电流与电压范文

导语：如何才能写好一篇电流与电压，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词： 电压源 电流源 等效变换 基尔霍夫定律

1.引言

电源在电路中的作用都是提供能量的，对于负载而言，电源是提供电压或者电流的。电压源和电流源是两种常见的电源，电压源为外电路提供稳定的电压，电流源为外电路提供恒定的电流。理想的电压源对外电路提供恒定不变的电压，其内电阻作为零处理；理想的电流源对外电路提供恒定不变的电流，其内阻认为无穷大。实际电源都是包含内阻的，在电路分析中，二者可以等效变换，使电路分析更为简单方便。等效变换的前提是二者的内阻要相等。但使用等效变换时，要正确合理地使用，否则得到的分析结果是错误的。电路中常说的等效变换只针对外电路，这里所说的外电路是指除去电源以外的电路，不包含电源本身。

2.案例

以图1为例说明如何正确使用电源之间的等效变换。在该例中，如果要求出流经6Ω电阻的电流，应用基尔霍夫电压定律可以求出，如果应用电流源和电压源之间的等效变换也可以求得，不妨该题应用电流源与电压源等效变换的方法来求。

方法一：将40V电压源变换成电流源，再将电流源变换成电压源，得到如图2所示电路：

根据基尔霍夫电压定律求得I==-1.5A。

方法二：将右边的两个电压源都变换为电流源，得到如图3所示电路，应用基尔霍夫电压定求解，I=（2+4+3）/2=4.5A。

3.结语

从以上两种解法来看，电压源与电流源直接的等效变换都没有问题，得到的答案为什么不同呢？究竟哪里出错了，再来看看电流源与电压源等效变换的定义，在利用电压源与电流源等效变换进行电路分析的时候，等效只适用于外部等效，电源内部参数是不可以等效的。也就是说，在等效变换前后，电源内部参数发生了变化。在本例中，求的是流经6Ω电阻的电流，而在方法二中，将6Ω的电阻与4Ω电阻合并作为电源的内阻，是电源的内部参数，在等效变换前后，内部参数发生了变化，所以两次求得的值不相等。此例告诉我们，在利用电源等效变换分析电路的过程中，待求参数不能是电源内部参数，否则所求结果是错误的。利用电压源和电流源之间的等效变换虽然可以简化运算，有助于电路分析，但是要正确使用，否则会使计算结果出现错误。

参考文献：

[1]邱关源，罗先觉.电路[M].高等教育出版社，2015（1）.

篇2

关键词：低压直流供电；柔性直流输电；超高压直流输电；

1、低压直流供电

1、1低压直流供电系统结构

为了能够满足电力系统的要求，即在孤岛和接入电网的状态下正常运行、连续供电性、电压稳定行、可扩展性等，在符合现行规范标准的前提下，提出了低压直流供电系统的结构，如图1所示[1]。

直流供电系统结构中AC/DC装置是由两个电源型整流器通过并联方式构成的，这两个整流器都采用了脉宽调制的控制方法，并配备了绝缘栅双极型晶体管，调节电压并稳定在正常需求水平上，同时也能降低交流系统中谐波的流入，其目的是为了提高系统的可靠性，使系统能够在孤岛模式下进行工作。分布式发电设备通过电源型整流器来实现与直流系统的连接，这种方法比较简单，稳定性比较好，能够保证供电的连续性。

1、2低压直流供电系统的质量可靠性

电力的稳定性和质量是用户比较关注的重点，其中电能质量对敏感类负载的影响较大，可靠性对应急负载的影响较大，数据类和商业类的负载对于二者都有较高的要求。因此使用直流供电能够有效的提高电能质量，并能进一步的提高供电的可靠性，减低损耗，减少成本，提高经济效益。

电力电子器件会影响供电的可靠性，而元件的故障率受负载和温度的影响比较大，因此低压直流供电系统中的电力电子器件需要能够承受一定的负载，并且对温度的波动有较好的的适应性[2]。

1、3低压直流供电系统的保护和控制

在低压直流供电系统中使用了较多的熔断器和断路器，当出现过载情况和短路的时候，系统能够自动的切断电源，保护了系统的运行安全。同时在直流系统降低电压的时候也可以应用交流断路器，但要注意的是需要重新的研究保护整定方法。在低压系统中比较容易出现就地故障，剩余电流保护装置虽对交流系统有较好的的保护作用，但是因为工作原理而无法直接用在直流系统中，所以需要另行设计。

低压直流供电系统的控制结构如图2所示，该系统能够有效的缓解各设备控制器之间的冲突，并减小瞬变状态对供电连续性和质量的不良影响。该控制系统的基础是电流控制，能够针对设计的阈值以及用户的指令来作出相应的反应，可通过对电流的控制来完成电压的稳定控制。

2、柔性直流输电

2、1柔性直流输电换流器技术

柔性直流输电换流器根据桥臂等效特性将换流器分为可控电源型和可控开关型，可控电源型换流器的各个桥臂中分散着储能电容，因此可以通过对桥臂等效电压的改变来实现交流侧输出电压的变化[3]。比较典型的代表就是模块化多电平换流器，可通过改变桥臂内串联子模块个数来完成等效电压的改变，根据子模块的类型可分为钳位双子模块型、全桥型、半桥型等；级联两电平换流器也属于可控电源换流器，它是由半桥电路级联而成的。模块化多电平换流器具有无需滤波装置、模块化设计、开关频率应力低、谐波含量少、电压畸变率低等优点。但是缺点也比较明显，因为串联的子模块很多，所以增加了系统处理的数据量，加大了对控制系统的要求，并且无法在直流出现故障的时候对交流进行隔离，使得安全性不高。

可控开关型换流器可以通过相应的脉宽调制技术来控制桥臂的断通，但是因为桥臂存在大量的串联开关器件，所以需要注意因开关通断引起的动态静态均压问题。两电平换流器的运行控制和拓扑结构都比较简单，但是交直流侧含有大量的谐波，需要加装滤波器，同时开关频率也比较高，使得换流器的损耗比较大；三电平换流器的开关频率比较低，谐波含量比较少，但是结构却比较复杂，经济性不好，可靠性不高。

2、2柔性直流输电控制和保护

柔性直流换流站级控制系统可以满足系统正常的启停操作和稳态的功率调节，包括无功和有功两类控制器，无功控制器实现了对于交流电压、无功功率的控制，有功控制器实现了对直流电压、有功功率的控制，运行的时候，二者互相配合又独立控制，保证了系统的稳定性和安全性[4]。

柔性直流输电控制保护系统不同于常规的直流输电，其阀级的控制保护系统更加复杂，特别是在模块化多电平柔性直流输电系统中，对于阀体的保护主要由阀级控制器来完成，换流站级控制器的作用微乎其微。因此对于保护控制的时机要求比较高，必须要高速同步控制，满足控制系统的实时性需求。

3、超高压直流输电系统

3、1超高压直流输电结构

超高压直流输电系统主要包括换流变压器、换流器、平波电抗器、直流避雷器、交流滤波器及控制保护设备等。换流器又被称为换流阀，它是换流站的关键设备，能够实现整流和逆变，阳极到阴极施加正向电压或者在门级上施加适当的电压能够触发换流阀导通，当电流将为零且阀的电压变成反向的时候，阀才不会出现导通情况，因为换流阀具备承受正反向电压的能力，所以可以实现交流和直流的变换[5]。平波电抗器具有降低直流线路的谐波电压和电流、避免逆变器换相失败、防止轻负荷电流不连续等功能。谐波滤波器，换流器在直流和交流侧均会产生谐波电流和谐波电压，它们可能会导致电容器和电机过热，同时干扰远动通信系统，所以在直流侧和交流侧都装有滤波装置。

3、2超高压直流输电系统故障分析

换流器常出现的故障有很多，换流阀短路故障是较为严重的故障之一，整流器阀大部分情况下承受反向电压，在经历反向电压增大或者阀的系统故障时候将会造成绝缘损坏，导致阀短路；逆变器阀大部分情况下承受正向压，在电压过高以及电压上升幅度过大的时候会导致阀短路。

换相失败也是比较常见的故障，因为换流器阀需要在承受反向电压的前提下才能实现关断，所以如果在这段时间当中阀没有恢复阻断能力，或者换相一直没有完成的情况下，当阀为正电压的时候，便会发生倒换相，使得应该开通A阀出现关断情况，导致换相失败[6]。

阀开通故障，因为直流控制系统的故障会导致触发脉冲异常，造成换流器的工作出现异常，导致阀出现误开通或者是没有开通的情况。

结束语：文章对低压直流供电、柔性直流输电、超高压直流输电进行了一系列的分析，对它们的结构进行了简单的介绍，简单分析了保护措施和控制方法。相关人员在进行参考的时候需要结合实际情况，对其进行方法改进和优化，不断的推动电力事业的发展和进步。

参考文献：

[1]杨道培. 低压直流供电系统稳定性研究[D].上海电力学院，2015.

