氧化锌非线性电阻测试电源系统

氧化锌非线性电阻广泛用于电力系统过压保护和浪涌能量吸收。研究了一种对其进行测试的电源。测试电源用容量电抗器来提供非线性电阻测试所需要的浪涌能量。试验结果表明，测试电源工作可靠，能完成对氧化锌非线性电阻的有效测试。

关键词：非线性电阻；测试电源；能容量

0 引言

氧化锌非线性电阻是一种压敏电阻器，用于电力系统保护已有30多年的历史了，它具有保护效果好，节能、价廉等一系列优点，因此，在发电机转子过电压保护，剩磁吸收，及避雷器中有着不可替代的保护作用[1][2]。由于电力系统中感性元件的存在，电力设备中故障电流出现时将导致严重的过电压现象，因此，抑制过电压对设备和操作人员的安全都是极为重要的[3]。随着我国电力事业的迅猛发展，电网容量不断扩大，发电机的单机容量也越来越大，为保证电网的安全运行，对发电机的快速灭磁，过压保护越来越重要。

ZnO电阻的能容量大，通流性能好，可以起到快速灭磁的作用。而ZnO电阻结构的均匀程度对其能容量有直接影响，均匀度差会降低其对能量的吸收能力。测试电源系统就是要模拟ZnO快速灭磁时所吸收的瞬间能量，并监控ZnO电阻的工作情况，得出测试结果和参数。

1 电路基本原理

测试电源由整流、换向、放电三部分组成，如图1所示。三相交流电通过整流桥对电抗器L进行充电，L充电完成后换向电路（图1中K）动作，使L与整流桥断开并对ZnO非线性电阻放电，完成测试。电抗器L是整个电源的核心，其合理设计对测试电源的性能有决定性作用。因此，电抗器设计是测试电源设计的核心。

图1 原理图

2 电抗器L优化设计

原理图中的直流电源由380V三相电整流得到，即

Ud=1.35U2Lcosα（1）

电抗器中存储的能量（即被测电阻阀片的能容量）为

W=(1/2)LI2（2）

式中：I为被测电阻阀片的短时间可以承受的电流。

电抗器的电阻为

RL=Ud/I（3）

由式（1）～式（3）可得出设计电抗器所需参数L和RL。

如果以W=20kJ，I=200A，设计电抗器，则由式（1）～式（3）可得L=1H，RL=2.55Ω。

在设计电抗器的过程中要考虑很多方面的因素，为保证电源满足测试要求，取L>1H，RL2.4Ω。我们首先采用矩形截面的设计，经过多次试验后发现，很难满足要求，于是就改用了正方形截面的设计，最终设计出了满足要求的电抗器。电抗器线圈截面图如图2所示。

图2 电抗器线圈截面图

2.1 导线型号的选取

采用BVR型导线，参数如下：

横截面积S=35mm2；

导线最大外径dm=12.5mm；

导线电阻率ρ=0.0217×10－6Ω·m；

线圈绕制系数K=1.05；

取线圈的轴向层数和径向匝数相等，径向匝数取32匝，故

线圈匝数N=32×32=1024；

轴向高度a=12.5×32×1.05=420mm=0.42m；

径向宽度b=12.5×32×1.05=420mm=0.42m；

线圈内径d1=0.76m； [p]

线圈平均直径d=d1＋b=0.76＋0.42=1.18m；

线圈总长l=πdN=π×1.18×1024=3796m（取3800m）；

线圈电阻R1=ρl/s=0.0217×10－6×3800/35×10－6=2.356Ω。

2.2 检测电感值是否满足要求

电感的计算公式如下：

L=N2dΦ（4）

式中：Φ为由线圈结构决定的系数，可从电感计算手册中查得Φ=16.26；

N为线圈匝数；

d为线圈的平均直径；

μ0为空气的导磁率，它的值是4π×10－7。

则线圈电感为

L=N2dΦ=×10242×1.18×16.26×10－7=1.006H，

线圈电感满足要求。

3 换向电路原理

换向电路如图3所示，要求当电抗器L充电完成后即直流侧电流达到I时，切断主电路，让电抗器对氧化锌电阻阀片放电。换向电路中采用LC振荡电路反向阻断晶闸管的办法。

图3 换向电路电路图

当L充电完成之后，通过二次侧的逻辑控制使继电器ZJ动作，V3关断，V2导通，此时正向电流存在V1仍导通，L1与C所组成的振荡电路开始振荡，电容C开始通过L1放电，其电流方向与主电路电流相反，当流过V1的电流值降为0时，V1将被强制关断，换向过程结束。这就要求C要先于L完成充电。

由于电抗器L时间常数τL=L/RL，充电时间t≈4τL。则电容器C时间常数取τC=τL/4=R1C。

为保证振荡电路可靠阻断主电路，其峰值振荡电流取1.5I，即

ImL1C=Ud/ωL1

振荡电路频率ω=1/

L1=CUd2/ImL1C2

图3中R5是一个对主电路进行过压保护的氧化锌非线性电阻，其电压等级高于待测电阻。待测非线性电阻故障时，R5可限制电抗器两端的高电压。 [p]