大功率电源整流柜过压检测及保护方法

大功率电源整流柜过压检测及保护方法
李令鹏　左　英　王泽京
（中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所）
摘　要：由于大功率电源整流柜不能有效进行过压检测和保护，导致广播电视通信信号不能准确有效传输，本文研究基于大功率电源整流柜过压检测及保护方法。

通过数字滤波法采集模拟大功率电源电压信号，将信号值数字化处理实现系统状态的无扰动变化；结合ＢＯＤ板过压检测，开启电压状态取得稳定电压值，减少电路功能消耗；通过计数器法触发与保护整流柜内脉冲，来保证同步信号正常时继续进行相序检测完成过压检测及保护任务。

实验结果表明，本文方法对于大功率电源整流柜的过压检测准确，保护更有效及时。

关键词：大功率电源；整流柜；检测方法；保护方法
０　引言
随着信息技术的不断发展，大功率电源担负着为
后续逆变电源提供稳定，足够功率的重要作用。

并且
向着全数字智能化与标准化的目标前进，向着绿色环
保的方向发展。

大功率电流的功能控制系统要求智能
控制核心，在通信网络能够对系统运行参数和控制命
令进行实时检测，完成处理和保护［１］。

然而，在现实
中对于传统方法的大功率整流柜，电子设备部件因为
通常带有设备自身的热量，又或多或少接触了电阻累
积产生的过压问题通常使得电压检测不及时，无法及
时完成故障自动诊断，容易发生击穿等事故使得结果
无法达到预期。

随着大功率电源环境越来越复杂，现
阶段选取大功率电源整流柜，结合实际进行综合处理
和分析。

１　大功率电源整流柜过压检测及保护
１ １　数字滤波法采集模拟大功率电源电压信号
电磁各项干扰后各项模拟信号，电流信号干扰严
重，采集所得到的信号失真率上升，采用数字二阶低
通滤波器滤去高次干扰信号脉冲，其传递函数如式
（１）所示：
ｋ（ｐ）＝１
１＋Ｒ
ＡＤ·ｐ＋（Ｒ
ＡＤ·Ｐ
）２
（１）
对控制核心ＤＳＰ采样周期进行有效缩短，如每隔３ｍｓ进行采样，完成一定数量的采集后进行均值运算，并及时进行处理和输出，这样得到的实际进行处理的采集信号值准确性高、波纹小，采样时间常数ＴＡＤ取对应的数值，将其进行数字化处理，根据系统给定值和系统的实际输出值构成的偏差为：
ｇ（ｔ）＝ｙ（ｔ）－ｖ（ｔ）（２）式中：ｙ（ｔ）为系统的自定义值；ｖ（ｔ）为实际输出值。

通过线性组合的关联，得到控制的电压达到控制值，其控制规律为：
ｗ（ｔ）＝ｋ
ｐ
［ｇ（ｔ）＋
１
Ｔ
ｄ
∫ｉ
０
ｇ（ｔ）ｄｔ］（３）
式中：Ｔ
ｄ
表示控制器的输出；ｇ（ｔ）为调节器的输
入；ｋ
ｐ
为控制系数［２］。

实时行校正的反应系统采集的
偏差信号值ｇ（ｔ），随着ｋ
ｐ
值的减少而保持不变，同
时系统闭环的变压量增大，响应速度变快，但是当ｋ
ｐ增加到一定程度，控制系统将根据具体的变压值变化
而发生一定波动。

因此ｋ
ｐ
值要在系统调试过程中采取适当的值。

当系统偏差存在时候，调试设备才有电压量输出，所以系统会产生相对误差。

消除系统的静
态误差强弱通常在完全常数ｑ
１
，通常在ｋ
ｐ
不变的情
况下，ｑ
１
越小，积分环节对系统影响越强，闭环系统的超调量就越大［３］。

采集信号的增量按照采集到的参数增量推导出相应的ＰＩＤ控制算法为：
Δｐ（ｌ）＝ｋ
ｐ
Δｇ（ｌ）＋ｋ
ｇ
（ｌ）（４）在系统调试过程中，对参数值不需要再作累加计算，ＰＩＤ控制器输出值ｐ（ｌ）要设定在一个限定范围内，由于ＤＳＰ输出的是增量值，以防因为积分环节时间限制不同，对系统发出修改指令时引起的系统快速变化带来的振荡，采集到参数增量实现系统状态的无扰动变化。

１ ２　ＢＯＤ板过压检测
当在ＢＯＤ板（过压检测板）的高压区施加高压时候，如果施加的高压发生波动，一旦使击穿二极管Ｄ６两端的电压大于８００Ｖ，Ｄ６就会被击穿导通，这时
Ｕ７单稳态触发器就会触发产生一个脉宽４４ｍｓ脉宽的的暂稳态波，暂稳态波的脉宽时间是可以通过调整电
路中Ｒ
Ｃ的参数值而发生变动的［４］。

