在超高壓輸電線路中采用串補(bǔ)技術(shù)，利用串聯(lián)電容器的容抗補(bǔ)償輸電線路的部分感抗，可以大幅提升線路的輸電能力[1]。當(dāng)串補(bǔ)線路發(fā)生故障時(shí)，金屬氧化物變阻器(MOV)—氧化鋅壓敏電阻動(dòng)作并限制串補(bǔ)電容器兩端的電壓，以保護(hù)裝置的可靠運(yùn)行。火花間隙是用于保護(hù)MOV和電容器組的關(guān)鍵設(shè)備，這就對(duì)火花間隙運(yùn)行的可靠性提出了極高的要求。然而在實(shí)際運(yùn)行中，火花間隙多次出現(xiàn)誤動(dòng)情況，誤動(dòng)原因至今還未明確。例如在2007年7月11日，串補(bǔ)工程?hào)|三Ⅲ線B相發(fā)生區(qū)外單相接地故障，B相間隙在地面控制保護(hù)未發(fā)出觸發(fā)命令的情況下放電；間隙的自放電電壓整定值為270 kV(瞬時(shí)值)，從故障錄波圖中得到線路發(fā)生故障時(shí)的電容器組兩端瞬時(shí)電壓波形圖，如圖1所示，最高值為210 kV，遠(yuǎn)低于間隙自放電水平；故障期間火花間隙兩端的波形與工頻正弦平頂波[2]類似。

    火花間隙的這種自放電是否與過(guò)電壓波形相關(guān)以及相關(guān)程度需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)證。為了開(kāi)展火花間隙在工頻正弦平頂波電壓作用下的自放電特性研究，需要研制一臺(tái)能產(chǎn)生工頻正弦平頂波的大功率試驗(yàn)電源。
1 方案論證
    本文的方案是采用微處理器和大功率運(yùn)放芯片設(shè)計(jì)一種工頻正弦平頂波功率源，通過(guò)變壓器直接升壓的方式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生火花間隙放電所需的高壓工頻正弦平頂波，具體電路如圖2所示。工頻正弦平頂波功率源是主電路的重要組成部分，對(duì)整套試驗(yàn)電源的性能起著關(guān)鍵作用。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    本電源由信號(hào)發(fā)生器、功率放大、限流裝置和取樣反饋等部分組成。
    信號(hào)發(fā)生器采用AT89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)總體控制，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生峰值可調(diào)的工頻正弦平頂波，經(jīng)過(guò)濾波隔離后，再由基于PA52設(shè)計(jì)的功率放大器進(jìn)行電壓和功率的放大，并利用峰值檢測(cè)電路和A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
2.1 信號(hào)發(fā)生器
    國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的信號(hào)發(fā)生器大部分利用分立元件及模擬集成電路構(gòu)成，不僅體積大，而且可靠性和準(zhǔn)確度很難進(jìn)一步提高；只能產(chǎn)生規(guī)則波形，如方波、三角波和正弦波，無(wú)法滿足試驗(yàn)要求[3]。本文采用基于單片機(jī)設(shè)計(jì)工頻正弦平頂波信號(hào)發(fā)生器，如圖3所示，其優(yōu)點(diǎn)是具有很高的頻率穩(wěn)定度和電壓精確度。

