手持式直流电压输出设备研究

李智诚

（山东送变电工程有限公司，山东 济南 250118）

0 引言

在新建、改建、扩建变电站设备安装过程中，随着安装进度的推进应进行电气交接试验、设备调试等工作，其中，断路器分合闸线圈回路、隔离开关和接地开关的控制回路等均需要提供直流电源。新建变电站的交直流一体化电源系统直流系统往往是在设备安装完成后才投入使用，为了不影响整体试验进度，试验人员会通过简易的整流装置来获取直流电源。改扩建工程则是通过临时电缆从试验电源屏获得直流电源，如果试验电源屏与用电设备距离较远，会出现临时电缆施工困难等问题。目前，工程现场使用最多的方式是采用简陋的敞开式整流桥来获取直流电源。使用这种简易方法来获取直流电存在安全隐患，试验人员容易碰触到整流器裸露的端子，导致试验人员触电；同时，这种简易整流装置输出的直流电压纹波系数偏大，容易对被试品造成损害。而市场上比较成熟的整流装置大都电压等级比较低，只能供蓄电池使用，无法用于调试开关。因此亟须设计一种新型的便携式直流电压输出装置，用以配合变电站建设过程中的各种试验工作。

1 直流电压输出原理

整流电路采用单相桥式整流，原理如图1 所示［1］，图中Tr为电源变压器，其作用是将交流电网电压U1变成整流电路要求的交流电压U2，RL是要求直流供电的负载电阻，4 只整流二极管D1—D4接成电桥的形式。

在U2的正半周期，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图1 中黑色箭头表示。

在U2的负半周期，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图1 中红色箭头所示。

综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将4 个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

图1 桥式整流电路原理

2 设计方案

2.1 二极管选型

二极管作为实现交流电转换为直流电的主要元件，必须使用方便、可靠，具有良好的输出稳定性，并且能够良好地焊接在电路板上。目前主要有两种主流二极管，肖特基二极管和快恢复二极管。

肖特基二极管具有开关频率高和正向压降低等优点，但其反向击穿电压比较低，大多不高于60 V，最高仅约200 V，且反向漏电流偏大，为正温度特性，容易随着温度升高而急剧变大，实物设计存在热失控的隐患。

快恢复二极管是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，可作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。快恢复二极管属于PIN 结型二极管，因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压（耐压值）较高［2］。

根据现场需求，需要对220 V 交流电压进行整流，肖特基二极管无法满足电压要求，且有热失控的隐患。因此选用快恢复二极管（FR607），最大持续峰值反向电压为1 000 V，最大均方根电压为700 V，最大直流阻断电压为1 000 V，最大平均整流电流（55 ℃）为6 A，最大浪涌电流（8.3 ms 正弦波）为300 A，最大持续正向电压（直流1 A）为1.3 V，封装类型为R-6。

2.2 稳压滤波电路设计

利用桥式整流电路可以得到直流电压UL，但该电压波形中含有较大的脉动成分，须利用具有储能作用的电抗性元件（如电感、电容）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分。

电阻滤波电路，即RC-π 型滤波电路，实质上是在电容滤波的基础上加一级阻容滤波电路，如图2所示。经整流输出的电压，首先经过C1电容器的滤波，将大部分高频交流成分滤除，经C1后的电压，再加到由R 和C2构成的RC 滤波电路中，电容C2进一步对交流成分进行滤波。C1容抗很小，高频干扰成分容易被小电容C1滤掉，即C1对高频交流干扰滤波较好；C2容抗较大，低频干扰成分容易被C2滤掉，即C2对低频交流干扰滤波效果好。电阻对交直流均有压降和功率损耗，所以RC-π 型滤波电路在电流需求较小的场合应用广泛。