[2]马为民，吴方拢杨一鸣，张涛. 柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J]. 高电压技术，2014，（08）：2429-2439.

[3]汤广福，贺之渊，庞辉. 柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J]. 电力系统自动化，2013，（15）：3-14.

[4]雍静，徐欣，曾礼强，李露露. 低压直流供电系统研究综述[J]. 中国电机工程学报，2013，（07）：42-52+20.

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关键词： 剩余电流 形成 检测 灵敏度 可靠性

1.引言

在剩余电流动作保护型电器中,如漏电、触电保护器（RCD）和漏电触电保护断路器（RCBO、RCCB），无不使用着漏电、触电信号检测元件――零序电流互感器。它与脱扣执行机构组合使用，在决定产品工作性能起到至关重要的作用。然而，对于一台品质合格的产品来说，其良好的保护工作特性不仅由信号检测元件和执行机构两个关键部件所决定，同时为它提供合适的使用工作条件也是不容忽视的因素。否则不能正常发挥已具有的灵敏、可靠的工作特性，乃至引起拒动作或误动作。

2.电源中性点直接接地系统中剩余电流IΔ的形成

2.1 剩余电流I的含义

流过被保护回路中电流瞬时值的矢量和（有效值），此电流而称为剩余电流。亦可以这样理解为在保护系统内流动的电流为正常工作电流，而流出保护系统外的故障电流称为剩余电流。剩余电流I包含下述三种对地漏电电流概念：①接地故障电流ΣZ，由于电路中绝缘故障通过阻抗而注入大地中的电流。②对地泄漏电流ΣC，无绝缘故障但从带电件通过电介质和导线对地的分布电容所注入大地中的电流。③人体触电电流r，电流通过人体和接触带电件时的接触电阻注入大地的电流。

、

2.2单相供电保护电路中剩余电流I的形成（见图一）：

图（一）中，流入和流出TA中的电流分别为 1和 2，在正常状态下，流过TA的漏电流的矢量和 1+ 2 = , = ΣZ+ ΣC+ r ,此时 n(保护器设定脱扣电流)或≈0。TA次级线圈无电信号输出或极其微小，不能推动脱扣器动作跳闸。当被保护电路中对地产生漏电流时，流过TA中电流矢量和 1+ 2 = ≠0，且 ≥ n,因而在TA铁心中产生一个较大的交变磁通Φ0=Φm・sinωt ，使TA次级线圈感应出设定的脱扣电压E2，使其脱扣器动作跳闸。

2.3三相三线制供电保护电路中剩余电流的形成（见图二）：

图（二）为三相三线制供电保护电路。电路中流入和流出TA的电流分别为 1、 2、 3，在正常状态下，流过TA中的电流矢量和 1+ 2+ 3= ， ≈0或 ＜ n， = ΣZ+ ΣC+ r ，TA次级输出E2不能推动脱扣器动作。当保护电路中对地呈现漏电流 1+ 2+ 3= 。当 ≠0，且 ≥ n时, TA次级线圈输出设定电压E2，推动脱扣器动作跳闸。在此电路中，脱扣器动作与否与三相负载是否平衡无关。

2.4三相四线制供电保护电路中余电流IΔ的形（见图三）：

在三相四线制保护电路中，正常状态下 1+ 2+ 3+ N= ，此时 ≈0或 ＜ n， = ΣZ+ ΣC+ r ,TA输出E2不能推动脱扣器动作。当 1+ 2+ 3+ N= ， ≠0，且 ≥ n时,TA次级线圈输出电压E2推动脱扣器动作。此电路脱扣与否同样与三相负载电流是否平衡无关。

3．被保护电路中带电件的对地绝缘水平及导线分布电容对保护电路

工作特性的影响（见图四）

3.1被保护的三相电路中各相对地绝缘阻抗平衡；各相对地分布电容容抗平衡，各相漏电流经另外两相的阻抗和容抗流回系统中性点。即 ΣZ=0， ΣC=0，而引起保护电路动作的剩余电流 只有人体触电电流 r 。此时，保护电器动作与否仅由 r决定,不受电网漏电流的影响。

3.2一般情况下各相对地绝缘阻抗及容抗不平衡，此时三相不平衡漏电流 ′与人体触电电流 r之间有相位差为（设 ′= Σ Z+ ΣC，则 = + r）

（1）当-120 1120 时，对应图（四）中的斜线区， 1′＞r1。由于三相不平衡漏电流的存在相当于提高了保护电器灵敏度。

（2）当-120 2120 时，对应图（四）中的空白区，2′r2，即三相不平衡漏电流 2′的存在相当于降低了保护电器的灵敏度。从数值上看，2′越小越靠近 r2；而且随着2′的增大，对保护电器的检测特性影响愈严重。当2′接近保护电器额定动作电流表IΔn，且 ′与 r2的相位差 2=180 。 时，只有r2超过2 IΔn时，保护电器才能动作。而当2′达到或超过IΔn时，保护电器一合闸并可动作跳闸而不能投入保护运行。

（3）在单相制供电保护电路中，其相线漏电流 ′和人体触电电流 r处在同一个相位上， ′的存在也相当于提高了保护器的灵敏度。电路中尚末发生人体触电事故时，或者触电电流 r尚末达到 n时，保护器即可能发生脱扣动作。此时 ′≥ n 。

通过上述分析可知，电流动作型漏电、触电保护器在电路中能否准确可靠地动作，不仅与电路中漏电、人体触电电流大小有关，同时表明电路中漏电电流大小与电路中带电件对地的绝缘水平、导线对地的分布电容和在额定电压下带电件与绝缘材料及其使用环境条件之间的绝缘配合有关。所以，为充分发挥电流脱扣型保护电器的自身优势，应为其提供合适的外部条件，使之灵敏可靠地运行。但必须说明，保护器在相线之间，相零之间的漏电或触电时不起保护作用。

4.电流脱扣型漏电、触电保护器的种类与特征

在品种众多的漏电、触电保护电器中尤以组合拼装式漏电保护断路器市场占有量最大，应用范围最广。以它接受TA信号的处理与传输方式基本上分为：①电磁式②电子电磁混合式③电子式。电子式与混合式多数使用在保护电路中分断容量较大或系统保护与分段保护电路的首端，而电磁式多数应用在分断容量较小保护电路的终端。电磁式漏电保护断路器以脱扣线圈的初始状态又分为释放式和吸合式两种。释放式线圈起动脱扣机构时所需电磁功率较小，因而TA输出负担较小（仅为动作线圈脱扣时的去磁），可靠性高，易于调整。吸合式脱扣线圈初始吸合衔铁时所需用电磁功率较大，它们之间脱扣线圈工作电源有的取之于电网与电网电源有关，有的直接取之于零序电流互感器，与电网电源无关。但所有RCBO或RCD、RCCB漏电保护电器均需采用零序电流互感器作为漏电信号的产生与检测。

5.剩余电流检测用零序电流互感器（TA）

5.1工作原理

TA在检测到剩余电流时，由初级绕组（穿过TA铁心中心孔一定匝数的导线）的漏电电流信号转换为次级绕组的电压信号。所以它是A―V变换器，亦是阻抗变换器。与一般单相双圈式变压器工作原理相同，不同的是其激磁电源不是电压源而是电流源。据此可以推导出如下公式：根据电路定律并用复数矢量表示：

=2[(R2+r2)+j(X2+)]…………(1)

式中： ――二次侧线圈感应电压。

2――二次线圈中的负载电流。

X2和 ――分别为二次侧负载电抗和二次线圈漏抗

R2和r2――分别为二次侧负载电阻和二次侧线圈内电阻

根据磁路定律在铁心中立出下式：

1W1+2W2=Φ0Z0…………(2)

式中：1――一次侧流过的剩余电流

W1和W2分别一次侧和二次侧线圈匝数

Φ0――铁心中主磁通

Z0――铁心的激磁阻抗

由于Z0的存在， 1与 2之间存在着变动的相位差，即1与 2的关系随着Φ0和 Z0的大小而变。若令0为铁心中的磁化电流，用铁心激磁安匝表示方式代替Φ0和 Z0则可得：

