電流與電壓范文

導語：如何才能寫好一篇電流與電壓，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞： 電壓源 電流源 等效變換 基爾霍夫定律

1.引言

電源在電路中的作用都是提供能量的，對于負載而言，電源是提供電壓或者電流的。電壓源和電流源是兩種常見的電源，電壓源為外電路提供穩定的電壓，電流源為外電路提供恒定的電流。理想的電壓源對外電路提供恒定不變的電壓，其內電阻作為零處理；理想的電流源對外電路提供恒定不變的電流，其內阻認為無窮大。實際電源都是包含內阻的，在電路分析中，二者可以等效變換，使電路分析更為簡單方便。等效變換的前提是二者的內阻要相等。但使用等效變換時，要正確合理地使用，否則得到的分析結果是錯誤的。電路中常說的等效變換只針對外電路，這里所說的外電路是指除去電源以外的電路，不包含電源本身。

2.案例

以圖1為例說明如何正確使用電源之間的等效變換。在該例中，如果要求出流經6Ω電阻的電流，應用基爾霍夫電壓定律可以求出，如果應用電流源和電壓源之間的等效變換也可以求得，不妨該題應用電流源與電壓源等效變換的方法來求。

方法一：將40V電壓源變換成電流源，再將電流源變換成電壓源，得到如圖2所示電路：

根據基爾霍夫電壓定律求得I==-1.5A。

方法二：將右邊的兩個電壓源都變換為電流源，得到如圖3所示電路，應用基爾霍夫電壓定求解，I=（2+4+3）/2=4.5A。

3.結語

從以上兩種解法來看，電壓源與電流源直接的等效變換都沒有問題，得到的答案為什么不同呢？究竟哪里出錯了，再來看看電流源與電壓源等效變換的定義，在利用電壓源與電流源等效變換進行電路分析的時候，等效只適用于外部等效，電源內部參數是不可以等效的。也就是說，在等效變換前后，電源內部參數發生了變化。在本例中，求的是流經6Ω電阻的電流，而在方法二中，將6Ω的電阻與4Ω電阻合并作為電源的內阻，是電源的內部參數，在等效變換前后，內部參數發生了變化，所以兩次求得的值不相等。此例告訴我們，在利用電源等效變換分析電路的過程中，待求參數不能是電源內部參數，否則所求結果是錯誤的。利用電壓源和電流源之間的等效變換雖然可以簡化運算，有助于電路分析，但是要正確使用，否則會使計算結果出現錯誤。

參考文獻：

[1]邱關源，羅先覺.電路[M].高等教育出版社，2015（1）.

篇2

關鍵詞：低壓直流供電；柔性直流輸電；超高壓直流輸電；

1、低壓直流供電

1、1低壓直流供電系統結構

為了能夠滿足電力系統的要求，即在孤島和接入電網的狀態下正常運行、連續供電性、電壓穩定行、可擴展性等，在符合現行規范標準的前提下，提出了低壓直流供電系統的結構，如圖1所示[1]。

直流供電系統結構中AC/DC裝置是由兩個電源型整流器通過并聯方式構成的，這兩個整流器都采用了脈寬調制的控制方法，并配備了絕緣柵雙極型晶體管，調節電壓并穩定在正常需求水平上，同時也能降低交流系統中諧波的流入，其目的是為了提高系統的可靠性，使系統能夠在孤島模式下進行工作。分布式發電設備通過電源型整流器來實現與直流系統的連接，這種方法比較簡單，穩定性比較好，能夠保證供電的連續性。

1、2低壓直流供電系統的質量可靠性

電力的穩定性和質量是用戶比較關注的重點，其中電能質量對敏感類負載的影響較大，可靠性對應急負載的影響較大，數據類和商業類的負載對于二者都有較高的要求。因此使用直流供電能夠有效的提高電能質量，并能進一步的提高供電的可靠性，減低損耗，減少成本，提高經濟效益。

電力電子器件會影響供電的可靠性，而元件的故障率受負載和溫度的影響比較大，因此低壓直流供電系統中的電力電子器件需要能夠承受一定的負載，并且對溫度的波動有較好的的適應性[2]。

1、3低壓直流供電系統的保護和控制

在低壓直流供電系統中使用了較多的熔斷器和斷路器，當出現過載情況和短路的時候，系統能夠自動的切斷電源，保護了系統的運行安全。同時在直流系統降低電壓的時候也可以應用交流斷路器，但要注意的是需要重新的研究保護整定方法。在低壓系統中比較容易出現就地故障，剩余電流保護裝置雖對交流系統有較好的的保護作用，但是因為工作原理而無法直接用在直流系統中，所以需要另行設計。

低壓直流供電系統的控制結構如圖2所示，該系統能夠有效的緩解各設備控制器之間的沖突，并減小瞬變狀態對供電連續性和質量的不良影響。該控制系統的基礎是電流控制，能夠針對設計的閾值以及用戶的指令來作出相應的反應，可通過對電流的控制來完成電壓的穩定控制。

2、柔性直流輸電

2、1柔性直流輸電換流器技術

柔性直流輸電換流器根據橋臂等效特性將換流器分為可控電源型和可控開關型，可控電源型換流器的各個橋臂中分散著儲能電容，因此可以通過對橋臂等效電壓的改變來實現交流側輸出電壓的變化[3]。比較典型的代表就是模塊化多電平換流器，可通過改變橋臂內串聯子模塊個數來完成等效電壓的改變，根據子模塊的類型可分為鉗位雙子模塊型、全橋型、半橋型等；級聯兩電平換流器也屬于可控電源換流器，它是由半橋電路級聯而成的。模塊化多電平換流器具有無需濾波裝置、模塊化設計、開關頻率應力低、諧波含量少、電壓畸變率低等優點。但是缺點也比較明顯，因為串聯的子模塊很多，所以增加了系統處理的數據量，加大了對控制系統的要求，并且無法在直流出現故障的時候對交流進行隔離，使得安全性不高。

可控開關型換流器可以通過相應的脈寬調制技術來控制橋臂的斷通，但是因為橋臂存在大量的串聯開關器件，所以需要注意因開關通斷引起的動態靜態均壓問題。兩電平換流器的運行控制和拓撲結構都比較簡單，但是交直流側含有大量的諧波，需要加裝濾波器，同時開關頻率也比較高，使得換流器的損耗比較大；三電平換流器的開關頻率比較低，諧波含量比較少，但是結構卻比較復雜，經濟性不好，可靠性不高。

2、2柔性直流輸電控制和保護

柔性直流換流站級控制系統可以滿足系統正常的啟停操作和穩態的功率調節，包括無功和有功兩類控制器，無功控制器實現了對于交流電壓、無功功率的控制，有功控制器實現了對直流電壓、有功功率的控制，運行的時候，二者互相配合又獨立控制，保證了系統的穩定性和安全性[4]。

柔性直流輸電控制保護系統不同于常規的直流輸電，其閥級的控制保護系統更加復雜，特別是在模塊化多電平柔性直流輸電系統中，對于閥體的保護主要由閥級控制器來完成，換流站級控制器的作用微乎其微。因此對于保護控制的時機要求比較高，必須要高速同步控制，滿足控制系統的實時性需求。

3、超高壓直流輸電系統

3、1超高壓直流輸電結構

超高壓直流輸電系統主要包括換流變壓器、換流器、平波電抗器、直流避雷器、交流濾波器及控制保護設備等。換流器又被稱為換流閥，它是換流站的關鍵設備，能夠實現整流和逆變，陽極到陰極施加正向電壓或者在門級上施加適當的電壓能夠觸發換流閥導通，當電流將為零且閥的電壓變成反向的時候，閥才不會出現導通情況，因為換流閥具備承受正反向電壓的能力，所以可以實現交流和直流的變換[5]。平波電抗器具有降低直流線路的諧波電壓和電流、避免逆變器換相失敗、防止輕負荷電流不連續等功能。諧波濾波器，換流器在直流和交流側均會產生諧波電流和諧波電壓，它們可能會導致電容器和電機過熱，同時干擾遠動通信系統，所以在直流側和交流側都裝有濾波裝置。

3、2超高壓直流輸電系統故障分析

換流器常出現的故障有很多，換流閥短路故障是較為嚴重的故障之一，整流器閥大部分情況下承受反向電壓，在經歷反向電壓增大或者閥的系統故障時候將會造成絕緣損壞，導致閥短路；逆變器閥大部分情況下承受正向壓，在電壓過高以及電壓上升幅度過大的時候會導致閥短路。

換相失敗也是比較常見的故障，因為換流器閥需要在承受反向電壓的前提下才能實現關斷，所以如果在這段時間當中閥沒有恢復阻斷能力，或者換相一直沒有完成的情況下，當閥為正電壓的時候，便會發生倒換相，使得應該開通A閥出現關斷情況，導致換相失敗[6]。

閥開通故障，因為直流控制系統的故障會導致觸發脈沖異常，造成換流器的工作出現異常，導致閥出現誤開通或者是沒有開通的情況。

結束語：文章對低壓直流供電、柔性直流輸電、超高壓直流輸電進行了一系列的分析，對它們的結構進行了簡單的介紹，簡單分析了保護措施和控制方法。相關人員在進行參考的時候需要結合實際情況，對其進行方法改進和優化，不斷的推動電力事業的發展和進步。

參考文獻：

[1]楊道培. 低壓直流供電系統穩定性研究[D].上海電力學院，2015.