若用S′表示C1两端电压的脉动系数，则输出电压两端的脉动系数为

式中：ω 为角频率，ω=2πf，f 为交流频率。

图2 RC-π 型滤波电路

由式（1）可以推算，在ω 值一定的情况下，R 越大，C2越大，则脉动系数越小，也就是滤波效果越好。而R 增大时，电阻上的直流压降会增大，这样就增大了直流电源的内部损耗；若增大C2的电容量，又会增大电容器的体积和重量，不易实现，选用合适的参数至关重要。通过经验和试凑，可以将电阻R 取1.2～3 Ω，C2取100 μF［3］。

2.3 试验仿真

在MATLAB／Simulink 环境中搭建仿真电路，如图3 所示，电压输入U1采用220 V／ 50 Hz 恒压电源，C1取22 μF，C2取100 μF。输入和输出仿真波形如图4 所示，其中，通道A 为U1，通道B 为UL，时间基准为0.1 s。0.3 s 后，直流电压已经达到稳定状态，由于未带负载，直流输出电压为交流输入电压有效值的倍，约为310 V，与计算结果一致，完全满足现场设备的要求。

图3 电路仿真原理

图4 仿真波形

3 实物设计

3.1 输入接口设计

输入接口采用开关式三孔电气插头，如图5 所示，该接口自带过流保险、通断开关，满足现场使用要求，且稳定性好、安全可靠、美观大方，属于通用型电气元件，可随时进行更换。整个整流、滤波稳压电路接地引至三孔插头“N”端子，可靠焊接后一点接地，一方面有效降低了EMI 影响，另一方面保证了试验人员的安全。

图5 开关式三孔电气插头

3.2 输出接口设计

输出接口采用纯铜试验端子接线柱，如图6 所示，采用该形式接线柱可与试验线可靠连接，且结构灵活，可插接，可压接，体积小巧，可根据试验对象与设备的距离更换合适的电源线，相对于螺丝紧固，不容易出现松动的现象。直流输出侧正极插接端子为红色，负极插接端子为黑色，方便区分直流输出电源的正负极。采用直流数字电压表来读取输出电压，如图7 所示。

图6 试验端子接线柱

图7 数字电压表

3.3 外部封装设计

采用热固型环氧树脂塑料对电路进行封闭包装，分上下两部分，螺丝固定。设备外壳侧面每侧设置4 个1 cm×3.5 cm 散热孔，确保电路运行中及时散热。设备外壳尺寸为10 cm×5 cm×3.5 cm，方便试验人员携带，如图8 所示［4］。

3.4 电压调节模块选择

电压调节模块应满足当输入电压在一定范围内灵活调动时，保证电压持续稳定的输出要求。调压变压器和固态调压器均满足电压调节模块的基本要求，但调压变压器重量大、体积大、不方便携带；固态调压器质量轻、体积小、更换维修方便，虽然存在高次谐波，但用于阻性负载影响不大。本设备选择SSVR 40 A 固态调压器，最大负载电流为60 A，断态漏电流≤5 mA，隔离电压＞2 500 V（AC），长44.5 mm，宽29.4 mm，高58.4 mm，能完美放入封装盒内，额定电压下稳压精度＜2%［5］。

图8 设备封装壳

3.5 组装与测试

依次将主电路、滤波电路、固态调压器等电气元件焊接于成品电路板上，方便设备维护，设备内部结构如图9 所示。为保证设备使用的安全性，采用全封闭封装设计，设备外部效果如图10 所示。

图9 设备内部结构

图10 外部效果

经测试，设备在220 V 电压输入情况下，可输出空载电压为DC 310 V，带负载情况下最高可输出DC 270 V 电压，满足现场使用条件，在某新建220 kV变电站投入使用，测试结果如表1 所示，电压输出波动在允许范围之内。

表1 直流电压输出设备测试结果

4 结语

手持式直流电压输出设备利用桥式整流法得到直流电，然后利用RC-π 型滤波电路进行滤波，制作简单、成本低，可靠性高，大大提高了现场工程调试效率，既不需要临时电缆，节省了材料和人工，也不会对设备造成损坏，更不存在安全隐患，尤其是在改扩建工程中，有效避免了交直流一体化电源系统直流电接地故障。下一步将对设备稳固性和抗干扰能力进行优化。