0W1=Φ0Z0 将该式代入（2）式可得：

1W1+2W2=0W1…………(3)

根据电磁感应定律可得二次线圈中的感应电压E2：

=-j4.44+ W2Φ0…………(4)

根据上列四式给出矢量图见图（五）：

上式中 和激磁阻抗Z0之间的关系是：

= …………(9)

从而可得：

= …………(10)

设二次回路负载阻抗为,则由（5）式和（6）式可得下式：

5.2 TA的工作特性与灵敏度：

漏电保护断路器中脱扣机构的脱扣动作来自短路、过载、漏电三种指令，而漏电脱扣指令是由TA发出的。仅对漏电脱扣而言，TA的工作特性直接影响到漏电脱扣时的灵敏度。

讨论TA的工作特性主要是指它对电路中漏电电流的反应能力。因此首先分析TA中 1（ ）与之间的关系特性。用数学表达式是K= ，所以K值的大小直接表征着它对漏电流反应能力的强弱。从（11）式和图（五）矢量图可以列出下式：

式中： =arctg （r2―TA二次线圈电阻 ―二次线圈漏抗

―二次侧绕组阻抗 ―W12μs/

从（12）式可以说明如下：K值要大，则即灵敏度要高,

与 值应大。而 = W12μs/ 的关系式又说明，只有穿过TA中导线匝数W1、铁心截面积S和导磁率μ大，磁路长度 小时， 就会增大，但 应合理增大（与二次线圈负载有关），要达到最高灵敏度，应满足下式：

最后说明，负载脱扣线圈要获得TA二次绕组的最大功率，二者阻抗必须匹配。

6.结束语

1）低压漏电保护电路中的漏电流是绝缘损坏漏电流、带电件通过电介质和导线分布电容产生的电容电流及人体触电电流的矢量和，当漏电脱扣动作时在排除未有人触电情况下,应作具体分析判断。

2）合理选择低压漏电保护器在不同保护区段及各区段中的首、末端保护器额定漏电脱扣电流值(IΔn)。

3）目前普遍采用零序电器互感器的铁心材料为非晶态合金,为了提高灵敏度，二次侧绕组匝数较多，但工艺要求紧绕时易使铁心变形而使E2输出幅度下降，影响其灵敏度。

4）铁心材料工作点处于磁化曲线磁场非线性段，输出的E2电压呈非正弦波，具有增高频率和提高输出电压的作用，但易受外界高频信号干扰产生误动作，一般在二侧绕组上并联一支适当容量的电流器C，可以提高可靠性。

参考文献：

【1】陈俊源等《低压触电保护器》 [M] 上海科技出版社 1985年

【2】龚绍文 《磁路及带铁心电路》 [M] 高等教育出版社 1988年

【3】《电机工程手册》 [M] 第5卷 输配电设备 25.电流互感器 机械工业出版社 1984年

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关键词：气体放电管；压敏电阻；电流互感器；直流击穿电压

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）07-0220-02

1电流互感器二次侧过电压保护器的作用和原理

电流互感器二次测过电压保护器主要应用在电力设备安全检测系统中，可以保护其后端接人的电流，电压测量装置安全。电流互感器在电路中起到电流变换的作用，属于感性器件，一旦二次侧出现断路，或一次侧出现短路，过载等故障时，则会在其两端产生非常高的电压，瞬间损坏后端接入的设备，严重的甚至造成人员伤亡。因此，对于此种突变电压的防范尤其重要。目前市场上采用的电流互感器二次测过电压保护装置主要采用压敏电阻作为核心的电压采样器件，但由于压敏电阻长时间使用后会出现较大的漏电流，影响其后端测量装置的准确性。所以急需要有新的电压采样器件来弥补压敏电阻的不足。气体放电管就是一种新型的电压采样器件，它既有压敏电阻的电压敏感特性，又具有很高的绝缘性能，正常工作时漏电流非常小，大约是压敏电阻的千分之一。

电流互感器通过电磁耦合，将一次回路中的不同电流，规范到二次输出为最大1A或最大5A两个范围内，从而能够使用成型的各种保护装置、测量器件及控制单元。它广泛应用在测量仪表，继电器保护等装置中，是获取一次侧电流信息的重要载体。电流互感器将高电流按比例转换成低电流，其一次测线圈接在一次系统，二次测的线圈用来接入测量仪表、继电保护等。主要可以分为两种应用场景，第一种：作为测量设备，作用是用来计量和测量运行设备电流的；第二种：作为保护装置，主要与继电装置配合，在线路发生短路过载，断路等故障时，向继电装置提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。

2气体放电管的选型

2.1气体放电管的国内外主要厂家

气体放电管的国内厂家主要有威特科，镇江电子管厂，槟城，新铂铼等厂家，国外的主要有TDK_EPC，Littelfuse等厂家。国外厂家的价格普遍较高，且交货周期较长，对于一些普通的应用场合（非露天，室内等工业应用场合），使用国内生产的气体放电管也可以满足要求，在此项目中，使用的是东莞新铂铼电子的一款气体放电管。在选型的时候，需要根据使用的场合，选择合适封装，以及电气参数。气体放电管主要有插件和贴片两种封装形式，此项目中使用的是陶瓷插件封装，如图1所示：

2.2气体放电管选型时的主要参数测量

气体放电管型号；BLSG150A-L，主要参数如（表1）

1）直流放电电压（150±25%）的测量：气体放电管的直流放电电压具有分散性的特点，其直流放电电压是一个范围，参照DATASHEET中的参数，直流放电电压范围在DC150V+25%。

首先在气体放电管的一端串联一个限流电阻（阻值和功率根据使用的场合设定），此处选择30Ωa/1000 W的功率电阻。通过调压器模拟电压上升斜率，当电压达到直流击穿电压范围内，气体放电管开始放电，由高M状态转换成低阻状态。

2）冲击耐受电流（5 KA）测量：需要专用的8/20us的雷击电流发射装置，一端接在雷击电流的发射端，另外一端接在大地。电流设置为5 KA，总共测量5次，之后再次测量其直流放电电压和绝缘电阻，观察数据是否有明显变化。

3）工频耐受电流（5 A）：采用测量直流放电电压时使用的电路，当气体放电管两端的电压达到直流放电电压后，气体放电管开始通过设定的5 A电流，持续时间1 min（具体的测试时间以实际的应用场景作为参考，此项目中的电流互感器二次侧过电压保护器作为防雷，过电压保护设备使用，电路中的过电压情况一般持续的时间较短）。测试完成之后再次测量直流放电电压和绝缘电阻，观察数值是否有仍在规定的范围内。

4）绝缘电阻：外施50或100 V直流电压时测量的气体放电管电阻，>1 000MΩ。

5）温度范围：其工作温度范围一般在一55℃～+125℃之间，但是实际的测量条件很难达到此标准，一般会按照实际使用条件的温度范围测量，此项目属于一般的工业使用环境（一20℃～+60℃），市场上常用的高低温箱都可以达到此条件。分别在高温和低温条件下测量直流放电电压，工频耐受电流。

6）极间电容测量：放电管的寄生电容很小，极间电容一般在1pF～5pF范围，极间电容在很宽的频率范围内保持近似不变，同型号放电管的极间电容值分散性很小。采用高精度的电桥可测量出极间电容。

7）其他参数说明：如下图2，当气体放电管两端的电压达到VBK之后会出现急剧下降的过程，当其两端的电压降到VGL（开始发光电压），气体放电管内部的惰性气体开始出现发光现象，当其两端的电压下降到VARC（弧光电压）后保持在VARC。当气体放电管两端的电压源消失，其内部的弧光开始消失，电压继续下降到VE熄弧电压（extinction voltage）.

