用于電力系統電氣設備過壓檢測的高壓電源研究

宋健 宋平 靳言

摘要：高電壓小電流往往應用于諸如電力系統設備的耐壓測試和稀有氣體的擊穿場景，基于此，設計了一款高壓電源，該電源由整流模塊、高頻變壓器和倍壓單元級聯，從而減小了高壓電源的體積和工藝難度。該電源可以實現最高電壓10 kV的恒壓輸出，現對該電源的參數設計和工作特性進行詳細介紹，并通過仿真驗證其可行性。

關鍵詞：高壓電源；倍壓電路；恒壓輸出；耐壓測試

中圖分類號：TM832? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0012-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.004

0? ? 引言

近年來，電力系統設備過壓檢測等領域對高壓電源的體積和電壓增益提出了更高的要求。部分電力系統中的設備往往暴露在較為惡劣的環境中，如果受到諸如雷擊、誤操作等影響，會引起局部電壓過高，因此對于電氣設備的絕緣和過壓檢測顯得尤為重要。作為電氣設備絕緣檢測激勵源的高壓電源在該應用領域受到了業界的廣泛關注[1-2]，這也對激勵源的體積提出了要求，因此本文對適用于電氣設備絕緣檢測的高壓電源開展研究。圖1給出了電氣設備耐壓檢測的場景。

1? ? 高壓電源的拓撲組成

本文提出的高壓電源由整流模塊、高頻變壓器和倍壓單元組成。圖2為整流模塊，該模塊由整流二極管和濾波模塊組成。圖3為高頻變壓器和倍壓單元，其中高頻變壓器由升壓比為1：N的升壓變壓器和開關管S1組成，CW電壓倍增電路是由多個倍增電容和倍增二極管進行串并聯構成的升壓網絡，當該網絡的輸入電壓呈現交替變化時，輸出電壓隨著倍壓單元級數成倍增加[3]。圖3為級數為n的CW電壓倍壓網絡，通過多級倍壓網絡的升壓作用，負載端會得到高電壓等級且高功率密度的直流電壓。在級數為n的CW倍壓電路中，當S1導通時，二極管按照D2、D4、D2n的順序導通，當開關管S1關斷時，倍增二極管按照D2n-1、D3、D1的順序導通。

圖4為本文所提出的高壓電源拓撲圖，該電源由整流單元、高頻隔離升壓變壓器和倍壓單元級聯而成，市電經過整流單元后饋入隔離升壓變壓器單元進行升壓，再經過后級的倍壓單元對電壓進行進一步的提升，從而提高了該電源的電壓增益，而該級聯的結構也減小了電源的體積，從而提高了電源的功率密度[4]，降低了高頻變壓器的工藝難度。本文所提出的高壓電源非常適合應用于電力系統中電氣設備的過壓檢測[5-6]。

2? ? 高壓電源的設計和工作特性分析

2.1? ? 電壓增益分析

交流電經過整流單元整流后電壓Vin′為：

Vin′=0.9Vin? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：Vin為輸入電壓。

整流后的電壓饋入后級變壓器和倍壓單元，可以根據升壓變壓器的勵磁電感Lm上的伏秒平衡進行推導，開關管導通和關斷時勵磁電感Lm上的電壓VLmon、VLmoff分別如式（2）和（3）所示：

VLmon=Vin′，

VLmon=（VC2-VC1）/N? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

VLmoff=VC1/N? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：VC1、VC2分別是電容C1、C2兩端的電壓；N為變壓器變比。

根據伏秒平衡可得：

DVC2=VC1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：D為占空比。

整理后電壓增益Av可以表示為：

Av=Vo/Vin=9nN/[10（1-D）]? ? ? ? ? ? ?（5）

由式（5）可知，該高壓電源的電壓增益與變壓器匝數比N、倍增單元級數n和占空比D相關，應該綜合設計選取變壓器匝數比、占空比和倍壓級數，以增加高壓電源的電壓增益。

2.2? ? 倍壓單元設計

開關管S1的電壓應力Vstress-S1可以表示為：

Vstress-S1=9Vin/[10（1-D）]? ? ? ? ? ? ? ? （6）

因此，可以通過增加變壓器變比N或降低占空比D，從而達到穩定電壓增益的同時降低開關管電壓應力的效果。

根據文獻[7]所推導的公式可知：

nmax=? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中：nmax為CW倍壓電路的最大二倍壓單元級數；fs為開關頻率；C為倍壓電容的電容值；Vo為輸出電壓；Io為輸出電流。