[2]馬為民，吳方攏楊一鳴，張濤. 柔性直流輸電技術的現狀及應用前景分析[J]. 高電壓技術，2014，（08）：2429-2439.

[3]湯廣福，賀之淵，龐輝. 柔性直流輸電工程技術研究、應用及發展[J]. 電力系統自動化，2013，（15）：3-14.

[4]雍靜，徐欣，曾禮強，李露露. 低壓直流供電系統研究綜述[J]. 中國電機工程學報，2013，（07）：42-52+20.

篇3

關鍵詞： 剩余電流 形成 檢測 靈敏度 可靠性

1.引言

在剩余電流動作保護型電器中,如漏電、觸電保護器（RCD）和漏電觸電保護斷路器（RCBO、RCCB），無不使用著漏電、觸電信號檢測元件――零序電流互感器。它與脫扣執行機構組合使用，在決定產品工作性能起到至關重要的作用。然而，對于一臺品質合格的產品來說，其良好的保護工作特性不僅由信號檢測元件和執行機構兩個關鍵部件所決定，同時為它提供合適的使用工作條件也是不容忽視的因素。否則不能正常發揮已具有的靈敏、可靠的工作特性，乃至引起拒動作或誤動作。

2.電源中性點直接接地系統中剩余電流IΔ的形成

2.1 剩余電流I的含義

流過被保護回路中電流瞬時值的矢量和（有效值），此電流而稱為剩余電流。亦可以這樣理解為在保護系統內流動的電流為正常工作電流，而流出保護系統外的故障電流稱為剩余電流。剩余電流I包含下述三種對地漏電電流概念：①接地故障電流ΣZ，由于電路中絕緣故障通過阻抗而注入大地中的電流。②對地泄漏電流ΣC，無絕緣故障但從帶電件通過電介質和導線對地的分布電容所注入大地中的電流。③人體觸電電流r，電流通過人體和接觸帶電件時的接觸電阻注入大地的電流。

、

2.2單相供電保護電路中剩余電流I的形成（見圖一）：

圖（一）中，流入和流出TA中的電流分別為 1和 2，在正常狀態下，流過TA的漏電流的矢量和 1+ 2 = , = ΣZ+ ΣC+ r ,此時 n(保護器設定脫扣電流)或≈0。TA次級線圈無電信號輸出或極其微小，不能推動脫扣器動作跳閘。當被保護電路中對地產生漏電流時，流過TA中電流矢量和 1+ 2 = ≠0，且 ≥ n,因而在TA鐵心中產生一個較大的交變磁通Φ0=Φm?sinωt ，使TA次級線圈感應出設定的脫扣電壓E2，使其脫扣器動作跳閘。

2.3三相三線制供電保護電路中剩余電流的形成（見圖二）：

圖（二）為三相三線制供電保護電路。電路中流入和流出TA的電流分別為 1、 2、 3，在正常狀態下，流過TA中的電流矢量和 1+ 2+ 3= ， ≈0或 ＜ n， = ΣZ+ ΣC+ r ，TA次級輸出E2不能推動脫扣器動作。當保護電路中對地呈現漏電流 1+ 2+ 3= 。當 ≠0，且 ≥ n時, TA次級線圈輸出設定電壓E2，推動脫扣器動作跳閘。在此電路中，脫扣器動作與否與三相負載是否平衡無關。

2.4三相四線制供電保護電路中余電流IΔ的形（見圖三）：

在三相四線制保護電路中，正常狀態下 1+ 2+ 3+ N= ，此時 ≈0或 ＜ n， = ΣZ+ ΣC+ r ,TA輸出E2不能推動脫扣器動作。當 1+ 2+ 3+ N= ， ≠0，且 ≥ n時,TA次級線圈輸出電壓E2推動脫扣器動作。此電路脫扣與否同樣與三相負載電流是否平衡無關。

3．被保護電路中帶電件的對地絕緣水平及導線分布電容對保護電路

工作特性的影響（見圖四）

3.1被保護的三相電路中各相對地絕緣阻抗平衡；各相對地分布電容容抗平衡，各相漏電流經另外兩相的阻抗和容抗流回系統中性點。即 ΣZ=0， ΣC=0，而引起保護電路動作的剩余電流 只有人體觸電電流 r 。此時，保護電器動作與否僅由 r決定,不受電網漏電流的影響。

3.2一般情況下各相對地絕緣阻抗及容抗不平衡，此時三相不平衡漏電流 ′與人體觸電電流 r之間有相位差為（設 ′= Σ Z+ ΣC，則 = + r）

（1）當-120 1120 時，對應圖（四）中的斜線區， 1′＞r1。由于三相不平衡漏電流的存在相當于提高了保護電器靈敏度。

（2）當-120 2120 時，對應圖（四）中的空白區，2′r2，即三相不平衡漏電流 2′的存在相當于降低了保護電器的靈敏度。從數值上看，2′越小越靠近 r2；而且隨著2′的增大，對保護電器的檢測特性影響愈嚴重。當2′接近保護電器額定動作電流表IΔn，且 ′與 r2的相位差 2=180 。 時，只有r2超過2 IΔn時，保護電器才能動作。而當2′達到或超過IΔn時，保護電器一合閘并可動作跳閘而不能投入保護運行。

（3）在單相制供電保護電路中，其相線漏電流 ′和人體觸電電流 r處在同一個相位上， ′的存在也相當于提高了保護器的靈敏度。電路中尚末發生人體觸電事故時，或者觸電電流 r尚末達到 n時，保護器即可能發生脫扣動作。此時 ′≥ n 。

通過上述分析可知，電流動作型漏電、觸電保護器在電路中能否準確可靠地動作，不僅與電路中漏電、人體觸電電流大小有關，同時表明電路中漏電電流大小與電路中帶電件對地的絕緣水平、導線對地的分布電容和在額定電壓下帶電件與絕緣材料及其使用環境條件之間的絕緣配合有關。所以，為充分發揮電流脫扣型保護電器的自身優勢，應為其提供合適的外部條件，使之靈敏可靠地運行。但必須說明，保護器在相線之間，相零之間的漏電或觸電時不起保護作用。

4.電流脫扣型漏電、觸電保護器的種類與特征

在品種眾多的漏電、觸電保護電器中尤以組合拼裝式漏電保護斷路器市場占有量最大，應用范圍最廣。以它接受TA信號的處理與傳輸方式基本上分為：①電磁式②電子電磁混合式③電子式。電子式與混合式多數使用在保護電路中分斷容量較大或系統保護與分段保護電路的首端，而電磁式多數應用在分斷容量較小保護電路的終端。電磁式漏電保護斷路器以脫扣線圈的初始狀態又分為釋放式和吸合式兩種。釋放式線圈起動脫扣機構時所需電磁功率較小，因而TA輸出負擔較小（僅為動作線圈脫扣時的去磁），可靠性高，易于調整。吸合式脫扣線圈初始吸合銜鐵時所需用電磁功率較大，它們之間脫扣線圈工作電源有的取之于電網與電網電源有關，有的直接取之于零序電流互感器，與電網電源無關。但所有RCBO或RCD、RCCB漏電保護電器均需采用零序電流互感器作為漏電信號的產生與檢測。

5.剩余電流檢測用零序電流互感器（TA）

5.1工作原理

TA在檢測到剩余電流時，由初級繞組（穿過TA鐵心中心孔一定匝數的導線）的漏電電流信號轉換為次級繞組的電壓信號。所以它是A―V變換器，亦是阻抗變換器。與一般單相雙圈式變壓器工作原理相同，不同的是其激磁電源不是電壓源而是電流源。據此可以推導出如下公式：根據電路定律并用復數矢量表示：

=2[(R2+r2)+j(X2+)]…………(1)

式中： ――二次側線圈感應電壓。

2――二次線圈中的負載電流。

X2和 ――分別為二次側負載電抗和二次線圈漏抗

R2和r2――分別為二次側負載電阻和二次側線圈內電阻

根據磁路定律在鐵心中立出下式：

1W1+2W2=Φ0Z0…………(2)

式中：1――一次側流過的剩余電流

W1和W2分別一次側和二次側線圈匝數

Φ0――鐵心中主磁通

Z0――鐵心的激磁阻抗

由于Z0的存在， 1與 2之間存在著變動的相位差，即1與 2的關系隨著Φ0和 Z0的大小而變。若令0為鐵心中的磁化電流，用鐵心激磁安匝表示方式代替Φ0和 Z0則可得：

0W1=Φ0Z0 將該式代入（2）式可得：

1W1+2W2=0W1…………(3)

根據電磁感應定律可得二次線圈中的感應電壓E2：

=-j4.44+ W2Φ0…………(4)

根據上列四式給出矢量圖見圖（五）：

上式中 和激磁阻抗Z0之間的關系是：

= …………(9)

從而可得：

= …………(10)