上述的８００Ｖ电压是由击穿二极管Ｄ
６的型号决定的，通过调整击穿二极管的型号即可调节击穿电压值，其二极管示意图如图１所示。

图１
　ＢＯＤ原理图 由于击穿二极管受制作工艺等方面的影响，击穿二极管的击穿电压的标称值与实际击穿的电压值有一
定的误差，比如Ｄ
６击穿二极管的误差范围为±５０Ｖ，通过调节原理图中的Ｒ
１５的阻值可以对击穿二极管的实际击穿电压值进行微调［５］。

根据二级管的输出特性，当Ｂ
ＯＤ元素保持一定时，在特定温度的条件下，温度系数与能量系数之间存在自然对流关系。

当Ｒ＜ＲＤ时，能量系数等于７００，端口关断，呈现高阻态；当Ｒ＞
ＲＤ时，端口开始导通，能量系数值缓慢增大，与温度系数值逐渐呈现出线性倍数关系，这种线性关系的斜率称为跨导。

温度系数值的取值要适当，能量
系数值最大通常取２
０Ｖ，其输出特性公式为：ｈｍ＝
ΔＩｒ
ΔＵｖ
（５）
在有源区的温度系数值受能量系数值的影响，温度系数值与能量系数值呈线性变化，此过程主要由二级管起主导作用，有源区的电压消耗量大，功率高，
对于梯形波电流的单个Ｂ
ＯＤ元件的每脉冲能量［６］。

ＥＰ必须乘以总能量的元素数。

对于指数衰减电流脉冲的单个Ｂ
ＯＤ元件的每脉冲能量。

ＥＰ必须乘以总能量的元素数。

同时在Ｔｖｊ＝１２５℃下的开启状态电压。

观察瞬态热阻情况，保护晶闸管，防止正向过电压，
其公式为：
ＶＢＯ（Ｔｖｊ）＝ＶＢＯ，２５℃［１＋ＫＴ（Ｔｖｊ－２
５°Ｃ）］（６）计算环境温度ＩＸＢＯＤ１－３０Ｒ，环境温度Ｔａ＝
６０℃，指数衰减电流ＩＴＭ＝４０Ａ，脉冲宽度为２μｓ，脉冲频率为２Ｈｚ，工作频率为５０Ｈｚ和自然对流下的最
大结温度，得到每个脉冲的能量值为Ｅｐ１＝６×
１０－３Ｗｓ，对于模块ＩＸＢＯＤ１－３０Ｒ，单个ＩＸＢＯＤ元素
的数量为ｎ＝３，在自然空气冷却时，热阻结与环境
的温度为ＲｔｈＪＡ＝
２０Ｋ／Ｗ，且未知温度可计算为：ＴＶＪｍａｘ１＝Ｔａ＋ｎ·ｆ·Ｅｐ·ＲｔｈＪＡ＋Ｋｐ·Ｅｐ
（７）
如果遵循这些稳态条件，ＩＴＭ＝
６０Ａ和脉冲宽度为４μｓ的过载１
ｍｉｎ，则产生的最大结温度计算如下：ＴＶＪｍａｘ２＝ＴＶＪｍａｘ１＋Ｋｐ·（Ｅｐ２－Ｅｐ１
）（８）
由公式得到Ｅｐ的温度值决定的相对稳定条件，
因为最大允许结温度ＴＶＪＭ＝
１２５℃。

对于给定的脉冲宽度ｔＢ，所允许的反向电流的最大峰值，是快速恢复串联二极管的必备条件。

改进后的有源钳位电路，在
推挽电路前减少了一条电源回路，通过优化改进单元，ＴＶＪ的击穿电流ＩＴＭ不仅可以直接回流到系统的效果位上，同时引入到推动前级，ＴＶＪ将击穿电流放大后再送至系统的门极能量系数值取得的效果更好，使得电压更稳定，同时余出一个电源回路，使电路功耗降低，性能提升。

１ ３　计数器法触发与保护整流柜内脉冲
采取阵列式双窄脉冲触发方案实现对二级管的触发控制。

大功率电压将驱动脉冲参数发送给计数器触发器后，由计数器触发器产生移相触发脉冲，获得触发和保护时间，将计数器法对接入的三相变流电源的
同步信号进行减压处理，用以确定触发脉冲与输入主路交流电源的对应关系。

当计数器法采集到信号数据有相对限制时，存储角度的编辑器自动更新内容，同时计数器重新开始计数并逐渐增大展开保护，当计数器的数值增大到一定数值时，即编辑器内数值相等时，产生出脉冲。

每周期内移相角度的更新就会产生保护电流的单脉冲波形。

根据信号发出的所有脉冲信息，通过相序自适应及脉冲平行进行分析后，通过所有波形进行触发。

脉冲的保护机制可以将整流柜中计算传递的控制角度转换为实际的触发脉冲的时间间隔，实现驱动脉冲与三相电流相位的同步对应关系。

针对叠桥相移整流电源拓扑，不同的触发变压器接入的二级管整流柜，对应不同的限制角度。

所以不增加同步电路的前提下需要对一组基准脉冲波形进行移相，才能满足多组二级管整流桥的触发需求。

采取基准角度为４５°。

当形状数据为２时，计数器开始工作，同时接入电源，同步模块相互的顺序是Ｓ，Ｄ，Ｋ的正相关顺序，通过三种相关顺序，正弦交流电信号为三种同步保护模块接入计数器法的同步方波信号为三种Ｓ，Ｄ，Ｋ模式。

