一種采用高壓繼電器隔離的方波電壓源裝置研究

張杰，蔣培，劉新竹

（1.南瑞集團公司（國網電力科學研究院），江蘇 南京 211106；2.武漢智瑞捷電氣技術有限公司，湖北武 漢 430074；3.武昌工學院信息工程學院，湖北 武漢 430065）

方波電壓源往往采用固態Marx的拓撲方式來實現，高壓脈沖放電對充電機及驅動電路會產生很大影響，傳統的隔離方式往往是在回路中串聯電感[1-3]。這種在回路中串聯電感的方式存在以下問題：1）選擇串聯電感的方式保護Marx主回路時，電感的耐壓及電感值很難準確計算并選型，涉及到的結構較為復雜[4-5]；2）在輸入電壓較低時，串聯電感能起到一定的保護作用，當輸出電壓升至較高后放電反壓較大，串聯電感對電路的保護作用有限，不能起到保護充電電源的作用。

傳統放電開關的驅動都采用串心變壓器結構，利用同軸線驅動變壓器的原邊和副邊繞組。原邊采用一匝高壓同軸線，內導體層用作脈沖傳遞，屏藏層接大地；副邊使用普通的低壓同軸線，屏蔽層接相應的IGBT發射極。由于原邊繞組需要連接各個驅動單元，絕緣要求高，另外此種結構對驅動信號的寬脈要求也很難達到[6-8]。

為了克服上述現有技術存在的不足，研制了一種驅動采用穩壓管取電及高壓繼電器隔離的方波電壓源，基于固態Marx的基本拓撲，采用高壓繼電器隔離的方式充電完成后，斷開充電回路，使得放電回路與充電回路完全隔離，有效保護了充電回路及充電機的安全，并有效解決了高壓放電的干擾問題，適用于特高壓直流輸電中電壓互感器的校驗。

1 方波電壓源裝置的設計

1.1 技術要求

技術指標詳見表1。

表1 技術指標Tab.1 Technical indicators

1.2 方波電壓源裝置總體設計方案

根據高壓繼電器隔離的方波電壓源裝置設計指標，產生5～200 kV連續可調的脈沖電壓波形，系統采用充電機+Marx發生器構成，方案結構如圖1所示。裝置適用于負載為幾十至數千pF的容性負載。裝置上電之后，泄能繼電器和放電回路繼電器斷開，充電回路和驅動電路繼電器閉合，驅動板上穩壓管取電，驅動電路提供IGBT觸發電壓，并經電源模塊轉換后給光耦電路供電。設置充電電壓及充電電流，按下啟動充電按鍵，充電機開始充電，當充電電壓達到設置電壓后點擊停止充電；按下觸發開關，控制板將觸發電信號轉化為光信號，發送給分光板，經過分光板分出多路觸發信號給驅動板，放電時充電回路和驅動電路繼電器斷開以保證充電機和驅動與放電回路隔離開，從而保證電路的安全及保護驅動電路免受干擾。完成觸發放電，在負載端形成指標上要求的方波電壓，同時放電和泄能繼電器閉合，將Marx中充電電容和負載端電容的能量釋放。

圖1 方波電壓發生裝置Fig.1 Square wave voltage generator

2 Marx發生器設計

2.1 拓撲選擇

方波電壓發生裝置電路圖如圖2所示，包括充電機、控制板、分光板、N個驅動板、充放電隔離電路。控制板分別與充電機、分光板、驅動板、充放電隔離電路相連，每個驅動板控制1級充電電路，分光板分別與N個驅動板相連，N個驅動板并聯，并通過一個隔離繼電器與外部電源相連。

取電電路如圖3所示，包括穩壓管、限流電阻、儲能電容、電源模塊。外部供電通過高壓繼電器與限流電阻相連后，再與電源模塊連接成回路，在限流電阻和電源模塊之間并聯一個穩壓管和儲能電容。

驅動電路如圖4所示，包含光纖接收模塊、比較器、驅動芯片。分光板通過光纖依次與光纖接收模塊、比較器、驅動芯片相連接；驅動芯片與對應充電電路的IGBT相連；取電電路為驅動電路提供電源。

圖2 方波電壓發生裝置電路圖Fig.2 Circuit diagram of square wave voltage generator

圖3 取電電路圖Fig.3 The circuit diagram of taking electricity

圖4 驅動電路圖Fig.4 Drive circuit diagram

負極性Marx發生器原理圖如圖5所示。充放電隔離電路包括N級充電電路、1個隔離繼電器（K1）、2個泄能繼電器（K2，K3）及負載，每級充電電路由充電電容、高壓二極管及IGBT構成，充電電容、高壓二極管及IGBT連接成回路，各級充電電路并聯，相鄰充電電路之間連接另一個高壓二極管；隔離繼電器K1一端分別與控制板和充電機相連，另一端與限流電阻R1相連，限流電阻R1通過第1個高壓二極管與第1級充電電路相連，最后一級充電電路與大地相連構成充電的回路，同時最后一級充電電路通過一個泄能繼電器K3與泄能電阻R3相連，負載并聯在N級充電電路的首尾兩端，另一個泄能繼電器K2連接另一泄能電阻R2并聯在負載兩端。