因此，對n的選取還需結合輸出參數的要求。為了確定N和n，這里推薦先根據式（5）和上述分析確定n值，再通過增益反求N。

為了獲取10 kV的輸出電壓，并使有源器件的電壓應力較低，最終選取倍壓單元的級數為5，變壓器的升壓比為6，該高壓電源可以在AC220 V的輸入下，在較低占空比（D=0.4）的條件下實現輸出電壓為10 kV的升壓變換。

3? ? 高壓電源的控制回路

圖5所示為本文提出的高壓電源的控制回路，其中k1為輸出電壓的采樣比。該變換器采用閉環控制來控制輸出電壓Vo，電壓比較器副邊控制電路產生的誤差信號ve1通過電壓比較器與鋸齒信號進行比較，得到復位信號vre，其中ve1是PI補償下vrs1與參考電壓Vref1之間的誤差電壓，從而實現恒壓輸出。控制回路的隔離通過光耦元件實現，從而保證了該高壓電源運行的可靠性。

4? ? 仿真驗證

本文搭建了一臺高壓電源的仿真平臺，在表1給出的參數條件下進行實驗。經過上述分析，開關管的占空比選取在0.4左右。與單開關高增益變換器相同，選取倍壓單元級數n=5，并選擇合適的變壓器匝比N。

圖6為高壓電源的變壓器原邊和副邊電流波形圖，原邊電流為諧振電流和勵磁電感電流波形的疊加，副邊電流波形為諧振電流波形，在諧振期間，原邊電流波形近似為正弦波形；圖7為穩定后的輸出電壓的波形，由圖可知，輸出電壓Vo穩定在10 kV。

5? ? 損耗分析

根據安秒平衡，二極管的導通損耗可以表示為：

=，? ?i=1，2，…，n? ? ? ? ? ?（8）

式中：是流過電容C2i-1正半周期的電流；是流過電容C2i-1負半周期的電流。

因此可以得到：

=+Io，? ?i=1，2，…，n? ? ? ?（9）

式中：為流經奇數序號的倍增二極管的電流之和。

因此流過二極管的平均電流可以表示為：

==Io，? ?i=1，2，…，n? ? ? ? ? ? ? （10）

二極管的導通損耗Pd-loss可以表示為：

Pd-loss=2nIoVD-R? ? ? ? ? ? ? ? （11）

式中：VD-R為倍增二極管的導通壓降。

對于開關管S1主要的損耗為其導通損耗PSt，可以表示為：

PSt=IS1-rms2Rds（on）? ? ? ? ? ? ? ?（12）

式中：IS1-rms為流經開關管S1電流的有效值；Rds（on）為開關管S1導通等效電阻。

變壓器的銅損可以表示為：

PT-copper=ILp-rms2RT-p+ILs-rms2RT-s? ? ? ? ? （13）

式中：ILp-rms為流經變壓器原邊繞組電流的有效值；ILs-rms為流經變壓器副邊繞組電流的有效值；RT-p為變壓器原邊繞組的等效電阻；RT-s為變壓器副邊繞組的等效電阻。

因此，在實驗中為了減小損耗，盡量選擇導通電阻小的開關管和正向壓降較低的高壓二極管，以提高高壓電源的效率。

6? ? 結束語

本文基于電力系統中電氣設備過壓檢測的應用場景設計了一款高壓電源，該電源由整流模塊、高頻變壓器和倍壓單元組成，從而有效提高了高壓電源的功率密度，并降低了高頻變壓器的工藝難度。該電源可以實現最高電壓10 kV的恒壓輸出，本文詳細介紹了高壓電源的參數設計、工作特性和損耗分析，并通過仿真驗證了其可行性，以證明該高壓電源在電氣設備過壓檢測場景中的適用性。

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收稿日期：2024-01-14

作者簡介：宋健（1995—），男，河南虞城人，助理工程師，研究方向：電氣高壓試驗。