通过驱动信号对应多种晶体二级管，脉冲发生程序中产生１号二级管的双窄触发脉冲的第二个脉冲时，复制该通道输出到５号二级管脉冲发生通道，实现发出４号二级管的双窄触发脉冲的第一个脉冲，接下来当脉冲发生程序产生５号二级管的双窄触发脉冲的第二个脉冲时，对应复制产生７号二级管的双窄触发脉冲的第一个脉冲。

故障工况下进行大功率电压数据返回，确定同步信号正常后进行相序检测。

２　实验测试与分析
２ １　搭建实验平台
使用两路隔离的正负１２Ｖ电源，１５Ｖ电源。

驱动电路板包括了驱动器及其外围电路，新型ＲＣ电路可控的电流放大器，处理器控制板使用的是ＤＳＰ＋ＣＰＬＤ控制板，方便编程和调试。

实验设备包括整流柜，大容量的二极管等，将这些元器件涂过散热硅脂后固定在散热板上，再通过粗铜导线连接起来，搭建硬件实验平台。

在电源的整流柜里设置一个过压检测板ＢＯＤ应用到一个电源系统中，ＢＯＤ板线路如图２所示。

通过高压线把ＢＯＤ板接到高压区端子接在一个由集成门极换流晶闸管，电阻及电容组成的泄能装置上。

通过增加开通脉冲时间，让ＢＯＤ板产生过流行为。

具体如图３所示。

过压检测板与整流柜里的泄能装置相连，一旦过压检测板检测到电压高于８００Ｖ时，泄能装置开始泄能进行保护。

图２　ＢＯＤ
线路板
图３　实验案例图
２ ２　实验结果与分析
ＢＯＤ板上的光口Ｕ５连接在一个控制板上进行光电转换，把光信号转换成电信号。

通过示波器可以看到Ｄ６击穿二极管的实际击穿数值，以及单稳态触发器的暂稳态脉冲时间。

ＢＯＤ板上的Ｕ５输出光口接在该泄能装置的接收光口上，当泄能装置两端的电压发生波动，一旦使ＢＯＤ板上的击穿二极管两端的电压超过击穿电压值，击穿二极管就会导通致使单稳态触发器触发，触发的脉冲信号通过ＢＯＤ板上的Ｕ５输出光口传递到泄能装置的接收光口上。

通过发现过压后关断的时间，可以检测出ＢＯＤ发生了过压行为如图４所示。

图４　过压行为
图４中显示检测到的电压过压时间为２ｓ，此时泄能装置接收到单稳态触发器的脉冲信号就会启动泄
能。

泄能的时间和单稳态触发器暂稳态的时间一致。

在发生过压行为前，也就是电压值为１
Ｖ，过压时间为１ ８ｓ时来开启保护，具体的保护行为如图５所示。

图５
　保护行为实验结果显示，Ｂ
ＯＤ板及时启动泄能装置完成保护。

另外Ｂ
ＯＤ上还有一个接收光口Ｕ３，该接收光口与一块控制板发送光口相连，当控制板上的发送光口
向Ｂ
ＯＤ板上的接收光口发送光信号时，通过光信号的传递，也会使泄能装置泄能，泄能的时间由程序控制。

以上这样就完成了对于大功率电源过压检测和保护行为。

３　结束语
本文从大功率电源过压检测和保护入手，探究了大功率电源整流柜过压检测及保护方法。

但是方法中还存在着不足，例如基础数据无法保持完整性，正确
性。

对于数据的采集和集成问题。

由于信号量差异等
影响数据准确性。

在以后的研究中应及时考虑定位诊断高价值设备类型，建立运行健康评价系统，提升对于故障诊断的精准性和预知性，做到有效及时的对于大功率电压整流柜的检测与保护，从而更完善此方法的研究。

参考文献
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（收稿日期：
２０２３ ０６ １４ ）（上接第１
８４页）（２）防坠器装置适用于任何形式的输配电杆塔，且安装在不同的部位，锁止功能并无明显差别。

（３）在人体下坠时，防坠器的锁止功能不受任何碰撞的影响，避免了自锁器滑出轨道或防坠器被碰撞失灵的现象。

（４）双重安全保障，作业人员更安全。

设置安全警示牌，对作业人员进行安全警示，有效制止误登杆塔。

设置固定支架，防止钢丝绳摆动，避免安全事件发生。

设置备用挂点，便于换钩，使用更方便。

发生坠落时，有效制动，防止人员伤害。

６　结束语
防坠落装置的设计和应用为输电线路高空作业人
员提供了一种安全、高效的防护载体，从根本上有效防止了高空作业人员坠落伤亡事故的发生，提高了作业效率，减轻了一定的工作强度，使高空作业的安全性大大增加。

参考文献
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（收稿日期：
２０２３ ０６ ０７）。