設二次回路負載阻抗為,則由（5）式和（6）式可得下式：

5.2 TA的工作特性與靈敏度：

漏電保護斷路器中脫扣機構的脫扣動作來自短路、過載、漏電三種指令，而漏電脫扣指令是由TA發出的。僅對漏電脫扣而言，TA的工作特性直接影響到漏電脫扣時的靈敏度。

討論TA的工作特性主要是指它對電路中漏電電流的反應能力。因此首先分析TA中 1（ ）與之間的關系特性。用數學表達式是K= ，所以K值的大小直接表征著它對漏電流反應能力的強弱。從（11）式和圖（五）矢量圖可以列出下式：

式中： =arctg （r2―TA二次線圈電阻 ―二次線圈漏抗

―二次側繞組阻抗 ―W12μs/

從（12）式可以說明如下：K值要大，則即靈敏度要高,

與 值應大。而 = W12μs/ 的關系式又說明，只有穿過TA中導線匝數W1、鐵心截面積S和導磁率μ大，磁路長度 小時， 就會增大，但 應合理增大（與二次線圈負載有關），要達到最高靈敏度，應滿足下式：

最后說明，負載脫扣線圈要獲得TA二次繞組的最大功率，二者阻抗必須匹配。

6.結束語

1）低壓漏電保護電路中的漏電流是絕緣損壞漏電流、帶電件通過電介質和導線分布電容產生的電容電流及人體觸電電流的矢量和，當漏電脫扣動作時在排除未有人觸電情況下,應作具體分析判斷。

2）合理選擇低壓漏電保護器在不同保護區段及各區段中的首、末端保護器額定漏電脫扣電流值(IΔn)。

3）目前普遍采用零序電器互感器的鐵心材料為非晶態合金,為了提高靈敏度，二次側繞組匝數較多，但工藝要求緊繞時易使鐵心變形而使E2輸出幅度下降，影響其靈敏度。

4）鐵心材料工作點處于磁化曲線磁場非線性段，輸出的E2電壓呈非正弦波，具有增高頻率和提高輸出電壓的作用，但易受外界高頻信號干擾產生誤動作，一般在二側繞組上并聯一支適當容量的電流器C，可以提高可靠性。

參考文獻：

【1】陳俊源等《低壓觸電保護器》 [M] 上海科技出版社 1985年

【2】龔紹文 《磁路及帶鐵心電路》 [M] 高等教育出版社 1988年

【3】《電機工程手冊》 [M] 第5卷 輸配電設備 25.電流互感器 機械工業出版社 1984年

篇4

關鍵詞：氣體放電管；壓敏電阻；電流互感器；直流擊穿電壓

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）07-0220-02

1電流互感器二次側過電壓保護器的作用和原理

電流互感器二次測過電壓保護器主要應用在電力設備安全檢測系統中，可以保護其后端接人的電流，電壓測量裝置安全。電流互感器在電路中起到電流變換的作用，屬于感性器件，一旦二次側出現斷路，或一次側出現短路，過載等故障時，則會在其兩端產生非常高的電壓，瞬間損壞后端接入的設備，嚴重的甚至造成人員傷亡。因此，對于此種突變電壓的防范尤其重要。目前市場上采用的電流互感器二次測過電壓保護裝置主要采用壓敏電阻作為核心的電壓采樣器件，但由于壓敏電阻長時間使用后會出現較大的漏電流，影響其后端測量裝置的準確性。所以急需要有新的電壓采樣器件來彌補壓敏電阻的不足。氣體放電管就是一種新型的電壓采樣器件，它既有壓敏電阻的電壓敏感特性，又具有很高的絕緣性能，正常工作時漏電流非常小，大約是壓敏電阻的千分之一。

電流互感器通過電磁耦合，將一次回路中的不同電流，規范到二次輸出為最大1A或最大5A兩個范圍內，從而能夠使用成型的各種保護裝置、測量器件及控制單元。它廣泛應用在測量儀表，繼電器保護等裝置中，是獲取一次側電流信息的重要載體。電流互感器將高電流按比例轉換成低電流，其一次測線圈接在一次系統，二次測的線圈用來接入測量儀表、繼電保護等。主要可以分為兩種應用場景，第一種：作為測量設備，作用是用來計量和測量運行設備電流的；第二種：作為保護裝置，主要與繼電裝置配合，在線路發生短路過載，斷路等故障時，向繼電裝置提供信號切斷故障電路，以保護供電系統的安全。

2氣體放電管的選型

2.1氣體放電管的國內外主要廠家

氣體放電管的國內廠家主要有威特科，鎮江電子管廠，檳城，新鉑錸等廠家，國外的主要有TDK_EPC，Littelfuse等廠家。國外廠家的價格普遍較高，且交貨周期較長，對于一些普通的應用場合（非露天，室內等工業應用場合），使用國內生產的氣體放電管也可以滿足要求，在此項目中，使用的是東莞新鉑錸電子的一款氣體放電管。在選型的時候，需要根據使用的場合，選擇合適封裝，以及電氣參數。氣體放電管主要有插件和貼片兩種封裝形式，此項目中使用的是陶瓷插件封裝，如圖1所示：

2.2氣體放電管選型時的主要參數測量

氣體放電管型號；BLSG150A-L，主要參數如（表1）

1）直流放電電壓（150±25%）的測量：氣體放電管的直流放電電壓具有分散性的特點，其直流放電電壓是一個范圍，參照DATASHEET中的參數，直流放電電壓范圍在DC150V+25%。

首先在氣體放電管的一端串聯一個限流電阻（阻值和功率根據使用的場合設定），此處選擇30Ωa/1000 W的功率電阻。通過調壓器模擬電壓上升斜率，當電壓達到直流擊穿電壓范圍內，氣體放電管開始放電，由高M狀態轉換成低阻狀態。

2）沖擊耐受電流（5 KA）測量：需要專用的8/20us的雷擊電流發射裝置，一端接在雷擊電流的發射端，另外一端接在大地。電流設置為5 KA，總共測量5次，之后再次測量其直流放電電壓和絕緣電阻，觀察數據是否有明顯變化。

3）工頻耐受電流（5 A）：采用測量直流放電電壓時使用的電路，當氣體放電管兩端的電壓達到直流放電電壓后，氣體放電管開始通過設定的5 A電流，持續時間1 min（具體的測試時間以實際的應用場景作為參考，此項目中的電流互感器二次側過電壓保護器作為防雷，過電壓保護設備使用，電路中的過電壓情況一般持續的時間較短）。測試完成之后再次測量直流放電電壓和絕緣電阻，觀察數值是否有仍在規定的范圍內。

4）絕緣電阻：外施50或100 V直流電壓時測量的氣體放電管電阻，>1 000MΩ。

5）溫度范圍：其工作溫度范圍一般在一55℃～+125℃之間，但是實際的測量條件很難達到此標準，一般會按照實際使用條件的溫度范圍測量，此項目屬于一般的工業使用環境（一20℃～+60℃），市場上常用的高低溫箱都可以達到此條件。分別在高溫和低溫條件下測量直流放電電壓，工頻耐受電流。

6）極間電容測量：放電管的寄生電容很小，極間電容一般在1pF～5pF范圍，極間電容在很寬的頻率范圍內保持近似不變，同型號放電管的極間電容值分散性很小。采用高精度的電橋可測量出極間電容。

7）其他參數說明：如下圖2，當氣體放電管兩端的電壓達到VBK之后會出現急劇下降的過程，當其兩端的電壓降到VGL（開始發光電壓），氣體放電管內部的惰性氣體開始出現發光現象，當其兩端的電壓下降到VARC（弧光電壓）后保持在VARC。當氣體放電管兩端的電壓源消失，其內部的弧光開始消失，電壓繼續下降到VE熄弧電壓（extinction voltage）.

3氣體放電管在電流互感器二次側過電壓保護器中的應用

采用氣體放電管作為電壓采樣器件的電流互感器二次側過電壓保護器，正常運行時氣體放電管兩側的電壓小于20 V，此時的氣體放電管處于高阻狀態，阻抗大于1 G，通過它的泄漏電流小于1uA，對該回路的動作值和表計準確度的影響可以忽略不計。當二次回路開路或一次繞組出現異常電流過時，在二次繞組中產生的電壓遠遠高于正常運行電壓（數值取決于CT本身參數和運行情況），此時內部的電壓采樣器件一氣體放電管瞬間導通，迅速地將過電壓信號通過光耦傳遞到后方的信號采集系統，并由后方的采集系統發出相應的數字信號，控制繼電器的觸點閉合，從而使電流互感器二次側進入穩定的短路狀態，徹底避免了過電壓危害。

如圖3所示，氣體放電管GDT2接在整流橋后端，接收來自前方的過電壓信號，當其接收的過電壓信號超過氣體放電管的導通閥值，氣體放電管則處于導通狀態，其后端的電解電容c1，TVS管1）3，相繼接收到來自前方的過電壓信號。點解電容C1將過電壓信號的雜波濾除，TVS管D3將過電壓型號的能量對地釋放，對其后端的元器件起到保護的作用。當繼電器K1接收到來自控制系統的閉合信號，瞬間將U1a和U1b短路，也就是將電流互感器二次測短路。通過改變GDT2的閥值電壓，可以形成不同型號的產品，滿足不同場合的使用。

