【導(dǎo)讀】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(hù)已有30多年的歷史了，它具有保護(hù)效果好，節(jié)能、價(jià)廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)，剩磁吸收，及避雷器中有著不可替代的保護(hù)作用。
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(shí)將導(dǎo)致嚴(yán)重的過電壓現(xiàn)象，因此，抑制過電壓對(duì)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(kuò)大，發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量也越來越大，為保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，對(duì)發(fā)電機(jī)的快速滅磁，過壓保護(hù)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(duì)其能容量有直接影響，均勻度差會(huì)降低其對(duì)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(shí)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)。
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?qū)﹄娍蛊鱈進(jìn)行充電，L充電完成后換向電路（圖1中K）動(dòng)作，使L與整流橋斷開并對(duì)ZnO非線性電阻放電，完成測試。電抗器L是整個(gè)電源的核心，其合理設(shè)計(jì)對(duì)測試電源的性能有決定性作用。因此，電抗器設(shè)計(jì)是測試電源設(shè)計(jì)的核心。
圖1：原理圖
電抗器L優(yōu)化設(shè)計(jì)
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(chǔ)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(shí)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(jì)電抗器所需參數(shù)L和RL。
如果以W=20kJ，I=200A，設(shè)計(jì)電抗器，則由式（1）～式（3）可得L=1H，RL=2.55Ω。
在設(shè)計(jì)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(jì)，經(jīng)過多次試驗(yàn)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(jì)，最終設(shè)計(jì)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
導(dǎo)線型號(hào)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。
檢測電感值是否滿足要求
電感的計(jì)算公式如下：
式中：Φ為由線圈結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)，可從電感計(jì)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
線圈電感滿足要求。
換向電路原理
換向電路如圖3所示，要求當(dāng)電抗器L充電完成后即直流側(cè)電流達(dá)到I時(shí)，切斷主電路，讓電抗器對(duì)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(dāng)L充電完成之后，通過二次側(cè)的邏輯控制使繼電器ZJ動(dòng)作，V3關(guān)斷，V2導(dǎo)通，此時(shí)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(dāng)流過V1的電流值降為0時(shí)，V1將被強(qiáng)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(shí)間常數(shù)τL=L/RL，充電時(shí)間t≈4τL。則電容器C時(shí)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(gè)對(duì)主電路進(jìn)行過壓保護(hù)的氧化鋅非線性電阻，其電壓等級(jí)高于待測電阻。待測非線性電阻故障時(shí)，R5可限制電抗器兩端的高電壓。
試驗(yàn)
為驗(yàn)證上述測試電源系統(tǒng)的可行性，進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)表明，直流側(cè)電流達(dá)到200A時(shí)，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(dòng)作，控制電路驅(qū)動(dòng)繼電器ZJ動(dòng)作，L1C振蕩電路開始強(qiáng)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(qiáng)制關(guān)斷晶閘管，斷開主電路，強(qiáng)制換向能夠順利進(jìn)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
經(jīng)過試驗(yàn)，此電源達(dá)到了測試氧化鋅非線性電阻器的要求，測試結(jié)果與計(jì)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(shí)可行，結(jié)構(gòu)合理簡單。