3气体放电管在电流互感器二次侧过电压保护器中的应用

采用气体放电管作为电压采样器件的电流互感器二次侧过电压保护器，正常运行时气体放电管两侧的电压小于20 V，此时的气体放电管处于高阻状态，阻抗大于1 G，通过它的泄漏电流小于1uA，对该回路的动作值和表计准确度的影响可以忽略不计。当二次回路开路或一次绕组出现异常电流过时，在二次绕组中产生的电压远远高于正常运行电压（数值取决于CT本身参数和运行情况），此时内部的电压采样器件一气体放电管瞬间导通，迅速地将过电压信号通过光耦传递到后方的信号采集系统，并由后方的采集系统发出相应的数字信号，控制继电器的触点闭合，从而使电流互感器二次侧进入稳定的短路状态，彻底避免了过电压危害。

如图3所示，气体放电管GDT2接在整流桥后端，接收来自前方的过电压信号，当其接收的过电压信号超过气体放电管的导通阀值，气体放电管则处于导通状态，其后端的电解电容c1，TVS管1）3，相继接收到来自前方的过电压信号。点解电容C1将过电压信号的杂波滤除，TVS管D3将过电压型号的能量对地释放，对其后端的元器件起到保护的作用。当继电器K1接收到来自控制系统的闭合信号，瞬间将U1a和U1b短路，也就是将电流互感器二次测短路。通过改变GDT2的阀值电压，可以形成不同型号的产品，满足不同场合的使用。

4气体放电管作为电压采样器件的优点

与传统的压敏电阻相比较，气体放电管作为电压采样器件具有以下优点：

1）泄漏电流小

在实际的使用中，泄漏电流的大小严重影响电流互感器二次侧其他测量仪器精度，和自身的使用寿命。传统的电流互感器二次侧过电压保护器采用压敏电阻作为电压采样器件，具有一定的泄漏电流（压敏电阻的伏安特性如图4所示），当加在压敏电阻两端的电压没有达到Uc（俗称标称电压或阀值电压）时，会有一定的泄露电流I流过压敏电阻，一般在1 mA左右。如果长期使用其泄露电流由于温度和湿度的影响还会进一步增大，如果将其应用在实际的电路当中，很有可能会影响后端设备的使用和引发漏电空开跳闸。气体放电管作榭关型器件，当加在其两端的电压没有达到导通阀值，就没有泄露电流流过，因为其内部充满了惰性气体（氩气或氖气），能有效的隔离高电压端和低电压端。如果加在气体放电管两端的电压达到或超过其阀值电压，那么其内部的惰性气体将被击穿，气体放电管由高阻变为低阻状态。

2）寄生电容小

放电管的寄生电容很小，极间电容一般在1 pF～5 pF范围，极间电容在很宽的频率范围内保持近似不变，同型号放电管的极间电容值分散性很小。

3）响应时间较长

采用气体放电管作为电流互感器二次侧过电压保护器电压采样器件，放电延时（既相应时间）较大，一般在几百纳秒，动作灵敏度不如压敏电阻。但在电流互感器二次侧过电压保护器领域，对于电压采样器件的相应时间参数要求不高，因为在电流互感器二次侧经常会出现一些干扰电波，以及启动时产生的尖峰电压，所以一般会在过电压信号传送过程中增加延时电路（如下图5所示），其电阻R4和C2组成了一个RC充电延时电路，充电时间T一般在100 ms左右。也就是说当前端的过电压信号持续发生时间达到100ms时，才能够通过延时电路将信号传递到后方。气体放电管的这种特性（放电延时较大，响应时间慢），对于电流互感器二次侧过电压保护器来说，并不影响其后端的反应速度。所以选择气体放电管代替压敏电阻作为电压采样器件即可以发挥气体放电管的优点又可以规避其缺点。

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关键字： 直流稳压电源; 过流保护; 自动检测控制; 蓄电池

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 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

现代电子设备是一个极为复杂的电子系统，在一些重要的系统、设备或仪器中，要求供电系统不能中断供电，例如通信、防盗、医疗、科研系统等的供电，假如一旦发生断电，将会发生一系列的事故。 本文介绍了一种主要针对市电在停电或电压不稳定时，使用的直流稳压电源，其为程控交换机提供备用电源，以保障其能持续供电8个小时，从而保证通话质量不受影响。它有软启动和过流保护功能，对蓄电池具有自动检测功能，能够防止过充过放现象。延长了交换机的使用寿命。

1 系统设计方案设计[1]

系统原理框图如图1所示。

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图1 系统原理框图

2 系统各部分电路原理简介

2.1 变压器

变压器是将市电转变成所需要的交变电压。电源的质量直接影响着备用电源的性能和使用寿命，因此变压器的选择也尤为重要，本次设计电路输出负载电压为5 V（后续电路元件电压及蓄电池充电上限电压总和），额定电流为1 A，所以其负载功率为5 W，考虑到变压器工作在70%的容量时最佳，所以使用7 W的变压器即可适合。

2.2 整流滤波电路

整流电路将交流电转换成直流电。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。本电路采用单向桥式整流电路，电路图见图2。

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图2 单向桥式整流电源

在单相桥式整流电路中，选择ICZ20。其主要参数：额定平均电流20 A;最大整流电流时和正向电压压降为0.45～0.65 V，最高反向电压下的反向电流平均值≤6 mA完全可以适应要求。

滤波电路可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容C满足C≥2.5[TRL，]其中T为输出交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻[2]。滤波电路见图3。

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图3 电解电容滤波电路图

2.3 过流保护电路

如图4所示，由于晶体管都是工作在线性状态，静态Q点处在饱和p线性和截至区域，在电流正常时（<1 A），电阻R1产生的电压使晶体管BG1导通，而电阻R2，R3产生的压降还不足以使晶体管BG2导通，所以电流经R2，R3后经并联晶体管扩流。在电流慢慢的达到1 A 左右时，流经R2，R3的压降使晶体管BG2降渐渐处于线性接近饱和的区域，使得流过晶体管BG1的电流减小，电阻R8的压降降低，并联晶体管BG3，BG4，BG5，BG6处于线性区域。在电流超限（>1 A）时，电阻R2，R3上的压降使晶体管BG2导通，电阻R1被短路，这样降低了晶体管BG1的基极电位，使得BG1截止，电阻R8上没有压降，并联晶体管的基极因为没有偏置电压而截止，停止扩流，达到保护扩流管作用。

2.4 直流稳压扩流电路

本文设计的稳压电路是为了给整个系统提供稳定的直流电压，平滑的直流电不能满换机对直流电源的需要，稳压电路的作用是让输出的直流电压在市电电压或负载电流发生变动时保持稳定。所采用的稳压器输出电流太小，不能满足负载所需的电流，所以采用晶体管并联扩大输出电流。电路由三端可调输出稳压器LM317及并联晶体管来实现。

本文中扩流电路采用的是四只晶体管BU508A（BU508A所允许通过的最大电流15 A）并联使用，均流电阻Re=0.1 Ω，R4，R5，R6，R7形成电压串联负反馈电路。负载所需的电流≤10 A，所以接四只晶体管，每只晶体管通过的电流≤2.5 A，所用扩流管电流应不小于7.5 A，这样安全系数为3，电路的安全系数越高，使电路供电质量越好[3]。过流保护和扩流电路见图4。

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图4 过流保护和扩流电路

2.5 软启动电路

电路在接入瞬间会产生很大的脉冲电流，这样会对电路中的电子元件和蓄电池造成损害，使其性能和使用寿命大大降低，所以要设计本电路，使得电路中的电压和电流缓慢的上升到额定值[4]。软启动电路如图5所示。

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图5 软启动电路

2.6 单向导通器

本设计是为了防止蓄电池电流倒灌对前几个单元电路中的元器件造成损害而设计，实际上它是一个二极管桥式整流电路，但是，不是用它的整流功能，而是用它的单向导通功能，它可以通过大电流，如果单接一个二极管可能会因大电流而烧坏，失去单向导通性。

2.7 不间断供电电路

本设计是在交换机市电供电突然中断，或是市电电压突然降低，交换机的电源由市电切换至备用电源，并在市电恢复正常时，将负载切换至市电。切换过程中，要求无时间差。其实现方法见图6。

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图6 不间断供电电路

2.8 控制电路设计

本次设计采用LM339电压比较器，通过采样蓄电池的端电压和基准电压来比较，以输出高低电平来控制继电器动作。此部分电路主要由三部分组成，一是电源部分，二是过充检测控制电路，三是过放检测控制电路。电源部分是由晶体管BD235和270 Ω/4 W的电阻组成的共集电极电路（输出电阻小，具有典雅跟随的特点）和两个串联12 V稳压二极管组成。

24 V电压的确定是为了满足24 V继电器和电压比较器LM339的工作电压，所以由蓄电池组通过的电压经270 Ω/4 W的大功率电阻降压，1 kΩ R13为晶体管BD235提基极偏置电压，使BG8导通，形成电压跟随器，两个串联的12 V稳压二极管将电压稳定在24 V，而接两个12 V的稳压管是为了给电压比较器LM339一个参考电压[5]。图中所接的电容为滤波电容，控制电路设计如图7所示。