4氣體放電管作為電壓采樣器件的優點

與傳統的壓敏電阻相比較，氣體放電管作為電壓采樣器件具有以下優點：

1）泄漏電流小

在實際的使用中，泄漏電流的大小嚴重影響電流互感器二次側其他測量儀器精度，和自身的使用壽命。傳統的電流互感器二次側過電壓保護器采用壓敏電阻作為電壓采樣器件，具有一定的泄漏電流（壓敏電阻的伏安特性如圖4所示），當加在壓敏電阻兩端的電壓沒有達到Uc（俗稱標稱電壓或閥值電壓）時，會有一定的泄露電流I流過壓敏電阻，一般在1 mA左右。如果長期使用其泄露電流由于溫度和濕度的影響還會進一步增大，如果將其應用在實際的電路當中，很有可能會影響后端設備的使用和引發漏電空開跳閘。氣體放電管作榭關型器件，當加在其兩端的電壓沒有達到導通閥值，就沒有泄露電流流過，因為其內部充滿了惰性氣體（氬氣或氖氣），能有效的隔離高電壓端和低電壓端。如果加在氣體放電管兩端的電壓達到或超過其閥值電壓，那么其內部的惰性氣體將被擊穿，氣體放電管由高阻變為低阻狀態。

2）寄生電容小

放電管的寄生電容很小，極間電容一般在1 pF～5 pF范圍，極間電容在很寬的頻率范圍內保持近似不變，同型號放電管的極間電容值分散性很小。

3）響應時間較長

采用氣體放電管作為電流互感器二次側過電壓保護器電壓采樣器件，放電延時（既相應時間）較大，一般在幾百納秒，動作靈敏度不如壓敏電阻。但在電流互感器二次側過電壓保護器領域，對于電壓采樣器件的相應時間參數要求不高，因為在電流互感器二次側經常會出現一些干擾電波，以及啟動時產生的尖峰電壓，所以一般會在過電壓信號傳送過程中增加延時電路（如下圖5所示），其電阻R4和C2組成了一個RC充電延時電路，充電時間T一般在100 ms左右。也就是說當前端的過電壓信號持續發生時間達到100ms時，才能夠通過延時電路將信號傳遞到后方。氣體放電管的這種特性（放電延時較大，響應時間慢），對于電流互感器二次側過電壓保護器來說，并不影響其后端的反應速度。所以選擇氣體放電管代替壓敏電阻作為電壓采樣器件即可以發揮氣體放電管的優點又可以規避其缺點。

篇5

關鍵字： 直流穩壓電源; 過流保護; 自動檢測控制; 蓄電池

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）06?0153?03

Research and implementation of DC regulated power supply

CHEN Wan?li， ZHOU Ming?liang， JIA Yu?fei

（Huanghe S & T College， Zhengzhou 450063， China）

Abstract： In many modern communication equipments， stability and quality of power supply are required in the power system. The structure and working principle of the DC power supply are introduced in this paper. It is mainly composed of DC stabilivolt expanding current circuit， soft start and overcurrent protection circuit， uninterrupted power supply circuit， automatic detection control circuit and alarm circuit. The standby power supply can make a exchanger keep working in another eight hours in power off condition， and ensure calls not to be interfered by the voltage from the outside world. This design has the characteristics of simple structure， low cost， stable and reliable working performance.

Keyword： DC stabilized power supply; overcurrent protection; automatic examination control; battery

0 引 言

現代電子設備是一個極為復雜的電子系統，在一些重要的系統、設備或儀器中，要求供電系統不能中斷供電，例如通信、防盜、醫療、科研系統等的供電，假如一旦發生斷電，將會發生一系列的事故。 本文介紹了一種主要針對市電在停電或電壓不穩定時，使用的直流穩壓電源，其為程控交換機提供備用電源，以保障其能持續供電8個小時，從而保證通話質量不受影響。它有軟啟動和過流保護功能，對蓄電池具有自動檢測功能，能夠防止過充過放現象。延長了交換機的使用壽命。

1 系統設計方案設計[1]

系統原理框圖如圖1所示。

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圖1 系統原理框圖

2 系統各部分電路原理簡介

2.1 變壓器

變壓器是將市電轉變成所需要的交變電壓。電源的質量直接影響著備用電源的性能和使用壽命，因此變壓器的選擇也尤為重要，本次設計電路輸出負載電壓為5 V（后續電路元件電壓及蓄電池充電上限電壓總和），額定電流為1 A，所以其負載功率為5 W，考慮到變壓器工作在70%的容量時最佳，所以使用7 W的變壓器即可適合。

2.2 整流濾波電路

整流電路將交流電轉換成直流電。再經濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓。本電路采用單向橋式整流電路，電路圖見圖2。

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圖2 單向橋式整流電源

在單相橋式整流電路中，選擇ICZ20。其主要參數：額定平均電流20 A;最大整流電流時和正向電壓壓降為0.45～0.65 V，最高反向電壓下的反向電流平均值≤6 mA完全可以適應要求。

濾波電路可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓各濾波電容C滿足C≥2.5[TRL，]其中T為輸出交流信號周期，RL為整流濾波電路的等效負載電阻[2]。濾波電路見圖3。

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圖3 電解電容濾波電路圖

2.3 過流保護電路

如圖4所示，由于晶體管都是工作在線性狀態，靜態Q點處在飽和p線性和截至區域，在電流正常時（<1 A），電阻R1產生的電壓使晶體管BG1導通，而電阻R2，R3產生的壓降還不足以使晶體管BG2導通，所以電流經R2，R3后經并聯晶體管擴流。在電流慢慢的達到1 A 左右時，流經R2，R3的壓降使晶體管BG2降漸漸處于線性接近飽和的區域，使得流過晶體管BG1的電流減小，電阻R8的壓降降低，并聯晶體管BG3，BG4，BG5，BG6處于線性區域。在電流超限（>1 A）時，電阻R2，R3上的壓降使晶體管BG2導通，電阻R1被短路，這樣降低了晶體管BG1的基極電位，使得BG1截止，電阻R8上沒有壓降，并聯晶體管的基極因為沒有偏置電壓而截止，停止擴流，達到保護擴流管作用。

2.4 直流穩壓擴流電路

本文設計的穩壓電路是為了給整個系統提供穩定的直流電壓，平滑的直流電不能滿換機對直流電源的需要，穩壓電路的作用是讓輸出的直流電壓在市電電壓或負載電流發生變動時保持穩定。所采用的穩壓器輸出電流太小，不能滿足負載所需的電流，所以采用晶體管并聯擴大輸出電流。電路由三端可調輸出穩壓器LM317及并聯晶體管來實現。

本文中擴流電路采用的是四只晶體管BU508A（BU508A所允許通過的最大電流15 A）并聯使用，均流電阻Re=0.1 Ω，R4，R5，R6，R7形成電壓串聯負反饋電路。負載所需的電流≤10 A，所以接四只晶體管，每只晶體管通過的電流≤2.5 A，所用擴流管電流應不小于7.5 A，這樣安全系數為3，電路的安全系數越高，使電路供電質量越好[3]。過流保護和擴流電路見圖4。

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圖4 過流保護和擴流電路

2.5 軟啟動電路

電路在接入瞬間會產生很大的脈沖電流，這樣會對電路中的電子元件和蓄電池造成損害，使其性能和使用壽命大大降低，所以要設計本電路，使得電路中的電壓和電流緩慢的上升到額定值[4]。軟啟動電路如圖5所示。

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圖5 軟啟動電路

2.6 單向導通器

本設計是為了防止蓄電池電流倒灌對前幾個單元電路中的元器件造成損害而設計，實際上它是一個二極管橋式整流電路，但是，不是用它的整流功能，而是用它的單向導通功能，它可以通過大電流，如果單接一個二極管可能會因大電流而燒壞，失去單向導通性。

2.7 不間斷供電電路

本設計是在交換機市電供電突然中斷，或是市電電壓突然降低，交換機的電源由市電切換至備用電源，并在市電恢復正常時，將負載切換至市電。切換過程中，要求無時間差。其實現方法見圖6。

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圖6 不間斷供電電路

2.8 控制電路設計

本次設計采用LM339電壓比較器，通過采樣蓄電池的端電壓和基準電壓來比較，以輸出高低電平來控制繼電器動作。此部分電路主要由三部分組成，一是電源部分，二是過充檢測控制電路，三是過放檢測控制電路。電源部分是由晶體管BD235和270 Ω/4 W的電阻組成的共集電極電路（輸出電阻小，具有典雅跟隨的特點）和兩個串聯12 V穩壓二極管組成。

24 V電壓的確定是為了滿足24 V繼電器和電壓比較器LM339的工作電壓，所以由蓄電池組通過的電壓經270 Ω/4 W的大功率電阻降壓，1 kΩ R13為晶體管BD235提基極偏置電壓，使BG8導通，形成電壓跟隨器，兩個串聯的12 V穩壓二極管將電壓穩定在24 V，而接兩個12 V的穩壓管是為了給電壓比較器LM339一個參考電壓[5]。圖中所接的電容為濾波電容，控制電路設計如圖7所示。

