便携式继电保护试验电源设计杨柳

便携式继电保护试验电源设计杨柳

杨柳

国网山西省电力公司太原供电公司山西省太原市030009

摘要：目前，人们对电力事业的重视程度越来越高。直流试验电源作为电力系统二次设备供电电源具有较高的可靠性和稳定性，继电保护试验电源适用于变电站现场继电保护工作、新设备投运的调试及其他小型电力试验工作，为继电保护装置、高压断路器控制回路以及通信装置等提供稳定、可靠的直流电源，对于当前变电站日常检修和维护发挥了重要作用。

关键词：便携式；继电保护；试验电源设计

引言

目前,各生产和使用单位在进行继电保护试验的时候,在试验电源的选择上,条件较好的一般会采用专用的继电器保护试验电源柜,条件有限也有采用交流直接接电网,直流用普通开关电源的情况。但是,不管采用何种方法,对试验电源本身的供电质量的在线监测工作其实是不够的。当然可以用手持式供电质量分析仪。国外的产品,如美国FLUKE公司的F43、瑞士莱姆的AN2060等,此类仪器性能先进,测量功能齐全,适用范围广,但价格昂贵,对使用者也有一定的专业要求,不适合大范围的推广。国内相关的产品也很少见,所以需要开发一种能够专门针对继电保护试验电源的性能指标要求,具备实时测量、显示、报警等功能,能够比较精确及时地反映出进行继电保护试验时的电源情况的便携式监测仪。

1新型多功能继电保护测试平台车

针对实际现场检修工作存在的问题，以及继电保护测试仪等现场所需大件试验仪器和小车的结构特点，通过对安全性、可操作性、实用性等方面的综合分析，设计和研制了多功能测试平台车。为了确保所设计的装置能达到预期效果，需经历现场勘查资料查询、尺寸确定图纸绘制、加工制作、现场试用总结4个阶段。在尺寸确定图纸绘制阶段，通过网上查询、设计手册查阅和厂家讨论，在进行了大量的数据分析和对比研究后，确定继电保护测试平台车的具体研制方案。完成平台车设计方案后，与加工厂家深入交流和沟通，对多功能继电保护测试平台车进行进一步的改进和完善。产品图纸确定后，加工厂家对多功能继电保护测试平台车进行整体制作和焊接。

2模块简述

试验电源需要满足继电保护试验现场的以下要求：变电站内220kV及以下电压等级线路和主变压器保护装置静态功率通常小于100W，因此便携式继电保护试验电源要求能够满足额定功率150W的长时运行条件；为避免交流电压波动对保护装置的影响，试验电源的输入电压设计为AC175～265V/50Hz；当前变电站内继电保护设备常用220V直流电源，因此本试验电源设计的输出电压为DC220V，输出电压误差≤±0.5%，电压纹波≤0.5%；此外开关机构分合过程中由于分闸、合闸线圈瞬间涌流功率可能达到数百瓦，直流电压出现较大的跌落可能导致开关拒动等，因此本装置要求可以承受20ms的1000W瞬时功率。

2.1整流模块

整流模块将交流电转换成稳定的直流电，为减小设备体积及适应一定范围的交流电压输入，采用LLC串联谐振变换器作为整流模块拓扑，通过合理设计谐振频率，不仅能够保证整流模块的高变换效率，还能满足宽动态交流电变化范围，适应现场多变的工作条件。对于整流模块输出电压的选取，提高整流模块输出电压能够有效减小后级升压模块的升压比，提高升压模块效率，然而当试验电源承受瞬时负载冲击时，要求输出直流电压波动在允许范围内，因此整流模块的输出电压只能略高于充电器模块的浮充电压。综上所述，整流模块输出电压为DC29V。

2.2升压模块

升压模块将低压直流电转换为稳定的220V直流电输出供继电保护设备使用，对于其输出电能稳定性具有较高的要求。在交流电供电模式下，模块输入电压为整流模块的输出电压DC29V；电池供电模式时，模块的输入电压为电池的端电压，两节蓄电池串联供电时最低工作电压为DC21V，因此设计升压模块的输入电压范围为DC21～29V。升压模块需要长期承受低压大电流的工况，对功率器件的选择较为苛刻。综合稳定性和转换效率的角度考虑，选取推挽变换器作为升压模块拓扑，两个一次侧开关管轮流导通，减小器件的电流应力。

2.3充电器模块

合理的蓄电池充电方式能够有效提高蓄电池的使用寿命，因此独立的充电器模块既能够优化蓄电池充电方式，同时还能在试验电源承受瞬时冲击时提供一部分临时功率。充电器模块采用三段式充电，当蓄电池电量较低时采用恒流快速充电，当监测到蓄电池电压接近预设电压时切换为恒压充电，在达到规定延时时间后进入浮充状态。为满足便携性要求，采用2节12V/24A·h蓄电池串联，充电器的充电功率一般在100W左右，可以选用单管反激式高频变换器作为充电器模块拓扑，该拓扑结构简单，易于实现。

3测试数据

根据前文所述研制出一台150W的便携式继电保护试验电源，并进行关键参数测试，得到各模块的关键波形及数据。如图1所示，iL、vgs、vAB和vds分别为LLC谐振变换器的谐振电感电流、一次侧开关管同一个桥臂的驱动电压波形、桥臂中点电压和开关管的漏源电压波形。在额定功率下电感电流呈正弦波形，一次侧开关管实现ZVS（零电压开通)，二次侧二极管实现了ZCS（零电流关断），有效减少了开关损耗，保证了整流模块的效率。

如图2所示，vds、vgs分别为DC/DC模块一次侧开关管的漏源电压和驱动电压波形。

图3a中，分别对应整流模块输入电压为AC180V、AC220V和AC260V效率曲线，在全电压范围内能够保持90%以上的转换效率，其中峰值效率达到93.8%。图3b中，分别对应升压模块输入电压为23VDC、26VDC和29VDC效率曲线，峰值效率接近90%。

图4为该试验电源在交流供电模式下和蓄电池供电模式下开关机构分合闸时的输出电压和电流波形，涌流峰值为4.5A，输出电压跌落范围在±20%以内，保护装置正常运行，能够满足断路器控制电源在80%正常电压下分合设备的要求。此外，该试验电源满足负载调整率<1%，纹波≤300mV，在环境温度55℃下能够长时间运行，具有较高的稳定性。

结语

根据继电保护现场试验及新设备调试要求，设计了一套安全可靠、灵活便携的继电保护试验电源装置，满足当前各种分散小型继电保护试验作业的需要。不仅能够作为设备的长时间供电电源，同时能够承受短时性瞬时负载，满足了开关分合闸时的动态特性要求。试验数据表明，该电源能够满足各项设计指标要求，为继电保护装置提供安全可靠的电能保证。本方案采用模块化设计，结构简洁，功能完善，便携方便，对于变电站小型试验电源应用场合具有良好的发展前景。

参考文献

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