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图7 声光报警电路

过充控制电路部分所接的继电器为24 V常开型继电器，电压比较器则是比较蓄电池充电电压是否达到所限定的上限值，若达到控制继电器动作，闸刀闭合，给蓄电池充电，当充到所规定的稳定电压时，控制继电器断开。过放控制电路部分主要是同过电压比较器LM339来检测蓄电池组因放电是否到了规定值而过放，若过放，控制继电器动作，闸刀断开，停止放电;若蓄电池组的电压回到稳定电压则控制继电器闭合，处于放电状态。这里所接的继电器为24 V常闭型继电器[6]。

2.9 声光报警电路

作用是在蓄电池因放电而电压下降，到达限定值时，根据检测电路传来的信号报警，时长1 min。声光报警电路见图8。

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图8 控制电路设计图

2.10 蓄电池选择

目前通信电源所带的蓄电池大多是先进的阀控式密封铅酸蓄电池，它可以做到免维护或少维护，无环境污染，是当前较为理想的蓄电池。本设计采用的就是48 V 100 Ah的蓄电池组。由于本设计为负载提供的是48 V，≤10 A且时长为8 h的供电，选择100 A・h的容量是为了保证蓄电池在正常工作后留由余量。

3 结 语

本次设计的不间断直流电源，主要是由硬件电路组成的，重点是备用电源的大功率部分和对蓄电池充、放电上下限的控制，还有电路的过流保护和软启动单元电路。保证蓄电池在市电中断后能提供8 h的供电，尽可能地减小由于蓄电池的使用不当所带来的损失。通过调试后，本设计实现了设计的要求，可以实现设备的供电要求。

参考文献

[1] 艾永乐，付子义.模拟电子技术基础[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2] 朱雄世.新型电信电源系统与设备[M].北京：人民邮电出版社，2000.

[3] 张惠，冯英.电源大全[M].成都：西南交通大学出版社，1993.

[4] 杨承毅.电子技能实训基础[M].北京：人民邮电出版社，2005.

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[关键词]单片机 直流稳压源 智能化电源 闭环控制

[中图分类号]TM[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)03-0034-02

直流稳压电源作为电气设备及其控制系统的主要电源系统,在实际生活中被广泛的应用于电力电子教学、电气设备开发研究等工程领域。传统直流稳压电源由于受技术条件的影响,普遍存在功能简单、调节误差大、干扰大、接线复杂、体积大等问题。传统直流稳压电源对输出电压通常采用粗调的方式来完成,调节精度不高,当需要输出电压在一个很小范围内进行调节时,传统的直流稳压电源就难以办到,严重影响了稳压电源的使用范围。基于单片机的智能高精度直流稳压电源,结合了最先进的单片机控制技术采用高性能基准稳压电力电子元件,稳压调压精度高而且抗干扰能力强,克服了传统直流稳压源的缺点。同时整个控制系统具有完善的保护电路,大大提高了设备的使用寿命。随着电力电子技术的成熟,单片机价格越来越经济,且集成度相当高,大大减少了直流电源系统开发成本,具有明显的工程实际应用价值。

1 系统硬件设计

1.1 系统总体结构

单片机控制的直流稳压电源以AT89S52单片机作为整机的核心控制单元,经过调节AD7543的输入电压数字量来控制系统的输出电压,本系统具有可预置电压和步进调节电压的特性,而且整个电压调节步进值达到0.1V的小范围。此系统具有自我检测功能、短路保护等故障处理技术。整个系统的工作原理框图如图1所示。

从图1可以看出,整个系统包含变压整流单元、键盘预设电压单元、滤波电路单元、电流检测短路保护单元、电压反馈单元等多个部分组成。为了使系统能够具备自动采样检测实际输出电压值的大小,可以通过电压取样及电压调节回路,实时对电压进行采样,并经过相应的比较放大电路直接控制单片机内部系统程序进行相应的电压调节,保障输出直流电压的稳定,然后经过八段式数码显示管进行数据处理及显示相应的系统输出电压值。单片机在得到电压取样数据后,通过数字信号处理中心,获得相应的控制策略,可以通过两个驱动电路,对不同的输出电压值采取不同的控制策略。当电流检测回路发现系统中电流过大时,就直接将信息反馈给驱动电路和单片机系统,控制电路调整进行自动短路保护。利用单片机为核心处理控制器的稳压电源系统整体设计方案比较灵活,合理利用软件编程控制方法来解决电压值的预置以及输出电压的步进控制,比传统滑档控制更加精确可靠。由于单片机是一种电子产品的集成系统,可以大大地减少直流电压源系统内部的硬件回路,且采用较为先进的电子器件,系统的相应时间和误差都在有效的控制范围,大大扩大了稳压电压源的使用范围,在稳压源系统中得到了广泛的推广。

1.2 数控部分

单片机AT89S52作为整个稳压系统的控制核心主要完成电压输出值的采样判断、键盘电压预设控制、控制驱动电路进行电压调节、输出电压值数字显示、系统短路自动检测保护及其他辅助功能。

为了实现系统的人机对话功能,本系统采用10个数字电压预设按键和两个步进(“+”,“-”)按键,为了避免有些其他未考虑功能按键的使用,最终选用具有16按键的输入键盘实现整个系统的人机交互控制电路。输出电压值显示部分采用8位8段式LED数码管,数显LED管现在已经很成熟,易于同其他设备进行数据交换,可以直接与单片机输出相连。但是本系统单片机作为系统控制核心,数显单元只是单片机控制的一个点,且单片机I/O端口总数目有限,必须采用扩展电路来控制数显部分,因此为了优化系统,采用一片8155作为单片机系统的外部扩展接口电路,实现16个键盘的通信接口与LED数显的通信接口。键盘及数显接口单片机扩展电路如图2所示。

1.3 电压取样及电压调节

为了提高输出电压的精度,保证电源稳定运行,利用电压取样单元对电源输出电压进行检测,得到一个电压信号的反馈电压。为了提高单片机控制系统的整体精度和灵敏度,将采样数据经过比较放大电路,利用一级运算放大器将采样电压进行放大,再送给单片机系统进行相应的数据处理。

1.4 电源方案

采用78系列三端稳压器件作为控制核心单片机及系统各功能芯片的动力源,通过输入电源的全波整流,获得可靠的稳压供电电源。

1.5 过流报警功能

为了提高单片机控制系统的安全可靠性,提高单片机数控直流电压源的人性化服务。利用电流检测回路检测系统中的电流值,当电流大于系统设定值时,通过单片机系统自动保护跳闸,实现保护贵重电气设备的功能,并可以通过相应的蜂鸣器报警,提醒工作人员对相应的设备进行检查看修。

2 软件设计

在实际硬件电路搭配完成后,为了有效地减小纹波电压,保证供电可靠性,本系统采用软件编程方法实现去峰值数值滤波,以减小外界环境干扰对输出电压的影响,数据取样分析判断是整个滤波系统的中心部分,取样的准确性与否直接影响系统的整体控制。为了保证取样的可靠性,在整个系统的软件设计中设置了电压采样主程序和键盘输入中断子程序,相应的流程图见图3和图4所示:

程序运行后,单片机系统就自动开始检测是否有键按下,若有键盘触发脉冲,则进入电压预设按键功能程序。LED数码管显示部分就开始自动动态定时扫描数据,达到系统CPU资源得到充分利用。单片机系统不断通过取样电路采集系统输出电压数据,经过比较放大和相关分析判断,然后通过单片机系统发出增减命令对实际输出电压进行相应的校正,控制输出电压源保持电压恒定。

3 数据分析

把系统相关的硬件和软件设定完成后,对装置进行相应的检测,其检测结果数据如表1所示:

从表1中可以看出,基于单片机的直流稳压电源系统可以有效的保障输出电压的稳定,系统整体误差在10-2量纲级内,误差相当小,完全满足稳压电源的要求。

4 结语

以AT89S52单片机为核心设计的一种智能稳压电压源系统,有效保证电气设备的安全稳定运行。系统输出电压采用数显和键盘输入控制,提高了电源的人性化服务。基于AT89S52单片机的一种稳压电压源系统系统集成度高、可靠性强、具有自我故障检测保护功能,具有良好的实用价值。

[参考文献]

[1] 李全利.单片机原理及应用技术[M].北京高等教育出版社,2004.

[2] 陈太洪.基于LM399的高精密度稳压电源[J].工矿自动化,2006,(02):66-72.

[3] 吴恒玉,唐民丽,何玲,黄果,韩宝如.基于89S51单片机的数控直流稳压源的设计[J].制造业自动化.2010,32(01):95-96.