圖5 負極性Marx發生器原理圖Fig.5 Schematic diagram of negative polarity Marx generator

2.2 主開關器件以及級數的確定

根據設計指標，負載如圖6所示。

圖6 負載Fig.6 Load

當脈沖被觸發，根據設計要求，上升沿時間≤10 μs，為保證器件的耐流能力，考慮上升沿為3 μs進行設計，上升沿過程，流過試品的電流為

式中：I為回路最大電流；U∞為最大輸出電壓；Rmin為最小負載電阻；Cmax為最大負載電容；du/dt為電壓變化率。

趨穩后電流大小：

經過對性能以及價格方面的衡量，選用4 000V，40 A的IGBT，型號為IXEL40N400，其瞬態通流能力為400 A，可以滿足需求。考慮500 V安全裕量，每一級可以充電至3 500 V，所以級數為

式中：N為充電電路級數。

每一級的充電二極管可選4個超快恢復二極管（型號MUR4100）進行串聯，該二極管平均通流能力為4 A，可以承受150 A峰值電流。

2.3 儲能電容的確定

根據設計指標考慮，上升過程時間、趨穩時間、持續時間可按總脈寬為10.2 ms計算，幅值不低于95%的輸出脈沖幅度。

負載總電容最大2 nF，負載電阻最小30 MΩ，所以負載上需要電容提供的能量值約為

式中：Q1為負載上需要電容提供的能量值；Cload為最大負載電容；Rload為最小負載電阻；T為電壓脈沖持續時間。

在充電開關K1斷開，放電打開這段時間內（取500 ms）IGBT泄漏電流會損耗一部分能量，總共57個，其值為

式中：Q2為IGBT泄漏電流損耗的能量；Ices為IGBT泄漏電流。

根據所選二極管數據手冊，在放電階段二極管反向漏電流為100 μA，總共114個，其消耗的能量為

此外，作為每個IGBT保護用而串聯的一個電阻以及IGBT導通內阻會消耗一部分能量，可取其等效電阻大小為0.02 Ω，其消耗能量值為

驅動電路從儲能電容取電，電壓轉換芯片考慮使用LT3639來給驅動電路提供供電電壓，單個驅動電路電流1 mA。所以在脈沖發生期間（取時間為500 ms），驅動部分耗電量為

由此可得所需的電容容量方程為

最大輸出電壓為200 kV，需要85 nF，每一級為4.845 μF，共274 μF。計算得電容量的大小為29.23 nF，所以每一級的電容大小為1.67 μF，實際可取為1.8 μF，選用EACO公司的6個2 000 V/1.2 μF電容（型號STC-2000-1.2-6G#）三并兩串得到。

2.4 驅動信號一致性的保證

由于級數達到57級，為確保10 μs的上升沿，每一級的驅動信號同步性需要得到良好的保障。經過對比，光纖的傳輸延時小，在已有的傳播手段中速度最高、一致性最好。所以將采用光纖傳輸驅動信號以保障上升沿的陡度。

此外將選擇驅動能力足夠大的驅動IC以保證在得到驅動信號之后迅速開通開關管。

2.5 過沖以及趨穩時間

針對過沖幅度（vm）≤5%；趨穩時間（Ts-Tsr）≤100 μs（2·Δvs≤3%）的指標，由于采用的Marx為電容串聯放電形式，負載為阻容性，波形不會出現過沖震蕩等問題。按照工作原理，輸出波形如圖7所示。

根據MTConnect協議的規定，系統適配器Adapter與代理Agent通信采用Socket通信，其數據流格式為簡單的報文形式。Socket又稱套接字，是網絡上的兩個程序通過一個雙向的通信連接實現數據的交換，這個連接的一端稱為一個socket[4]，通過Socket能夠實現基于TCP/IP協議的網絡通信。Adapter發送的報文格式根據其數據項種類的不同可分為以下3種：

圖7 采用固態開關的Marx發生器輸出波形Fig.7 Output waveform of Marx generator using solid state switch

2.6 泄能電路的設計

在設備使用完成之后，為確保人員的安全，在Marx發生器當中，涉及到負載能量的泄放以及Marx主拓撲的儲能電容的能量釋放的具體設計為：負載能量的泄放通過圖5中的K2，R2實現泄放，當K2閉合，負載電容中的能量將通過R2構成泄放環路，從而消耗掉。繼電器K2選用Ross公司的E300-NOAir型號繼電器，耐壓為300 kV。

RC放電電路響應方程為

考慮負載電容電量通過自身30 MΩ電阻釋放時間也僅為0.5 s，所以可考慮舍去K2和R2，降低成本。

儲能電容的泄放則通過K3和R3實現泄放。當K3閉合，儲能電容中的能量將通過R2構成泄放環路，從而消耗掉。繼電器K3選用Gigavac公司的GR4ETA型號繼電器，耐壓為4 kV，最大通流能力為5 A。考慮2 min將其中的電量釋放至人體安全電壓，所以有：

