正向電流存在V1仍導(dǎo)通，L1與C所組成的振蕩電路開始振蕩，電容C開始通過L1放電，其電流方向與主電路電流相反，當流過V1的電流值降為0時，V1將被強制關(guān)斷，換向過程結(jié)束。這就要求C要先于L完成充電。

??? 由于電抗器L時間常數(shù)τL=L/RL，充電時間t≈4τL。則電容器C時間常數(shù)取τC=τL/4=R1C。

??? 為保證振蕩電路可靠阻斷主電路，其峰值振蕩電流取1.5I，即

??? ImL1C=Ud/ωL1

??? 振蕩電路頻率ω=1/

??? L1=CUd2/ImL1C2

??? 圖3中R5是一個對主電路進行過壓保護的氧化鋅非線性電阻，其電壓等級高于待測電阻。待測非線性電阻故障時，R5可限制電抗器兩端的高電壓。

4??? 試驗

??? 為驗證上述測試電源系統(tǒng)的可行性，進行了試驗，試驗電路參數(shù)如下：

??? 1）被測氧化鋅電阻閥片能量W=20kJ；

??? 2）測試電源直流側(cè)電流I(>=)200A；

??? 3）電抗器的電氣參數(shù)L(>=)1H，RL(<=)2.55Ω；

??? 4）換向電路L1=0.43mH，C=150μF，R1=550Ω。

??? 試驗表明，直流側(cè)電流達到200A時，交流側(cè)電流幅值為245A，據(jù)此整定交流側(cè)的電流互感器，使電流繼電器動作，控制電路驅(qū)動繼電器ZJ動作，L1C振蕩電路開始強制換向。測試表明電容C先于L完成充電，并且其反向振蕩電流可以強制關(guān)斷晶閘管，斷開主電路，強制換向能夠順利進行，使電抗器能量注入氧化鋅非線性電阻閥片，可以完成測試。

??? 圖4為換向電流圖。圖5為電抗器電流圖。

圖4??? 換向電流圖

圖5??? 電抗器電流圖

5??? 結(jié)語

??? 經(jīng)過試驗，此電源達到了測試氧化鋅非線性電阻器的要求，測試結(jié)果與計算比較吻合，通過調(diào)整參數(shù)，可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作情況。該測試系統(tǒng)切實可行，結(jié)構(gòu)合理簡單。