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圖7 聲光報警電路

過充控制電路部分所接的繼電器為24 V常開型繼電器，電壓比較器則是比較蓄電池充電電壓是否達到所限定的上限值，若達到控制繼電器動作，閘刀閉合，給蓄電池充電，當充到所規定的穩定電壓時，控制繼電器斷開。過放控制電路部分主要是同過電壓比較器LM339來檢測蓄電池組因放電是否到了規定值而過放，若過放，控制繼電器動作，閘刀斷開，停止放電;若蓄電池組的電壓回到穩定電壓則控制繼電器閉合，處于放電狀態。這里所接的繼電器為24 V常閉型繼電器[6]。

2.9 聲光報警電路

作用是在蓄電池因放電而電壓下降，到達限定值時，根據檢測電路傳來的信號報警，時長1 min。聲光報警電路見圖8。

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圖8 控制電路設計圖

2.10 蓄電池選擇

目前通信電源所帶的蓄電池大多是先進的閥控式密封鉛酸蓄電池，它可以做到免維護或少維護，無環境污染，是當前較為理想的蓄電池。本設計采用的就是48 V 100 Ah的蓄電池組。由于本設計為負載提供的是48 V，≤10 A且時長為8 h的供電，選擇100 A?h的容量是為了保證蓄電池在正常工作后留由余量。

3 結 語

本次設計的不間斷直流電源，主要是由硬件電路組成的，重點是備用電源的大功率部分和對蓄電池充、放電上下限的控制，還有電路的過流保護和軟啟動單元電路。保證蓄電池在市電中斷后能提供8 h的供電，盡可能地減小由于蓄電池的使用不當所帶來的損失。通過調試后，本設計實現了設計的要求，可以實現設備的供電要求。

參考文獻

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篇6

[關鍵詞]單片機 直流穩壓源 智能化電源 閉環控制

[中圖分類號]TM[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2010)03-0034-02

直流穩壓電源作為電氣設備及其控制系統的主要電源系統,在實際生活中被廣泛的應用于電力電子教學、電氣設備開發研究等工程領域。傳統直流穩壓電源由于受技術條件的影響,普遍存在功能簡單、調節誤差大、干擾大、接線復雜、體積大等問題。傳統直流穩壓電源對輸出電壓通常采用粗調的方式來完成,調節精度不高,當需要輸出電壓在一個很小范圍內進行調節時,傳統的直流穩壓電源就難以辦到,嚴重影響了穩壓電源的使用范圍。基于單片機的智能高精度直流穩壓電源,結合了最先進的單片機控制技術采用高性能基準穩壓電力電子元件,穩壓調壓精度高而且抗干擾能力強,克服了傳統直流穩壓源的缺點。同時整個控制系統具有完善的保護電路,大大提高了設備的使用壽命。隨著電力電子技術的成熟,單片機價格越來越經濟,且集成度相當高,大大減少了直流電源系統開發成本,具有明顯的工程實際應用價值。

1 系統硬件設計

1.1 系統總體結構

單片機控制的直流穩壓電源以AT89S52單片機作為整機的核心控制單元,經過調節AD7543的輸入電壓數字量來控制系統的輸出電壓,本系統具有可預置電壓和步進調節電壓的特性,而且整個電壓調節步進值達到0.1V的小范圍。此系統具有自我檢測功能、短路保護等故障處理技術。整個系統的工作原理框圖如圖1所示。

從圖1可以看出,整個系統包含變壓整流單元、鍵盤預設電壓單元、濾波電路單元、電流檢測短路保護單元、電壓反饋單元等多個部分組成。為了使系統能夠具備自動采樣檢測實際輸出電壓值的大小,可以通過電壓取樣及電壓調節回路,實時對電壓進行采樣,并經過相應的比較放大電路直接控制單片機內部系統程序進行相應的電壓調節,保障輸出直流電壓的穩定,然后經過八段式數碼顯示管進行數據處理及顯示相應的系統輸出電壓值。單片機在得到電壓取樣數據后,通過數字信號處理中心,獲得相應的控制策略,可以通過兩個驅動電路,對不同的輸出電壓值采取不同的控制策略。當電流檢測回路發現系統中電流過大時,就直接將信息反饋給驅動電路和單片機系統,控制電路調整進行自動短路保護。利用單片機為核心處理控制器的穩壓電源系統整體設計方案比較靈活,合理利用軟件編程控制方法來解決電壓值的預置以及輸出電壓的步進控制,比傳統滑檔控制更加精確可靠。由于單片機是一種電子產品的集成系統,可以大大地減少直流電壓源系統內部的硬件回路,且采用較為先進的電子器件,系統的相應時間和誤差都在有效的控制范圍,大大擴大了穩壓電壓源的使用范圍,在穩壓源系統中得到了廣泛的推廣。

1.2 數控部分

單片機AT89S52作為整個穩壓系統的控制核心主要完成電壓輸出值的采樣判斷、鍵盤電壓預設控制、控制驅動電路進行電壓調節、輸出電壓值數字顯示、系統短路自動檢測保護及其他輔助功能。

為了實現系統的人機對話功能,本系統采用10個數字電壓預設按鍵和兩個步進(“+”,“-”)按鍵,為了避免有些其他未考慮功能按鍵的使用,最終選用具有16按鍵的輸入鍵盤實現整個系統的人機交互控制電路。輸出電壓值顯示部分采用8位8段式LED數碼管,數顯LED管現在已經很成熟,易于同其他設備進行數據交換,可以直接與單片機輸出相連。但是本系統單片機作為系統控制核心,數顯單元只是單片機控制的一個點,且單片機I/O端口總數目有限,必須采用擴展電路來控制數顯部分,因此為了優化系統,采用一片8155作為單片機系統的外部擴展接口電路,實現16個鍵盤的通信接口與LED數顯的通信接口。鍵盤及數顯接口單片機擴展電路如圖2所示。

1.3 電壓取樣及電壓調節

為了提高輸出電壓的精度,保證電源穩定運行,利用電壓取樣單元對電源輸出電壓進行檢測,得到一個電壓信號的反饋電壓。為了提高單片機控制系統的整體精度和靈敏度,將采樣數據經過比較放大電路,利用一級運算放大器將采樣電壓進行放大,再送給單片機系統進行相應的數據處理。

1.4 電源方案

采用78系列三端穩壓器件作為控制核心單片機及系統各功能芯片的動力源,通過輸入電源的全波整流,獲得可靠的穩壓供電電源。

1.5 過流報警功能

為了提高單片機控制系統的安全可靠性,提高單片機數控直流電壓源的人性化服務。利用電流檢測回路檢測系統中的電流值,當電流大于系統設定值時,通過單片機系統自動保護跳閘,實現保護貴重電氣設備的功能,并可以通過相應的蜂鳴器報警,提醒工作人員對相應的設備進行檢查看修。

2 軟件設計

在實際硬件電路搭配完成后,為了有效地減小紋波電壓,保證供電可靠性,本系統采用軟件編程方法實現去峰值數值濾波,以減小外界環境干擾對輸出電壓的影響,數據取樣分析判斷是整個濾波系統的中心部分,取樣的準確性與否直接影響系統的整體控制。為了保證取樣的可靠性,在整個系統的軟件設計中設置了電壓采樣主程序和鍵盤輸入中斷子程序,相應的流程圖見圖3和圖4所示:

程序運行后,單片機系統就自動開始檢測是否有鍵按下,若有鍵盤觸發脈沖,則進入電壓預設按鍵功能程序。LED數碼管顯示部分就開始自動動態定時掃描數據,達到系統CPU資源得到充分利用。單片機系統不斷通過取樣電路采集系統輸出電壓數據,經過比較放大和相關分析判斷,然后通過單片機系統發出增減命令對實際輸出電壓進行相應的校正,控制輸出電壓源保持電壓恒定。

3 數據分析

把系統相關的硬件和軟件設定完成后,對裝置進行相應的檢測,其檢測結果數據如表1所示:

從表1中可以看出,基于單片機的直流穩壓電源系統可以有效的保障輸出電壓的穩定,系統整體誤差在10-2量綱級內,誤差相當小,完全滿足穩壓電源的要求。

4 結語

以AT89S52單片機為核心設計的一種智能穩壓電壓源系統,有效保證電氣設備的安全穩定運行。系統輸出電壓采用數顯和鍵盤輸入控制,提高了電源的人性化服務。基于AT89S52單片機的一種穩壓電壓源系統系統集成度高、可靠性強、具有自我故障檢測保護功能,具有良好的實用價值。

[參考文獻]

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關鍵詞：同塔多回輸電線路； 感應電壓和電流； EMTP仿真

