基于线性功率放大器的直流电流阶跃源实现技术

翟少磊 崔野 李方青 王任 苏文婧 李树斌

摘 要 依据直流电流互感器关于暂态阶跃的测试指标及定义，针对现有直流电流阶跃源存在的问题，提出一种基于线性功率放大器软硬件相结合的直流电流阶跃电源。通过分析线性功率放大器架构、电流输出原理和暂态特性，对硬件电路中的滤波回路、功率管分布电容和负载阻抗进行优化，以获得最佳阶跃电流输出效果，通过控制线性功率放大器的输入电压来获得测试所需的阶跃电流波形。直流电流阶跃源在现场进行直流电流互感器暂态阶跃响应试验的结果，证实了技术方案的可行性。

关键词 直流电流互感器 直流电流阶跃源 线性功率放大 阶跃电流 暂态阶跃响应测试

中图分类号 TH862+.7；TM93   文献标识码 A   文章编号 1000?3932（2023）03?0331?05

作者简介：翟少磊（1984-），高级工程师，从事高压互感器计量检测试验工作，791467856@qq.com。

引用本文：翟少磊，崔野，李方青，等.基于线性功率放大器的直流电流阶跃源实现技术［J］.化工自动化及仪表，2023，50（3）：331-335.

直流电流互感器暂态阶跃特性是衡量一次系统电气量发生变化时的重要参数指标，是直流控保系统正确可靠运行的重要保障，对直流输电系统的工程实施应用有极大影响［1～6］。

目前，直流电流互感器的暂态测试主要采用闭环阶跃响应测试来进行代替测试［7～9］，测试系统由直流暂态阶跃电流源、直流暂态电流标准器和直流互感器暂态测试仪3部分组成［10～12］，其中，直流电流暂态阶跃电流源的主要作用是施加测试源信号，该电流信号的幅值、过冲、上升时间和趋稳时间都直接影响直流电流互感器的暂态测试结果。目前，国内的直流暂态阶跃电流源基本采用电力电子开关电源实现，普遍存在带负载能力差、电流输出值低、上升时间过长及输出稳定性差等缺点，使得直流电流互感器的现场测试工作一直没有得到很好的開展。为此，笔者提出一种基于线性功率放大器的直流电流阶跃电源实现技术，利用线性功率放大器输出信号稳定性好的特点，采用多路功率管并联、共用电阻闭环反馈和软硬件结合的方式，实现直流暂态阶跃电流源的快速输出。

1 直流电子式互感器阶跃响应测试

1.1 直流电流互感器暂态测试技术指标要求

按照IEC 61869?14《互感器 第14部分：直流电流互感器的补充技术要求》对于暂态阶跃响应的技术要求，测试的输入电流相对于被试品的响应过程来说近似是一个理想阶跃信号。而测试指标主要是阶跃响应时间、趋稳时间和阶跃过冲3个参数，柔性直流电流互感器对于阶跃响应时间的要求进一步提高。另外，受测试回路负载电感的影响，这种近似理想的大电流阶跃源是很难实现的。所以目前一般采用闭环测试的方式，同步采集标准源信号与试品的信号，通过计算获得直流电流互感器的阶跃响应指标，因此具有可控的直流电流源，并且能够适应不同负载参数指标测试的要求。

在直流电流互感器测试过程中，不同应用场合和采样速率的直流电流互感器的阶跃响应指标要求是不一样的，并且由于测试回路负载电感的影响，根本无法输出真正意义上的理想阶跃电流。此时就需要直流电流阶跃电源能够实现可控的输出方式，以适应不同测试回路负载电感，从而满足直流电流互感器在阶跃响应时间、趋稳时间和阶跃过冲上的测试指标要求。

1.2 电力电子开关电源的实现方式

电力电子开关电源的实现方式如图1所示。

电力电子开关电源包括依次串联的滤波电路、整流单元、开关模块单元、串联谐振电路、输出整流单元、控制单元等。

控制单元连接开关模块单元，对开关模块单元提供控制及驱动信号；控制单元接收模拟采集单元反馈的被测模拟量电压值，对开关模块发送导通信号［13，14］。

滤波电路对交流信号进行低通滤波处理，该电路由三相LC电路组成，在阻带内将交流信号中的共模干扰和差模干扰信号进行衰减。

整流单元由三相桥式整流器组成，将滤波后的交流电能转换为直流电能。

开关模块单元由MOSFET开关单元组成，对整流单元后的电能进行传输。

串联谐振电路由LC和高频变压器中初级进行串联，形成串联谐振开关电路。

输出整流单元由隔离二极管及续流二极管组成。

模拟采集单元采集电流源输出信号并反馈回控制单元进行电流输出的调制，最终输出方波电流。

电力电子开关电源是采用交流调制方式产生直流阶跃电流信号的，所以只能输出方波电流，并且由于受负载感性特性和纹波的影响，电流输出时会产生较大过冲，输出稳定度较差，趋稳时间很长。