[4] 陈伟杰,张虹.基于混合最优算法的高精度数控直流电源设计[J].中国集成电路,2008,8(06):48-52.

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关键词：同塔多回输电线路； 感应电压和电流； EMTP仿真

中图分类号：U463.62 文献标识码：A 文章编号：

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1 研究背景

我国近年来土地资源日趋紧张，供电需求不断增长，电网建设时输电线路路径的选择日益困难，同塔多回路的输电型式应运而生。同塔多回路虽然有效的缓解了土地矛盾，提高了单位走廊的输送容量，但给线路运行检修带来了部分安全隐患。少数500kV混压同塔多回线路感应电压、感应电流计算值超出现有接地开关的额定开合能力，因此必须采取必要的措施来降低运行风险。例如要求制造厂家尽快研制能满足要求的超B类接地开关，实测现场的感应电压感应电流的大小等等。而且建议今后在进行同塔多回路线路规划设计时，要尽早开展感应电压、电流的计算，并全面考虑将来扩建及改造等影响因素，避免将来投运后造成运行风险。

本文将根据500kV加林至桂山线路工程同塔多回路的实际情况，举例计算分析500KV同塔多回路的感应电压、感应电流大小，并提出对计算结果的处理方法和建议。

2计算基本原理和方法

输电线路感应电压和感应电流实际上是三相交流系统电磁耦合和电容耦合的结果，准确计算需求解输电线路或输电网络的三相潮流。具体来说，输电网络正常运行时将满足线路状态方程、不同线路段电气连接关系和线路边界条件，联立这三类方程即可解得输电网络三相潮流。

2.1 线路状态方程

对于线路运行状态方程，指线路在某一确定频率下，沿输电线路单位长度内的压降与导线电流之间满足由自阻抗和互阻抗相关联的矩阵方程，如式2.1-1所示；沿输电线路单位长度内的电流变化值与导线电压之间满足由自电纳和互电纳相关联的矩阵方程，如式2.1-2所示。

(2.1-1)

(2.1-2)

式2.1-1~式2.1-2中，U、I分别为n回输电系统的电位和电流矢量，Z、B分别为n回输电系统的阻抗矩阵和电纳矩阵。

2.2 线路连接方程

对于不同线路段电气连接关系，指不同参数线路段联络时应满足对应节点电压相等、电流平衡的关系。以某节点右侧三个回路端口(a/b)、左侧两个回路端点(g/h)为例，则此节点连接方程如式2.2-1~式2.2-4所示，前四个方程为电压平衡方程，第五个方程为电流平衡方程。同理，其它连接节点情况可以此类推。

(2.2-1)

(2.2-2)

(2.2-3)

(2.2-4)

2.3 线路边界方程

对于线路边界条件，就常规线路而言指端口接电压源、电流源、停运接地或停运不接地。设第i段边界端中，vi∈Ψv接电压源运行、wi∈Ψw接电流源运行、si∈Ψs停运接地，ti∈Ψt停运不接地，则左侧端口边界方程如下式2.3-1~式2.3-4：

(2.3-1)

(2.3-2)

(2.3-3)

(2.3-4)

2.4 计算思路

本工程采用国际通用电磁暂态计算程序ATP-EMTP，按实际线路进行建模仿真。为获得准确的计算结果，对所有回路各种运行和停运方式组合，且每种停运方式又包括接地和不接地。

3计算条件和输入参数

3.1 系统条件

500kV加林变电站、500kV桂山站系统等值阻抗如下表3-1所示，110kV白石站、110kV三乡站、110kV顺景站为低压弱系统，在此不考虑系统等值。

表3-1 系统等值阻抗

3.2 线路参数

500kV加林站至500kV桂山站、110kV三乡站至白石站和顺景站各线路接线情况如下图所示,具体各线路参数在EMTP模型中。

图 3.2-1 500kV加林至桂山线路及110KV线路连接示意图

4 计算结果及结论

对500kV国安至加林线路、加林至桂山线路最大功率方式和最高电压方式下所有停运工况的进行感应电压和感应电流仿真计算，结果如下：

表4.1 加林输变电工程各线路感应电压电流值

根据上面计算得到500kV加桂甲乙线、500kV加国甲乙线及110kV三顺线最严重感应电压电流，同时结合目前电力行业标准DL/T 486-2000《交流高压隔离开关和接地开关订货技术条件》，进行对比分析，可见500kV加桂甲乙线、500kV加国甲乙线及110kV三顺线最大感应电压电流均已超出B类隔离开关的额定值，需和厂家协商定制超B类接地开关，从而保证变电站隔离开关安全可靠运行。

参考文献

电力工程高压送电线路设计手册（第二版）张殿生，中国电力出版设社。

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摘要：本文对氧化锌阀片运行中漏电流分量进行了分析，运用了在线测试和带电测试两种比较常用的方法，并分析了影响测试结果的几种因素，提出了在线测试漏电流的整体考虑方案。

关键词：漏电流 容性电流分量 阻性电流分量

引言

随着SPD使用在雷电防护体系中数量不断增多时，关于SPD的在线运行情况得到越来越多的关注。目前限压型避雷器（氧化物避雷器）的主要进行在线测试是漏电流测试和压敏电压（1mA电压）的测试。而其中又以漏电流测试最为普遍。漏电流是指MOV阀片在标称持续工作电压下流过阀片的电流。在测试中常用0.75倍的直流参考电压进行。按国家标准应小于30μA。冲击前后的变化率应小于200%。目前在线测试中，由于测试状态下SPD一般并入交流电压220V两端。无法满足0.75U1mA。标准检测应先检测两端电压是否为0.75U1mA，才能将检测到的泄漏电流与国家标准向比较，否则测出数据不能作为泄流比照国家标准。目前我们所做的测试可以看作一种SPD装置漏电流的变化趋势测试，需要定期多次测试，得出电流的变化趋势，如果曲线不断增大或突变，则可以推断SPD工作环境发生变化或SPD出现问题。以下首先介绍MOV阀片的工作原理。

图1 MOV阀片U-I变化曲线图

当压敏电阻两端加上电压时，在某一电压值（压敏电压值）以下几乎没有电流通过，一旦浪涌电压超过压敏电压值时，电流会急剧地增大 ，迅速将冲击电流泄入大地；当电压低于击穿电压时，SPD则又会回到原来的绝缘状态。（如图1）

在氧化物避雷器中（图2，为运行电压，为流过避雷器的总电流，为阻性电流分量, 为容性电流分量。在正常情况下，很小，成为漏电流，其中占主要成分。。当MOV阀片老化或损坏时，将会发生变化，因此通过对其的测试，将直接反应出MOV阀片性能。以下对其的在线测试方面逐一分析。

图2 限压型避雷器等效图

1 漏电流测试方法

1.1在线测试

在线测试系统, 通过不间断地测试SPD 的漏电流或阻性电流, 当发现泄漏电流有增大趋势时, 再做带电检测或停电做直流试验。这种方法测试方法，可以及早的，准确的发现氧化物阀片的老化情况。

1.2带电测试

带电检测是指在不停电情况下定期测量避雷器的泄漏电流或功率损耗, 然后根据测试数据对避雷器的运行状况作出分析判断。定期带电检测是针对漏电流常用的一种方法。

2漏电流测试原理。

常见的限压型避雷器漏电流测量仪器按其工作原理分为两种: 容性电流补偿法和谐波分析法。

2.1容性电流补偿法。

方法是以去掉与母线电压成π/ 2，相位差的电流分量作为去掉容性电流, 从而获得阻性电流的方法。在总泄露电流中，容性分量所占的比例较大，在很大程度上会影响基波法和谐波分析法的检测准确性。参照图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是积分器。PT检测到的运行电压ux，移相器向前移相π/ 2后得到u，x，它和容性电流ic的相位相同，自动调节GCA的增益使输出与容性电流分量相等，DFA的输出就是阻性电流分量，即iR=ix-Gu，x= ix-ic。GCA增益的调节是利用阻性电流分量与容性电流分量正交（点乘为0）的原理来实现的(如式1)。

图3 容性电流补偿法原理图

（1）

2.2谐波分析法

谐波分析法采用数字化测量和谐波分析技术,是一种常见的MOA 泄漏电流测量仪器按其工作原理。当泄露电流的容性电流分量为式（2）,阻性电流分量为式（3）。

（2）

（3）

此项方法得到的各次阻性和容性谐波分量，显得较为繁杂，因为SPD运行状态的主要指标是阻性泄流，而容性分量基本是不变，也就是说我们真正关心的是总漏电流中的阻性部分，只要能除去容性分量就能够对SPD的运行状态进行判断。