中圖分類號：U463.62 文獻標識碼：A 文章編號：

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1 研究背景

我國近年來土地資源日趨緊張，供電需求不斷增長，電網建設時輸電線路路徑的選擇日益困難，同塔多回路的輸電型式應運而生。同塔多回路雖然有效的緩解了土地矛盾，提高了單位走廊的輸送容量，但給線路運行檢修帶來了部分安全隱患。少數500kV混壓同塔多回線路感應電壓、感應電流計算值超出現有接地開關的額定開合能力，因此必須采取必要的措施來降低運行風險。例如要求制造廠家盡快研制能滿足要求的超B類接地開關，實測現場的感應電壓感應電流的大小等等。而且建議今后在進行同塔多回路線路規劃設計時，要盡早開展感應電壓、電流的計算，并全面考慮將來擴建及改造等影響因素，避免將來投運后造成運行風險。

本文將根據500kV加林至桂山線路工程同塔多回路的實際情況，舉例計算分析500KV同塔多回路的感應電壓、感應電流大小，并提出對計算結果的處理方法和建議。

2計算基本原理和方法

輸電線路感應電壓和感應電流實際上是三相交流系統電磁耦合和電容耦合的結果，準確計算需求解輸電線路或輸電網絡的三相潮流。具體來說，輸電網絡正常運行時將滿足線路狀態方程、不同線路段電氣連接關系和線路邊界條件，聯立這三類方程即可解得輸電網絡三相潮流。

2.1 線路狀態方程

對于線路運行狀態方程，指線路在某一確定頻率下，沿輸電線路單位長度內的壓降與導線電流之間滿足由自阻抗和互阻抗相關聯的矩陣方程，如式2.1-1所示；沿輸電線路單位長度內的電流變化值與導線電壓之間滿足由自電納和互電納相關聯的矩陣方程，如式2.1-2所示。

(2.1-1)

(2.1-2)

式2.1-1~式2.1-2中，U、I分別為n回輸電系統的電位和電流矢量，Z、B分別為n回輸電系統的阻抗矩陣和電納矩陣。

2.2 線路連接方程

對于不同線路段電氣連接關系，指不同參數線路段聯絡時應滿足對應節點電壓相等、電流平衡的關系。以某節點右側三個回路端口(a/b)、左側兩個回路端點(g/h)為例，則此節點連接方程如式2.2-1~式2.2-4所示，前四個方程為電壓平衡方程，第五個方程為電流平衡方程。同理，其它連接節點情況可以此類推。

(2.2-1)

(2.2-2)

(2.2-3)

(2.2-4)

2.3 線路邊界方程

對于線路邊界條件，就常規線路而言指端口接電壓源、電流源、停運接地或停運不接地。設第i段邊界端中，vi∈Ψv接電壓源運行、wi∈Ψw接電流源運行、si∈Ψs停運接地，ti∈Ψt停運不接地，則左側端口邊界方程如下式2.3-1~式2.3-4：

(2.3-1)

(2.3-2)

(2.3-3)

(2.3-4)

2.4 計算思路

本工程采用國際通用電磁暫態計算程序ATP-EMTP，按實際線路進行建模仿真。為獲得準確的計算結果，對所有回路各種運行和停運方式組合，且每種停運方式又包括接地和不接地。

3計算條件和輸入參數

3.1 系統條件

500kV加林變電站、500kV桂山站系統等值阻抗如下表3-1所示，110kV白石站、110kV三鄉站、110kV順景站為低壓弱系統，在此不考慮系統等值。

表3-1 系統等值阻抗

3.2 線路參數

500kV加林站至500kV桂山站、110kV三鄉站至白石站和順景站各線路接線情況如下圖所示,具體各線路參數在EMTP模型中。

圖 3.2-1 500kV加林至桂山線路及110KV線路連接示意圖

4 計算結果及結論

對500kV國安至加林線路、加林至桂山線路最大功率方式和最高電壓方式下所有停運工況的進行感應電壓和感應電流仿真計算，結果如下：

表4.1 加林輸變電工程各線路感應電壓電流值

根據上面計算得到500kV加桂甲乙線、500kV加國甲乙線及110kV三順線最嚴重感應電壓電流，同時結合目前電力行業標準DL/T 486-2000《交流高壓隔離開關和接地開關訂貨技術條件》，進行對比分析，可見500kV加桂甲乙線、500kV加國甲乙線及110kV三順線最大感應電壓電流均已超出B類隔離開關的額定值，需和廠家協商定制超B類接地開關，從而保證變電站隔離開關安全可靠運行。

參考文獻

電力工程高壓送電線路設計手冊（第二版）張殿生，中國電力出版設社。

篇8

摘要：本文對氧化鋅閥片運行中漏電流分量進行了分析，運用了在線測試和帶電測試兩種比較常用的方法，并分析了影響測試結果的幾種因素，提出了在線測試漏電流的整體考慮方案。

關鍵詞：漏電流 容性電流分量 阻性電流分量

引言

隨著SPD使用在雷電防護體系中數量不斷增多時，關于SPD的在線運行情況得到越來越多的關注。目前限壓型避雷器（氧化物避雷器）的主要進行在線測試是漏電流測試和壓敏電壓（1mA電壓）的測試。而其中又以漏電流測試最為普遍。漏電流是指MOV閥片在標稱持續工作電壓下流過閥片的電流。在測試中常用0.75倍的直流參考電壓進行。按國家標準應小于30μA。沖擊前后的變化率應小于200%。目前在線測試中，由于測試狀態下SPD一般并入交流電壓220V兩端。無法滿足0.75U1mA。標準檢測應先檢測兩端電壓是否為0.75U1mA，才能將檢測到的泄漏電流與國家標準向比較，否則測出數據不能作為泄流比照國家標準。目前我們所做的測試可以看作一種SPD裝置漏電流的變化趨勢測試，需要定期多次測試，得出電流的變化趨勢，如果曲線不斷增大或突變，則可以推斷SPD工作環境發生變化或SPD出現問題。以下首先介紹MOV閥片的工作原理。

圖1 MOV閥片U-I變化曲線圖

當壓敏電阻兩端加上電壓時，在某一電壓值（壓敏電壓值）以下幾乎沒有電流通過，一旦浪涌電壓超過壓敏電壓值時，電流會急劇地增大 ，迅速將沖擊電流泄入大地；當電壓低于擊穿電壓時，SPD則又會回到原來的絕緣狀態。（如圖1）

在氧化物避雷器中（圖2，為運行電壓，為流過避雷器的總電流，為阻性電流分量, 為容性電流分量。在正常情況下，很小，成為漏電流，其中占主要成分。。當MOV閥片老化或損壞時，將會發生變化，因此通過對其的測試，將直接反應出MOV閥片性能。以下對其的在線測試方面逐一分析。

圖2 限壓型避雷器等效圖

1 漏電流測試方法

1.1在線測試

在線測試系統, 通過不間斷地測試SPD 的漏電流或阻性電流, 當發現泄漏電流有增大趨勢時, 再做帶電檢測或停電做直流試驗。這種方法測試方法，可以及早的，準確的發現氧化物閥片的老化情況。

1.2帶電測試

帶電檢測是指在不停電情況下定期測量避雷器的泄漏電流或功率損耗, 然后根據測試數據對避雷器的運行狀況作出分析判斷。定期帶電檢測是針對漏電流常用的一種方法。

2漏電流測試原理。

常見的限壓型避雷器漏電流測量儀器按其工作原理分為兩種: 容性電流補償法和諧波分析法。

2.1容性電流補償法。

方法是以去掉與母線電壓成π/ 2，相位差的電流分量作為去掉容性電流, 從而獲得阻性電流的方法。在總泄露電流中，容性分量所占的比例較大，在很大程度上會影響基波法和諧波分析法的檢測準確性。參照圖1，DF是移相器，GCA是增益控制放大器，DFA是差分放大器，M是乘法器，I是積分器。PT檢測到的運行電壓ux，移相器向前移相π/ 2后得到u，x，它和容性電流ic的相位相同，自動調節GCA的增益使輸出與容性電流分量相等，DFA的輸出就是阻性電流分量，即iR=ix-Gu，x= ix-ic。GCA增益的調節是利用阻性電流分量與容性電流分量正交（點乘為0）的原理來實現的(如式1)。

圖3 容性電流補償法原理圖

（1）

2.2諧波分析法

諧波分析法采用數字化測量和諧波分析技術,是一種常見的MOA 泄漏電流測量儀器按其工作原理。當泄露電流的容性電流分量為式（2）,阻性電流分量為式（3）。

（2）

（3）

此項方法得到的各次阻性和容性諧波分量，顯得較為繁雜，因為SPD運行狀態的主要指標是阻性泄流，而容性分量基本是不變，也就是說我們真正關心的是總漏電流中的阻性部分，只要能除去容性分量就能夠對SPD的運行狀態進行判斷。

3 影響測試結果的幾種因素

3.1溫度對漏電流的影響

氧化鋅電阻片在小電流區域具有負的溫度系數且MOA 內部空間較小, 散熱條件較差, 加之有功損耗產生的熱量會使電阻片的溫度高于環境溫度。這些都會使MOA 的阻性電流發生變化片，實際運行中的MOA 電阻片溫度變化范圍是比較大的, 阻性電流的變化范圍也很大。

圖4 三種溫度實驗條件下靜態老化前后某樣品的漏電流及損耗變化情況。

3.2 潮濕腐蝕環境下對漏電流的影響

濕度比較大時, 一方面會使MOA 瓷套的泄漏電流增大, 同時也會使芯體電流明顯增大,同時潮濕腐蝕環境下，造成一定程度電解如圖？，造成mov的保壓性能隨時間不斷降低，從而漏電流不斷增大。以下參考某試驗室進行的保壓試驗變化圖。