    整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分為控制電路和數(shù)據(jù)處理電路兩大部分。控制電路以AT89C52單片機(jī)為核心，加上一些外圍電路組成，主要完成人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)接口、顯示信息以及控制數(shù)據(jù)處理電路工作等功能。數(shù)據(jù)處理電路主要包括波形輸出電路、幅值控制電路和濾波電路。
2.1.1 波形輸出電路
    D/A轉(zhuǎn)換的瞬間毛刺、非線性和數(shù)字噪聲已經(jīng)成為影響輸出波形精度的主要因素。因此在選擇D/A轉(zhuǎn)換芯片時(shí)除了字長(zhǎng)和轉(zhuǎn)換速度外，還應(yīng)該考慮D/A的非線性和噪聲特性。在綜合各方面因素之后選擇了TI公司的DAC1230，它將單片機(jī)的波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，然后和兩級(jí)放大器配合[4-5]，輸出±8 V的正弦平頂波波形。
2.1.2 幅值控制電路
    利用DAC0832內(nèi)部的電阻分壓網(wǎng)絡(luò),將其作為數(shù)控電位器使用。DAC0832的參考電壓采用AD581芯片提供精密的10.00 V，其輸出電壓為：
    V=(N/256)×10 V                     (1)
其中N為單片機(jī)輸入的幅度控制字。
    輸出電壓為DAC1230提供參考電壓，從而實(shí)現(xiàn)波形的幅值調(diào)節(jié)。
2.1.3 濾波電路
    以離散數(shù)字序列經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器有其固有的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有頻譜分量復(fù)雜、雜波多的缺點(diǎn)。在波形發(fā)生器中，濾波器起著保持有效分量、抑制雜波的作用。濾波器的設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)方面加以考慮，一是低通濾波器本身的傳輸特性，二是系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)。通過(guò)Matlab信號(hào)頻譜分析并結(jié)合實(shí)際測(cè)試效果，選擇截止頻率為500 Hz的一階無(wú)源低通濾波器，可以達(dá)到良好的濾波效果。
2.2 功率放大器
    DAC的輸出電壓和電流都比較低，不足以驅(qū)動(dòng)變壓器進(jìn)行升壓，因此要把電壓和電流進(jìn)行放大，即功率放大。功率放大器可以由分立元件組成，也可由集成電路實(shí)現(xiàn)。由分立元件組成的功放電路復(fù)雜且不易調(diào)試，可靠性和功率放大性能都不理想。集成功放中的集成厚膜器件參數(shù)穩(wěn)定、無(wú)需調(diào)整，信噪比較小，而且電路布局合理，外圍電路簡(jiǎn)單，還可外加散熱片解決散熱問(wèn)題。
    因此功率放大器的設(shè)計(jì)將采用APEX公司的集成功率放大芯片PA52，來(lái)提高裝置的可靠性和穩(wěn)定性。PA52內(nèi)部采用MOSFET管組成放大電路，具有低漂移、低噪聲及高轉(zhuǎn)換速率等特點(diǎn)；該芯片采用了共射共基放大電路結(jié)構(gòu)，且混合集成電路基于氧化鈹襯底厚膜電路、陶瓷電容和半導(dǎo)體芯片構(gòu)成，因而具有很高的可靠性、電絕緣性和高精度[6]。其最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)50 V/?滋s，最大峰值電流為80 A，最大內(nèi)部功耗為400 W，最大輸出電壓峰-峰值為200 V。
    功率放大電路采用雙級(jí)放大結(jié)構(gòu)，如圖4所示。電路中的功率放大芯片PA52的輸入失調(diào)電壓對(duì)電源系統(tǒng)的性能有很大的影響。輸入失調(diào)電壓是由運(yùn)算放大器內(nèi)部元件，尤其是輸入級(jí)的兩個(gè)晶體管特性不均衡引起的。PA52輸入失調(diào)電壓高達(dá)5 mV，為了實(shí)現(xiàn)電源的高精度，設(shè)置前置低壓誤差放大器OP07來(lái)獲得較小輸入偏置電壓，將輸入失調(diào)電壓降到75 μV以下。后置功率放大器PA52的目的是為了獲得大輸出功率特性。兩個(gè)放大環(huán)節(jié)串聯(lián)組成復(fù)合式負(fù)反饋放大電路，輸出電阻非常小，因此具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。

    PA52功率放大芯片提供了獨(dú)立的輸入級(jí)供電電源引腳±Vb和輸出級(jí)供電電源引腳±Vs，輸入級(jí)供電電源可以比輸出級(jí)高，從而使得輸出電壓接近電源電壓，獲得更大的功率[7]。
    D1、D2和D5、D6是高速開(kāi)關(guān)二極管，將運(yùn)放輸入端限制在0.7 V，對(duì)運(yùn)放起輸入保護(hù)作用。D3、D4和D7、D8是快速恢復(fù)二極管，可以使瞬態(tài)高壓信號(hào)通過(guò)二極管從電源旁路流向大地，從而保護(hù)功率放大器的輸出端。同時(shí)在電源旁路增加兩個(gè)瞬態(tài)抑制器（TVS），其反向電壓應(yīng)該略大于放大器正常工作峰值電壓，從而防止從快速恢復(fù)二極管流進(jìn)電源旁路的瞬態(tài)高壓信號(hào)對(duì)電源造成破壞[8]。
    R2、R5和R3、R4是反饋電阻，分別決定功率放大部分和PA52的放大倍數(shù)。反饋電阻為低溫漂的高精密電阻，使電路放大倍數(shù)準(zhǔn)確且變化較小。
    R1和C1構(gòu)成噪聲增益相位補(bǔ)償電路，R5并聯(lián)C2構(gòu)成反饋零點(diǎn)相位補(bǔ)償電路，來(lái)提高功率放大器的穩(wěn)定性。
2.3 電流限制
    限流裝置采用基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器ACS712，將采樣電流轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，并且可以很方便地調(diào)節(jié)過(guò)流信號(hào)臨界點(diǎn)，電流測(cè)量范圍可達(dá)±30 A[9]。它的基本原理是:當(dāng)通過(guò)ACS712引腳1和2到引腳3和引腳4的電流不斷上升時(shí)，ACS712引腳7的輸出電壓隨之不斷增加，當(dāng)大于比較器LM393引腳2設(shè)定的電壓值的時(shí)候，比較器LM393的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖剑琑S觸發(fā)器Q非端從高電平立刻變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)到引腳P3.2電平的下降沿，采取相應(yīng)的保護(hù)策略，立刻關(guān)閉信號(hào)發(fā)生器的輸出，功率放大器的輸出也隨之下降，輸出電流減小，從而起到限流作用。信號(hào)發(fā)生器關(guān)斷后，需要通過(guò)按鍵發(fā)出清除命令，信號(hào)發(fā)生器才可繼續(xù)工作。如圖5所示。