其功率大小為

2.7 充放電隔離電路的設計

在Marx發生器放電的過程中，充電電阻R1右側將承受很高的負電反壓。為避免突變的負高壓對充電電源產生沖擊，在放電過程中需要使用繼電器將充電電路和Marx發生器進行隔離。在放電時兩側電壓差接近于Marx發生器輸出電壓，充電隔離繼電器K1選用Ross公司的E300-NOAir型號繼電器。

考慮先恒流后恒壓的方式充電，恒流充電至3 000 V之后采取恒壓3 500 V的方式進行充電，剛剛進入恒壓充電階段時，隔離電阻兩端電壓差為500 V，限制最大充電電流為10 mA，所以充電隔離電阻R1可取值為50 kΩ，電阻需消耗功率5 W。

3 充電機方案

3.1 充電機功率

根據2.3節計算結果，每一級電容容量為1.8 μF。所以電容中的總電量為

需要在發出脈沖后1 min內能夠重新發出脈沖，考慮驅動電路等的損耗，選取數值為700 J，所以功率大小為

考慮功率較小，預留較大裕量功率也不會造成成本大幅度增加，因此可以預留較大裕量進行設計。

3.2 充電機模塊選擇

輸出電壓的調節細度是由充電機來決定的。功率較小時，為保證充電的速度和穩定性，采用先恒流后恒壓的方式進行充電。選用威思曼高壓電源模塊MRA5*100作為充電輸出。該電源模塊輸出最高電壓5 kV，輸出功率100 W。同時該模塊預留了數字控制端口以及模擬控制端口，表2為充電機模塊模擬控制端口。該模塊能夠很好地形成閉環充電，對輸出電壓電流進行控制，而且輸出電壓電流為無級調節的方式，能夠滿足對輸出電壓500 V調節細度的要求。

表2 充電機模塊模擬控制端口Tab.2 Analog control port of charging module

在此基礎上該模塊還預留了數字控制端口和安全互鎖功能，能夠實時地對該模塊狀態進行控制和查看，在出現故障的情況下能夠及時鎖死以避免對系統造成大范圍的損壞。

4 仿真結果

等效電路仿真圖如圖8所示。仿真參數為：主電容0.167 μF/130 kV，回路等效電感6 μH，保護電阻1 kΩ，負載電容4 nF/10 MΩ。仿真結果如圖9、圖10所示。

圖8 等效電路仿真圖Fig.8 Simulation diagram of equivalent circuit

圖9 上升沿Fig.9 Rising edge

圖10 頂降Fig.10 Top down

由圖9可知，上升沿T（0.1-0.9）=5.5 μs；由圖10可知，頂降＜1%。

5 性能測試

測試條件如下：測試級數為25級串聯；測試工具為示波器（RIGOL MSO1104）、數字萬用表（FLUKE 15B+）、高壓隔離探頭NORTH STAR PVM-6、外溫槍（FLUKE 59Mini）。

驅動測試波形記錄如圖11、圖12所示。其中，圖11橫坐標時間為5 μs/格，圖12橫坐標時間為1 ms/格，縱坐標均為5 V/格。

圖11 驅動上升沿波形Fig.11 Waveform of the rising edge of drive

驅動波形上升沿時間5.3 μs，趨穩電壓18 V，上升和保持期間波形無明顯振蕩，波形質量良好，25級驅動波形一致性良好。

圖12 驅動全波Fig.12 Full wave form of drive

不同電壓等級放電波形實驗。測試條件：高壓直流電源供電AC 220 V/50 Hz，Marx主回路單級充電電壓見表3中參數。負載電容540 pF，連續重復充放電次數見表3，放電波形用高壓隔離探頭和示波器抓取，現抽取部分波形展示，如圖13和圖14所示（使用高壓隔離探頭NORTH STAR PVM-6測量）。

表3 不同電壓等級放電波形實驗參數Tab.3 Experimental parameters of discharge waveforms at different voltage levels

在以上各級充電電壓實驗中，電壓保持期間（設置時間5 ms）波形均平穩，無明顯振蕩，25級串聯波形質量良好，一致性良好。

圖13、圖14為每級充電1.9 kV下降沿波形和放電全波。其中，圖13橫坐標為5 μs/格，圖14橫坐標為2 ms/格，縱坐標均為10 kV/格。

圖13 每級充電1.9 kV下降沿波形Fig.13 The waveform of the descending edge at each charging stage is 1.9 kV

圖14 每級充電1.9 kV放電全波Fig.14 Full waveform of discharge at each charging stage is 1.9 kV

6 結論

一種驅動采用穩壓管取電及高壓繼電器隔離的方波電壓源，基于固態Marx的基本拓撲，并采用高壓繼電器隔離的方式充電完成后，斷開充電回路，使得放電回路與充電回路完全隔離，有效保護了充電回路及充電機的安全，并有效解決了高壓放電的干擾問題。