2 基于线性功率放大器的直流电流阶跃电源实现方法

线性电源又称为模拟电源，其实现方式与输出波形无关，是将小电压信号按照某种比例通过大功率电源放大成所需要的电流信号。

如图2所示，基于线性功率放大器的阶跃电流源由信号发生模块、线性功率放大器模块和电源模块组成。信号发生模块因为它的工作点在功率管的线性区域，所以优点是波形稳定性好、可控且不易失真，但输出特性受功率管的特性和负载阻抗特性影响较大，单管的电流输出能力有限。因此，笔者提出利用线性电源受控的特点采用软硬件结合的方式实现直流电流阶跃电源，以适应测试时的不同负载，满足直流电流阶跃响应测试的指标要求。

如图3所示，线性功率放大器回路由滤波回路、功率管、电源偏置和取样电阻4部分组成。其中，U为输入控制电压信号；R和C分别为滤波回路的电阻与电容；C为阻尼电容；电源偏置回路实现电流的双极性输出；R为取样电阻；U为电压输出信号；I为最终输出的电流。将多路功率管级联以增加整个电源回路的电流输出能力。

由式（2）可知滤波回路的阶跃响应直接影响输入回路的响应速度。

为了提高整体电流回路的响应速度，按照阶跃电流源信号发生装置数模转换芯片D/A的响应速率进行设计，调节电容值，使得τ=R1C1=T（T为D/A回路的一个采样点的采样间隔时间）。这样设计，既可保证功率管的安全性又可以不降低输入信号阶跃特性。

3 直流电流阶跃电源的测试

采用上述技术设计的直流电流阶跃电源在现场对已运行的直流电流互感器进行测试。

由于现场接线时导线过长，使得负载电感增大，当电感加大时受振荡角频率的影响，上升时间会变得很长。为了减少负载电感对于阶跃电源上升速度的影响，信号发生器采用超调控制，加快上升时间，试品的采样频率设定为10 kHz，额定延时100 μs。

测试时，由于试品的采样率较低，过冲测试基本没有意义，测试过程阶跃电流源上升速度越快越能正确反映试品的阶跃响应指标。此时，采用软硬件配合的方式，来适应现场导线负载变化等复杂场景，从而完成直流电流互感器的暂态阶跃响应测试工作。

直流电流互感器阶跃响应测试界面如图4所示。可以看出，在固定负载下，软硬件配合的直流电流阶跃电源的输出稳定性可以得到有效保证，测试结果满足直流电流互感器在现场对直流电流互感器阶跃响应的测试需求。

4 结束语

随着直流输电技术的发展，直流电流互感器对暂态阶跃响应特性的要求越来越高，暂态阶跃响应测试对直流电流阶跃电源输出电流的幅值、上升时间、阶跃过冲及趋稳时间等技术指标也有了更高的要求。利用线性功率放大器输出波形稳定、可控且不易失真的特点，实现对阶跃电流的上升时间、阶跃过冲等技术指标的控制，在某特高压直流换流站现场的直流电流阶跃电源对直流电流互感器进行阶跃响应测试，结果证明该电源在进行暂态阶跃响应特性时，上升时间小于200 μs，过冲低于10%，趋稳时间小于1 ms。

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（收稿日期：2022-10-09，修回日期：2023-01-04）

Realization of DC Current Step Source Based on Linear Power Amplifier

ZHAI Shao?lei1， CUI Ye2， LI Fang?qing3， WANG Ren1， SU Wen?jing1， 4， LI Shu?bin5

（1. Electric Power Research Institute， Yunnan Power Grid Co.， Ltd.； 2. Shandong Nuclear Power Co.， Ltd.； 3. College of Humanities， Qujing Medical College； 4. North China Electric Power University； 5. Kunming Luquan Power Supply Bureau）

Abstract   Basing on both test index and definition for the transient step of DC current transformer and considering the problems in the existing DC current step source， a DC current step power supply based on the combination of linear power amplifiers software and hardware was proposed.Through analyzing linear power amplifiers architecture， the principle of current output and transient characteristics， the hardware loops filter circuit， the distributed capacitance of the power tube and the load impedance were optimized to obtain the best step current output effect， including having input voltage of the linear power amplifier controlled to obtain step current waveform required for the test. The transient step response test of the DC current transformer carried out on the site for the DC current step source verified the technical schemes feasibility.

Key words   DC current transformer， DC current step source， linear power amplifier， step current， transient step response test