2.4 采樣反饋
    為進(jìn)一步提高輸出精度，本電源還增加了電壓閉環(huán)控制。對(duì)輸出電壓值進(jìn)行電阻分壓后，再用峰值檢測(cè)電路獲得平頂波電壓的峰值，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，得到電壓反饋值Vf。單片機(jī)比較電壓給定值Vp和反饋值Vf計(jì)算出誤差，采用數(shù)字增量PID算法進(jìn)行控制，改變控制器輸出值，使輸出電壓幅值做相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)電壓源的閉環(huán)控制。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    圖6給出了輸出電壓波形，最大幅值為80 V。從圖中可以看出波形無(wú)交越失真，非線性失真小。

    從表中可見(jiàn)，輸出電壓存在0.5%左右的誤差。原因在于D/A的轉(zhuǎn)換誤差和功率放大電路受外界噪聲干擾引起的輸出電壓幅值的波動(dòng)。輸出頻率的偏差則主要受晶振的穩(wěn)定性和印制電路板對(duì)系統(tǒng)電路的影響。
3.2 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試
    為衡量電壓源的動(dòng)態(tài)性能，在電壓源運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)地投入或切除負(fù)載(大功率電阻) ，并逐個(gè)記錄電壓幅度值。表2為給定輸出電壓幅值為80 V時(shí)，不同負(fù)載對(duì)應(yīng)的實(shí)際電壓值，由該表可知在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓均能保持0.375%的穩(wěn)定度。

    本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于基于單片機(jī)控制，設(shè)計(jì)了工頻正弦平頂波功率源，輸出電壓可以根據(jù)需求在輸入面板上鍵入數(shù)值，實(shí)現(xiàn)輸出電壓任意調(diào)節(jié)，并且電壓波形精度高；運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能耗小，可以長(zhǎng)期運(yùn)行。該功率源最大輸出功率可達(dá)上千瓦，完全滿足火花間隙測(cè)試要求；實(shí)用價(jià)值高，只需修改代碼即可成為能產(chǎn)生任意波形的電壓功率源。
參考文獻(xiàn)
[1] 周孝信，郭建波，林繼明，等．電力系統(tǒng)可控串聯(lián)補(bǔ)償[M]． 北京：科學(xué)出版社，2009．
[2] 中國(guó)電力科學(xué)研究院．串補(bǔ)裝置火花間隙誤動(dòng)作調(diào)研報(bào)告[R]．北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2009．
[3] 潘景良．程控任意波形功率驅(qū)動(dòng)電源的研制[D]．南京：南京理工大學(xué)，2004．
[4] 呂勇軍．應(yīng)用大功率PA03的程控三相功率源[J]．電源技術(shù)應(yīng)用，2004，13（10）：35－38．
[5] 張玉寶，曹會(huì)云，張濱．基于單片機(jī)的數(shù)控恒流源的設(shè)計(jì)[J]．電測(cè)與儀表，2011，48(546)：75-78．
[6] Apex Microtechnology Corporation.Power oprational amplifiers[EB/OL]．[2011-03-08].http://www.apexanalog.com/wpcontent/uploads/2012/08/apexpoweropamps_0811-2.zip.
[7] Apex Microtechnology Corporation.General operating considerations[EB/OL]．[2012-10-22].http://www.apexanalog.com/wp-content/uploads/2012/10/AN01U_J.pdf.
[8] Allegro Microsystems Corporation.ACS712 datasheet[EB/OL]．   [2006-07-25].http：//www.allegromicro.com/searchresults.aspx?q=ACS712-Datasheet．