圖5 不同電解液中某樣品保壓特性變化圖

3.2MOA 兩端電壓波動的影響

電力系統的運行情況是不斷變化的, 特別是系電壓的變化對MOA 的泄漏電流值影響很大。根據實測數值分析, MOA 兩端電壓由相電壓(63 kV)向上波動5%時, 其阻性電流增加13%左右。因此在對MOA 泄漏電流進行橫向或縱向比較時, 應詳細記錄MOA 兩端電壓值, 據此正確判定MOA 的質量狀況。

4結論

根據以上分析，諧波分析法可以得到阻性及容性電流的各次諧波分量。但分析實現具有一定困難；而補償法能夠有效的消除容性電流分量的影響，提高檢測準確度，不過它不能除去相間耦合電容對檢測準確度的影響。另外在在線測試中，需要考慮環境中多種因素對漏電流或測試結果的影響。因此建議綜合各種檢測方法，綜合分析在線檢測結果。同時對與單一避雷器，它所處在的工作狀況是比較穩定的，根據這一特點，可以考慮實時監控的方面，縱向分析并進行檢測，提高我們的精準度。

參考文獻

【1】孫鵬舉，金屬氧化物避雷器泄漏電流在線測試分析，1003- 8337( 2008) 04- 0030- 03

篇9

中圖分類號:TN433-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0198-04

Novel Current Testing Method Suitable for Switching Voltage Stabilizers

HE Wei

(School of Electronics Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

Abstract: A method to test the load current of switching voltage stabilizers is presented to implement the aim of testing the load current synchronously and exactly, and meanwhile to achieve the simplization of the circuit structure. Based on the correlation between the load current and the grid signal N_DRV of synchronous switch in discontinuous conduction mode (DCM), the output load current of switching voltage stabilizers is tested through detecting the grid signal. This technique mentioned above can not only detect the load current synchronously and exactly, but also overcome the circuit structure complexity brought about by the detection of the average inductance current. The Hspice simulation of the circuit indicates that the circuit only consumes 5μA quiescent current.

Keywords: switching voltage stabilizer; discontinuous conduction mode (DCM); current testing; grid signal

0 引 言

隨著電子產品向小型化、便攜化的趨勢發展,單片集成的高效、低電源電壓DC-DC變換器被廣泛應用。在許多電源管理IC中都用到了電流檢測電路。在電流模式PWM控制DC-DC變換器中,電流檢測模塊是組成電流環路的重要部分,用于檢測流過功率管和電感上的電流,并通過將電流檢測結果和電壓環路的輸出做比較,實現脈寬調制的效果。在電壓模式PWM控制DC-DC變換器、LDO、Charge Pump等電路中,它還可以用作開路、短路、過流等節能和保護性目的。

傳統的電流檢測方法[1-3]有3種:

(1)利用功率管的RDS進行檢測;

(2)使用檢測場效應晶體管檢測;

(3) 場效應晶體管與檢測電阻結合。

針對開關穩壓器,不同于傳統的電流檢測方式,本文提出了一種新穎的電流檢測方法。

1 傳統的電流檢測方法[4]

1.1 利用功率管的RDS進行檢測(RDS SENSING)

當功率管(MOSFET)打開時,它工作在可變電阻區,可等效為一個小電阻。MOSFET工作在可變電阻區時等效電阻[5]為:

RDS=1μCOX(W/L)(VGS-VTH)

式中:Е濤溝道載流子遷移率;COX為單位面積的柵電容;VTH為MOSFET的開啟電壓。

如圖1所示,已知MOSFET的等效電阻,可以通過檢測MOSFET漏源之間的電壓來檢測開關電流[4]。

這種技術理論上很完美,它沒有引入任何額外的功率損耗,不會影響芯片的效率,因而很實用。但是這種技術存在檢測精度太低的致命缺點:

(1) MOSFET的RDS本身就是非線性的。

(2) 無論是芯片內部還是外部的MOSFET,其RDS受μ,COX,VTH影響很大。

(3) MOSFET的RDS隨溫度呈指數規律變化(27～100 ℃變化量為35%)。

可看出,這種檢測技術受工藝、溫度的影響很大,其誤差在-50%～+100%。但是因為該電流檢測電路簡單,且沒有任何額外的功耗,故可以用在對電流檢測精度不高的情況下,如DC-DC穩壓器的過流保護。

圖1 利用功率管的RDS進行電流檢測

1.2 使用檢測場效應晶體管(SENSEFET)

這種電流檢測技術在實際的工程應用中較為普遍。它的設計思想是:如圖2在功率MOSFET兩端并聯┮桓霆電流檢測FET,檢測FET的有效寬度W明顯比功率MOSFET要小很多。功率MOSFET的有效寬度W應是檢測FET的100倍以上(假設兩者的有效長度相等,下同),以此來保證檢測FET所帶來的額外功率損耗盡可能的小。節點S和M的電流應該相等,以此來避免由于FET溝道長度效應所引起的電流鏡像不準確。

圖2 使用場效應晶體管進行電流檢測

在節點S和M電位相等的情況下,流過檢測FET的電流IS為功率MOSFET電流IM的1/N(N為功率FET和檢測FET的寬度之比),IS的值即可反映IM的大小。

1.3 檢測場效應晶體管和檢測電阻相結合

如圖3所示,這種檢測技術是上一種的改進形式,只不過它的檢測器件不是FET而是小電阻。在這種檢測電路中檢測小電阻的阻值相對來說比檢測FET的RDS要精確很多,其檢測精度也相對來說要高些,而且無需專門電路來保證功率FET和檢測FET漏端的電壓相等,降低了設計難度,但是其代價就是檢測小電阻所帶來的額外功率損耗比第一種檢測技術[6]的1/N2還要小(N為功率FET和檢測FET的寬度之比)。

此技術的缺點在于,由于M1,M3的VDS不相等(考慮VDS對IDS的影響),IM與IS之比并不嚴格等于N,但這個偏差相對來說是很小的,在工程中N應盡可能的大,RSENSE應盡可能的小。在高效的、低壓輸出、大負載應用環境中,就可以采用這種檢測技術。

圖3 場效應晶體管與電阻相結合進行電流檢測

2 新型的電流檢測方法

在圖4中,N_DRV為BUCK穩壓器的同步管柵極驅動信號,N_DRV_DC為N_DRV經過1個三階RC低通濾波器之后濾出的直流分量,并且該直流分量為比較器的一端輸入,比較器的另一端輸入為一基準電壓值[7]BIAS3,比較器的輸出LA28(數字信號,輸出到芯片的控制邏輯)為DC-DC負載電流狀態檢測信號。

圖4 新型電流檢測方法基本原理等效架構圖

該電流檢測電路的作用如下:

在一個穩壓器芯片中,既包括一個DC-DC(BUCK),又包括一個LDO,中載和重載時工作于PWM模式,輕載時(約為3 mA以下)工作于LDO下,而本文提出電流檢測電路的作用是:當其負載電流小于一定值時(此時開關穩壓器處于DCM模式下),LA28電平跳遍,實現PWM模式向LDO模式的模式切換。

這里需要注意的是,如果對輸出負載電流直接進行檢測或是通過將電感電流取平均值[8]的方式來檢測輸出負載電流,則將會帶來電路實現上的困難。而在此提出的這種檢測方法卻不存在這個問題。

該架構圖是DC-DC負載電流狀態檢測電路的等效圖。其作用是當DC-DC負載電流低于3 mA時,其輸出信號LA28由高變低,從而實現PWM模式向LDO的切換。它的基本原理是利用DCM模式下(當負載電流為3 mA時,DC-DC處于DCM模式下)負載電流與開關管柵極驅動信號N_DRV的關系,通過檢測N_DRV來監控輸出負載電流的變化,從而實現當負載電流低于3 mA時PWM模式向LDO的切換。

下面將用圖5來說明該電路檢測負載電流的原理。

圖5 檢測DCDC負載電流的基本原理

圖5是DCM模式下電感電流IL與同步管柵極驅動信號N_DRV的波形圖。

在該圖中,電感電流的上升斜率為(VIN-VOUT)L,而下降斜率為VOUTL,則有:ΔIΔt=VIN-VOUTL 且 ΔIΔT=VOUTL。

此時:

Δt=ΔTVOUTVIN-VOUT

又由于每個周期通過電感輸出到負載的電荷量是不變的,故有12ΔI(Δt+ΔT)=IOUTT。其中:T為開關周期;IOUT為輸出負載電流。

從上面幾式得:

12ΔT2VOUTL•VINVIN-VOUT=IOUTT(1)

故有:

ΔT=2IOUTTL(Vi-VOUT)VINVOUT

Δt=VOUTVIN-VOUT2IOUTTL(VIN-VOUT)VINVOUT

ΔI=VOUTL2IOUTTL(VIN-VOUT)VINVOUT

現在再來分析圖4,在頻域內,從N_DRV到N_DRV_DC的系統傳遞函數[9]為:

H(s)=11+sR1C1•11+sR2C2•11+sR3C3

故圖4中的R與C組成的網絡是1個三階的RC低通濾波器。下面計算N_DRV_DC,從t=0接入脈寬為ΔT,周期為T的周期性矩形脈沖信號N_DRV,其復頻域的象函數[9]為

Vi1-e-sΔTs(1-e-Ts)А

故N_DRV_DC的象函數為:

Vi1-e-sΔTs(1-e-Ts)•11+sR1C1•11+sR2C2•11+sR3C3

需要注意的是,在設計三階RC低通濾波器時,其帶寬應設置得遠小于DC-DC的振蕩器頻率(即N_DRV的頻率),以保證很好地濾出N_DRV中的高頻分量;但也不宜設置得太小,否則所使用的電阻和電容將會比較大。

當DC-DC負載電流減小,N_DRV_DC也會減小,若減小至N_DRV_DC=BIAS3時,比較器開始由高變低,芯片將從PWM模式進入LDO模式。設此時的負載電流為ILDO(ON),則:

BIAS3=ΔTTVi

即:

ΔT=BIAS3TVi(2)

聯立式(1)和式(2)得:

ILDO(ON)=12•TLBIAS32VoVi•1Vi-Vo

由上式可知,DC-DC向LDO的切換閾值ILDO(ON)與電感值L成反比。

最終的電流檢測實現電路如圖6所示。由于該電路原理比較簡單,分析從略。

圖6 最終的電流檢測實現電路

3 仿真結果數據

仿真結果數據如表1所示。TA=25 ℃,L=2.2 μH。

表1

輸入電壓Vi /V輸出電壓VOUT/V切換負載電流閾值ILDO(ON)/mA

4 結 語

提出了一種開關穩壓器電流檢測的新方法,通過檢測DCM模式下同步管柵極驅動信號,實現對輸出負載電流的檢測,從而得出芯片從PWM模式向LDO模式的切換。由此解決了通過檢測電感平均電流而使的電路實現的困難。經過HSpice仿真驗證,其僅消耗5 μA的靜態電流。該種檢測方法主要適用于需要對開關穩壓器的DCM模式下負載電流進行檢測的場合。

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篇10

關鍵詞:穩壓電源;單片機;D/A轉換;直流電源;電壓調節

中圖分類號:TM131文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)21-0036-02

隨著電力電子技術的迅速發展,直流電源應用非常廣泛,其好壞直接影響著電氣設備或控制系統的工作性能。直流穩壓電源是電子技術常用的設備之一,廣泛的應用于教學、科研等領域。傳統的多功能直流穩壓電源功能簡單、難控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復雜度高。而基于單片機控制的直流穩壓電源能較好地解決以上傳統穩壓電源的不足。其良好的性價比更能為人們所接受,因此,具有一定的設計價值。

一、系統設計

(一)方框圖設計

該電路采用單片機(AT89C51)作為主控電路,由三端集成穩壓器(LM317)作為穩壓輸出部分。另外,電路還增加參考電壓電路、D/A轉換電路、電壓放大電路、顯示電路等部分電路。其方框圖如圖1所示:

整個電路的運行需要模擬電壓源提供+5V,±15V的模擬電壓,以便使電路中的集成數字芯片能夠正常工作。電路運行時,首先由單片機設置初始電壓值,并送顯示電路顯示。然后將電壓值送D/A轉換電路進行數模轉換,再經放大電路進行電壓放大,最終反饋到三端集成穩壓器(LM317)輸出模擬電壓。

(二)硬件設計

本電路的硬件組成部分主要由單片機(AT89C51)、變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓器(LM317)、參考電壓電路、D/A轉換電路(DA0832)、放大電路、顯示電路等組成。

硬件電路如圖2所示,整個電路通過單片機(AT89C51)控制,P0口和DAC0832的數據口直接相連,DA的CS和WR1連接后接P26,WR2和XFER接地,讓DA工作在單緩沖方式下。DA的11腳接參考電壓,通過調節可調電阻使LM336的輸出電壓為5.12V,所以在DAC的8腳輸出電壓的分辨率為5.12V/256=0.02V,也就是說DA輸入數據端每增加1,電壓增加0.02V。

DA的電壓輸出端接放大器OP07的輸入端,放大器的放大倍數為(R8+R9)/R8=(1K+4K)/1K=5,輸出到電壓模塊LM317的電壓分辨率為0.02V×5=0.1V。所以,當MCU輸出數據增加1的時候,最終輸出電壓增加0.1V,當調節電壓的時候,可以以每次0.1V的梯度增加或者降低電壓。

本電路設計兩個按鍵,S1為電壓增鍵,S2為電壓減鍵,按一下S1,當前電壓增加0.1v,按一下S2,當前電壓減小0.1V。

顯示部分由三位共陽數碼管和74LS164串入并出模塊組成,電路如圖3所示,可以顯示三位數,一位顯示十位,一位顯示個位,另外還有一個小數位,比如可以顯示12.5v,采用動態掃描驅動方式。本主電路的原理就是通過MCU控制DA的輸出電壓大小,通過放大器放大,給電壓模塊作為最終輸出的參考電壓,真正的電壓,電流還是穩壓模塊LM317輸出。

(三)軟件設計

在本電路中由于CPU的工作任務是單一的,因此,源程序的工作過程為:系統上電復位后,默認輸出9V電壓,然后掃描S1,S2鍵,當S1或S2鍵有按下時,程序跳轉至相應的按鍵處理子程序,經按鍵子程序處理后,再嵌套調用顯示子程序,完成顯示與輸出操作后返回主程序,繼續掃描此兩鍵,程序運行原理如下:

程序設計需要考慮的主要問題有兩個方面:一方面要找出數字量Dn與輸出電壓的關系,這是程序設計的依據;另一方面要建立顯示值與輸出電壓值的對應關系,這是程序設計是否成功的標志。因為在本系統中,顯示的輸出電壓值不是之前從輸出電路中通過檢測得到的,因此顯示與輸出并不存在直接聯系。但為了使顯示值與實際輸出值相一致,在程序編寫時,必須人為地為兩者建立某種關系。采用的方法是:在程序存儲器中建立TAB1和TAB2兩張表格,TAB1放101個Dn值,數值從小到大順序排列,其值分別對應輸出電壓0～10v,TAB2存放數碼顯示器0～9字符所對應的數據。TAB1表格的數據指針存放在內存RAM中23H單元,內存20H,21H和22H三個單元分別存放數碼顯示器小數點一位,個位和十位的字符數據指針。在主程序中初始化后之后首先給23H賦予40的偏移量,這個偏移量指向TAB表中的Dn為145,此值對應的輸出電壓為9V,由于這個原因,必然要求顯示器顯示的字符為“05.0”,為此,須分別給20H,21H和22H賦予0,5和0的偏移量,這三個偏移量分別指向TAB2中0,5和輸出兩者之間就建立了初步的對應關系。為了使兩者保持這種對應的關系,在K1和K2按鍵處理子程序中,必須使23H,20H,21H和22H四個數據指針保持“同步”地變化,即為當K有鍵時,23H單元增加1指向下一Dn時,20H單元也相應增加1指向下一字符,并且20H單元(小數點一位指針)、21H單元(個位指針)和22H元(十位指針)應遵循十進制加法的原則,有進位時相應各位應作出相應地變化;當K2有鍵時,23H單元減1指向前一Dn時,20H單元也相應減1指向前一字符,并且20H,21H,22H三個單元的數據指針應遵循十進制減法原則,有借位時相應的各位須作出相應地變化。按照這一算法只要控制TAB1表格數據指針不超出表格的長度就能使顯示值與輸出值保持一一對應的關系,即顯示器能準確地顯示出電源輸出電壓值的大小,達到電路設計的目的。由于理論計算與實際情況還存在著一定的差異,為了使顯示值更加接近實際輸出值,本電路需要對輸出電壓進行校正。

二、調試與分析

調試儀器:數字萬用表、電烙鐵、斜口鉗、尖嘴鉗、吸錫器、鑷子。

硬件調試:首先檢查整個電路,電路連接完好,沒有明顯的錯連,漏連。接上電源,電源指示燈亮,數碼管顯示初始電壓值+5V,用萬用表的兩只表筆測試LM317的輸出電壓為4.96V。當按下S1鍵一次,數碼顯示電壓值變為4.9V,萬用表讀數變為4.85V。再按下S2鍵一次,數碼顯示電壓值變為5.0V,萬用表讀數再次變為4.96V。通過改變顯示電壓值,用萬用表測得幾組輸出電壓數據見表1:

系統平均誤差Δd=0.41V。

誤差原因分析:(1)工作電源不夠穩定,不能為數字集成塊提供精確工作電壓;(2)電路參數設定不夠精確;(3)提供給D/A轉換的參考電壓不夠精確,使得轉換過程存在誤差;(4)單片機的P0口傳輸給D/A轉換的數據不夠準確,使得輸出出現誤差;(5)系統缺少電壓電流采樣電路。

三、結語

在本文中,實現了以單片機為核心的直流穩壓電源的智能控制,達到了預期的目的和要求。

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