3 影响测试结果的几种因素

3.1温度对漏电流的影响

氧化锌电阻片在小电流区域具有负的温度系数且MOA 内部空间较小, 散热条件较差, 加之有功损耗产生的热量会使电阻片的温度高于环境温度。这些都会使MOA 的阻性电流发生变化片，实际运行中的MOA 电阻片温度变化范围是比较大的, 阻性电流的变化范围也很大。

图4 三种温度实验条件下静态老化前后某样品的漏电流及损耗变化情况。

3.2 潮湿腐蚀环境下对漏电流的影响

湿度比较大时, 一方面会使MOA 瓷套的泄漏电流增大, 同时也会使芯体电流明显增大,同时潮湿腐蚀环境下，造成一定程度电解如图？，造成mov的保压性能随时间不断降低，从而漏电流不断增大。以下参考某试验室进行的保压试验变化图。

图5 不同电解液中某样品保压特性变化图

3.2MOA 两端电压波动的影响

电力系统的运行情况是不断变化的, 特别是系电压的变化对MOA 的泄漏电流值影响很大。根据实测数值分析, MOA 两端电压由相电压(63 kV)向上波动5%时, 其阻性电流增加13%左右。因此在对MOA 泄漏电流进行横向或纵向比较时, 应详细记录MOA 两端电压值, 据此正确判定MOA 的质量状况。

4结论

根据以上分析，谐波分析法可以得到阻性及容性电流的各次谐波分量。但分析实现具有一定困难；而补偿法能够有效的消除容性电流分量的影响，提高检测准确度，不过它不能除去相间耦合电容对检测准确度的影响。另外在在线测试中，需要考虑环境中多种因素对漏电流或测试结果的影响。因此建议综合各种检测方法，综合分析在线检测结果。同时对与单一避雷器，它所处在的工作状况是比较稳定的，根据这一特点，可以考虑实时监控的方面，纵向分析并进行检测，提高我们的精准度。

参考文献

【1】孙鹏举，金属氧化物避雷器泄漏电流在线测试分析，1003- 8337( 2008) 04- 0030- 03

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中图分类号:TN433-34文献标识码:A

文章编号: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

随着电子产品向小型化、便携化的趋势发展,单片集成的高效、低电源电压DC-DC变换器被广泛应用。在许多电源管理IC中都用到了电流检测电路。在电流模式PWM控制DC-DC变换器中,电流检测模块是组成电流环路的重要部分,用于检测流过功率管和电感上的电流,并通过将电流检测结果和电压环路的输出做比较,实现脉宽调制的效果。在电压模式PWM控制DC-DC变换器、LDO、Charge Pump等电路中,它还可以用作开路、短路、过流等节能和保护性目的。

传统的电流检测方法[1-3]有3种:

(1)利用功率管的RDS进行检测;

(2)使用检测场效应晶体管检测;

(3) 场效应晶体管与检测电阻结合。

针对开关稳压器,不同于传统的电流检测方式,本文提出了一种新颖的电流检测方法。

1 传统的电流检测方法[4]

1.1 利用功率管的RDS进行检测(RDS SENSING)

当功率管(MOSFET)打开时,它工作在可变电阻区,可等效为一个小电阻。MOSFET工作在可变电阻区时等效电阻[5]为:

RDS=1μCOX(W/L)(VGS-VTH)

式中:Е涛沟道载流子迁移率;COX为单位面积的栅电容;VTH为MOSFET的开启电压。

如图1所示,已知MOSFET的等效电阻,可以通过检测MOSFET漏源之间的电压来检测开关电流[4]。

这种技术理论上很完美,它没有引入任何额外的功率损耗,不会影响芯片的效率,因而很实用。但是这种技术存在检测精度太低的致命缺点:

(1) MOSFET的RDS本身就是非线性的。

(2) 无论是芯片内部还是外部的MOSFET,其RDS受μ,COX,VTH影响很大。

(3) MOSFET的RDS随温度呈指数规律变化(27～100 ℃变化量为35%)。

可看出,这种检测技术受工艺、温度的影响很大,其误差在-50%～+100%。但是因为该电流检测电路简单,且没有任何额外的功耗,故可以用在对电流检测精度不高的情况下,如DC-DC稳压器的过流保护。

图1 利用功率管的RDS进行电流检测

1.2 使用检测场效应晶体管(SENSEFET)

这种电流检测技术在实际的工程应用中较为普遍。它的设计思想是:如图2在功率MOSFET两端并联┮桓霆电流检测FET,检测FET的有效宽度W明显比功率MOSFET要小很多。功率MOSFET的有效宽度W应是检测FET的100倍以上(假设两者的有效长度相等,下同),以此来保证检测FET所带来的额外功率损耗尽可能的小。节点S和M的电流应该相等,以此来避免由于FET沟道长度效应所引起的电流镜像不准确。

图2 使用场效应晶体管进行电流检测

在节点S和M电位相等的情况下,流过检测FET的电流IS为功率MOSFET电流IM的1/N(N为功率FET和检测FET的宽度之比),IS的值即可反映IM的大小。

1.3 检测场效应晶体管和检测电阻相结合

如图3所示,这种检测技术是上一种的改进形式,只不过它的检测器件不是FET而是小电阻。在这种检测电路中检测小电阻的阻值相对来说比检测FET的RDS要精确很多,其检测精度也相对来说要高些,而且无需专门电路来保证功率FET和检测FET漏端的电压相等,降低了设计难度,但是其代价就是检测小电阻所带来的额外功率损耗比第一种检测技术[6]的1/N2还要小(N为功率FET和检测FET的宽度之比)。

此技术的缺点在于,由于M1,M3的VDS不相等(考虑VDS对IDS的影响),IM与IS之比并不严格等于N,但这个偏差相对来说是很小的,在工程中N应尽可能的大,RSENSE应尽可能的小。在高效的、低压输出、大负载应用环境中,就可以采用这种检测技术。

图3 场效应晶体管与电阻相结合进行电流检测

2 新型的电流检测方法

在图4中,N_DRV为BUCK稳压器的同步管栅极驱动信号,N_DRV_DC为N_DRV经过1个三阶RC低通滤波器之后滤出的直流分量,并且该直流分量为比较器的一端输入,比较器的另一端输入为一基准电压值[7]BIAS3,比较器的输出LA28(数字信号,输出到芯片的控制逻辑)为DC-DC负载电流状态检测信号。

图4 新型电流检测方法基本原理等效架构图

该电流检测电路的作用如下:

在一个稳压器芯片中,既包括一个DC-DC(BUCK),又包括一个LDO,中载和重载时工作于PWM模式,轻载时(约为3 mA以下)工作于LDO下,而本文提出电流检测电路的作用是:当其负载电流小于一定值时(此时开关稳压器处于DCM模式下),LA28电平跳遍,实现PWM模式向LDO模式的模式切换。

这里需要注意的是,如果对输出负载电流直接进行检测或是通过将电感电流取平均值[8]的方式来检测输出负载电流,则将会带来电路实现上的困难。而在此提出的这种检测方法却不存在这个问题。

该架构图是DC-DC负载电流状态检测电路的等效图。其作用是当DC-DC负载电流低于3 mA时,其输出信号LA28由高变低,从而实现PWM模式向LDO的切换。它的基本原理是利用DCM模式下(当负载电流为3 mA时,DC-DC处于DCM模式下)负载电流与开关管栅极驱动信号N_DRV的关系,通过检测N_DRV来监控输出负载电流的变化,从而实现当负载电流低于3 mA时PWM模式向LDO的切换。

下面将用图5来说明该电路检测负载电流的原理。

图5 检测DCDC负载电流的基本原理

图5是DCM模式下电感电流IL与同步管栅极驱动信号N_DRV的波形图。

在该图中,电感电流的上升斜率为(VIN-VOUT)L,而下降斜率为VOUTL,则有:ΔIΔt=VIN-VOUTL 且 ΔIΔT=VOUTL。

此时:

Δt=ΔTVOUTVIN-VOUT

又由于每个周期通过电感输出到负载的电荷量是不变的,故有12ΔI(Δt+ΔT)=IOUTT。其中:T为开关周期;IOUT为输出负载电流。

从上面几式得:

12ΔT2VOUTL•VINVIN-VOUT=IOUTT(1)

故有:

ΔT=2IOUTTL(Vi-VOUT)VINVOUT

Δt=VOUTVIN-VOUT2IOUTTL(VIN-VOUT)VINVOUT

ΔI=VOUTL2IOUTTL(VIN-VOUT)VINVOUT

现在再来分析图4,在频域内,从N_DRV到N_DRV_DC的系统传递函数[9]为:

H(s)=11+sR1C1•11+sR2C2•11+sR3C3

故图4中的R与C组成的网络是1个三阶的RC低通滤波器。下面计算N_DRV_DC,从t=0接入脉宽为ΔT,周期为T的周期性矩形脉冲信号N_DRV,其复频域的象函数[9]为

Vi1-e-sΔTs(1-e-Ts)А

故N_DRV_DC的象函数为:

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

需要注意的是,在设计三阶RC低通滤波器时,其带宽应设置得远小于DC-DC的振荡器频率(即N_DRV的频率),以保证很好地滤出N_DRV中的高频分量;但也不宜设置得太小,否则所使用的电阻和电容将会比较大。

当DC-DC负载电流减小,N_DRV_DC也会减小,若减小至N_DRV_DC=BIAS3时,比较器开始由高变低,芯片将从PWM模式进入LDO模式。设此时的负载电流为ILDO(ON),则:

BIAS3=ΔTTVi

即:

ΔT=BIAS3TVi(2)

联立式(1)和式(2)得:

ILDO(ON)=12•TLBIAS32VoVi•1Vi-Vo

由上式可知,DC-DC向LDO的切换阈值ILDO(ON)与电感值L成反比。

最终的电流检测实现电路如图6所示。由于该电路原理比较简单,分析从略。

图6 最终的电流检测实现电路

3 仿真结果数据

仿真结果数据如表1所示。TA=25 ℃,L=2.2 μH。

表1

输入电压Vi /V输出电压VOUT/V切换负载电流阈值ILDO(ON)/mA

4 结 语

提出了一种开关稳压器电流检测的新方法,通过检测DCM模式下同步管栅极驱动信号,实现对输出负载电流的检测,从而得出芯片从PWM模式向LDO模式的切换。由此解决了通过检测电感平均电流而使的电路实现的困难。经过HSpice仿真验证,其仅消耗5 μA的静态电流。该种检测方法主要适用于需要对开关稳压器的DCM模式下负载电流进行检测的场合。

参考文献

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篇10

关键词:稳压电源;单片机;D/A转换;直流电源;电压调节

中图分类号:TM131文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)21-0036-02

随着电力电子技术的迅速发展,直流电源应用非常广泛,其好坏直接影响着电气设备或控制系统的工作性能。直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。其良好的性价比更能为人们所接受,因此,具有一定的设计价值。

一、系统设计

(一)方框图设计

该电路采用单片机(AT89C51)作为主控电路,由三端集成稳压器(LM317)作为稳压输出部分。另外,电路还增加参考电压电路、D/A转换电路、电压放大电路、显示电路等部分电路。其方框图如图1所示:

整个电路的运行需要模拟电压源提供+5V,±15V的模拟电压,以便使电路中的集成数字芯片能够正常工作。电路运行时,首先由单片机设置初始电压值,并送显示电路显示。然后将电压值送D/A转换电路进行数模转换,再经放大电路进行电压放大,最终反馈到三端集成稳压器(LM317)输出模拟电压。

(二)硬件设计

本电路的硬件组成部分主要由单片机(AT89C51)、变压器、整流电路、滤波电路、稳压器(LM317)、参考电压电路、D/A转换电路(DA0832)、放大电路、显示电路等组成。

硬件电路如图2所示,整个电路通过单片机(AT89C51)控制,P0口和DAC0832的数据口直接相连,DA的CS和WR1连接后接P26,WR2和XFER接地,让DA工作在单缓冲方式下。DA的11脚接参考电压,通过调节可调电阻使LM336的输出电压为5.12V,所以在DAC的8脚输出电压的分辨率为5.12V/256=0.02V,也就是说DA输入数据端每增加1,电压增加0.02V。

DA的电压输出端接放大器OP07的输入端,放大器的放大倍数为(R8+R9)/R8=(1K+4K)/1K=5,输出到电压模块LM317的电压分辨率为0.02V×5=0.1V。所以,当MCU输出数据增加1的时候,最终输出电压增加0.1V,当调节电压的时候,可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。

本电路设计两个按键,S1为电压增键,S2为电压减键,按一下S1,当前电压增加0.1v,按一下S2,当前电压减小0.1V。

显示部分由三位共阳数码管和74LS164串入并出模块组成,电路如图3所示,可以显示三位数,一位显示十位,一位显示个位,另外还有一个小数位,比如可以显示12.5v,采用动态扫描驱动方式。本主电路的原理就是通过MCU控制DA的输出电压大小,通过放大器放大,给电压模块作为最终输出的参考电压,真正的电压,电流还是稳压模块LM317输出。

(三)软件设计

在本电路中由于CPU的工作任务是单一的,因此,源程序的工作过程为:系统上电复位后,默认输出9V电压,然后扫描S1,S2键,当S1或S2键有按下时,程序跳转至相应的按键处理子程序,经按键子程序处理后,再嵌套调用显示子程序,完成显示与输出操作后返回主程序,继续扫描此两键,程序运行原理如下:

程序设计需要考虑的主要问题有两个方面:一方面要找出数字量Dn与输出电压的关系,这是程序设计的依据;另一方面要建立显示值与输出电压值的对应关系,这是程序设计是否成功的标志。因为在本系统中,显示的输出电压值不是之前从输出电路中通过检测得到的,因此显示与输出并不存在直接联系。但为了使显示值与实际输出值相一致,在程序编写时,必须人为地为两者建立某种关系。采用的方法是:在程序存储器中建立TAB1和TAB2两张表格,TAB1放101个Dn值,数值从小到大顺序排列,其值分别对应输出电压0～10v,TAB2存放数码显示器0～9字符所对应的数据。TAB1表格的数据指针存放在内存RAM中23H单元,内存20H,21H和22H三个单元分别存放数码显示器小数点一位,个位和十位的字符数据指针。在主程序中初始化后之后首先给23H赋予40的偏移量,这个偏移量指向TAB表中的Dn为145,此值对应的输出电压为9V,由于这个原因,必然要求显示器显示的字符为“05.0”,为此,须分别给20H,21H和22H赋予0,5和0的偏移量,这三个偏移量分别指向TAB2中0,5和输出两者之间就建立了初步的对应关系。为了使两者保持这种对应的关系,在K1和K2按键处理子程序中,必须使23H,20H,21H和22H四个数据指针保持“同步”地变化,即为当K有键时,23H单元增加1指向下一Dn时,20H单元也相应增加1指向下一字符,并且20H单元(小数点一位指针)、21H单元(个位指针)和22H元(十位指针)应遵循十进制加法的原则,有进位时相应各位应作出相应地变化;当K2有键时,23H单元减1指向前一Dn时,20H单元也相应减1指向前一字符,并且20H,21H,22H三个单元的数据指针应遵循十进制减法原则,有借位时相应的各位须作出相应地变化。按照这一算法只要控制TAB1表格数据指针不超出表格的长度就能使显示值与输出值保持一一对应的关系,即显示器能准确地显示出电源输出电压值的大小,达到电路设计的目的。由于理论计算与实际情况还存在着一定的差异,为了使显示值更加接近实际输出值,本电路需要对输出电压进行校正。

二、调试与分析

调试仪器:数字万用表、电烙铁、斜口钳、尖嘴钳、吸锡器、镊子。

硬件调试:首先检查整个电路,电路连接完好,没有明显的错连,漏连。接上电源,电源指示灯亮,数码管显示初始电压值+5V,用万用表的两只表笔测试LM317的输出电压为4.96V。当按下S1键一次,数码显示电压值变为4.9V,万用表读数变为4.85V。再按下S2键一次,数码显示电压值变为5.0V,万用表读数再次变为4.96V。通过改变显示电压值,用万用表测得几组输出电压数据见表1:

系统平均误差Δd=0.41V。

误差原因分析:(1)工作电源不够稳定,不能为数字集成块提供精确工作电压;(2)电路参数设定不够精确;(3)提供给D/A转换的参考电压不够精确,使得转换过程存在误差;(4)单片机的P0口传输给D/A转换的数据不够准确,使得输出出现误差;(5)系统缺少电压电流采样电路。

三、结语

在本文中,实现了以单片机为核心的直流稳压电源的智能控制,达到了预期的目的和要求。

参考文献

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