摘要：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;瞬时功率;
1 通过采用高频开关电源模块，能够有效地减小试验电源的体积和重量，如图1所示，本设计主要包含4个功率模块，分别是将交流电变换为直流电的整流模块、直流电升压模块、蓄电池充电器模块及蓄电池模块。
根据试验现场供电情况以及不同的负载特性要求，继电保护试验电源有以下工作方式。
1) 方式1。长时供电模式，主要针对继电保护装置正常运行时供电，供电方式如图2a所示。交流电通过整流模块和升压模块输出稳定的直流电供保护装置使用，同时交流电经充电器对蓄电池模块充电。
2) 方式2。瞬时供电模式，供电方式如图2b所示。当负载突然增大使整流模块输出电压被瞬间拉低，如果低于蓄电池电压，负载将由交流电经整流模块、充电器模块以及蓄电池模块共同供电，使得输出直流电电压跌落在允许范围内。
3) 方式3。蓄电池供电模式，供电方式如图2c所示。当现场出现交流电异常时，整流模块无输出，蓄电池模块通过升压模块输出直流电供二次设备使用。
通过合理地设计整流模块输出的电压，使其在长时间供电时电压略高于蓄电池电压，让蓄电池处于热备用状态，当试验电源承受短时性冲击负载时，由于整流模块输出电压出现跌落，使得蓄电池和充电器能够同时为升压模块提供负载所需的功率，有效防止了试验电源出现较大的电压跌落而影响保护装置的正常运行及断路器无法分合闸的情况。
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220 k V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100 W，因此便携式继电保护试验电源要求能够满足额定功率150 W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AC 175～265 V/50 Hz;当前变电站内继电保护设备常用220 V直流电源，因此本试验电源设计的输出电压为DC 220 V，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20 ms的1 000 W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DC 29 V。
2.2 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12 V/24 A·h蓄电池串联，充电器的充电功率一般在100 W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。
2.3 升压模块
升压模块将低压直流电转换为稳定的220 V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DC 29 V;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DC 21 V，因此设计升压模块的输入电压范围为DC 21～29 V。
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。
3 测试数据
根据前文所述研制出一台150 W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。
此外，该试验电源满足负载调整率<1%，纹波≤300 mV，在环境温度55℃下能够长时间运行，具有较高的稳定性。
4 结束语
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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[2]杨子靖，卢其威，王多伦，等.基于DSP数字控制电力操作电源的开发[J].电力电子技术，2010，44 (7) :73-75.
论文作者:魏翔
论文发表刊物:《中国电业》2019年第10期
论文发表时间:2019/9/11
标签：模块论文; 电压论文; 蓄电池论文; 电源论文; 直流电论文; 交流电论文; 充电器论文; 《中国电业》2019年第10期论文;