0 引言
氧化鋅非線性電阻是一種壓敏電阻器，用于電力系統保護已有30多年的歷史了，它具有保護效果好，節能、價廉等一系列優點，因此，在發電機轉子過電壓保護，剩磁吸收，及避雷器中有著不可替代的保護作用[1][2]。由于電力系統中感性元件的存在，電力設備中故障電流出現時將導致嚴重的過電壓現象，因此，抑制過電壓對設備和操作人員的安全都是極為重要的[3]。隨著我國電力事業的迅猛發展，電網容量不斷擴大，發電機的單機容量也越來越大，為保證電網的安全運行，對發電機的快速滅磁，過壓保護越來越重要。
ZnO電阻的能容量大，通流性能好，可以起到快速滅磁的作用。而ZnO電阻結構的均勻程度對其能容量有直接影響，均勻度差會降低其對能量的吸收能力。測試電源系統就是要模擬ZnO快速滅磁時所吸收的瞬間能量，并監控ZnO電阻的工作情況，得出測試結果和參數。
1 電路基本原理
測試電源由整流、換向、放電三部分組成，如圖1所示。三相交流電通過整流橋對電抗器L進行充電，L充電完成后換向電路（圖1中K）動作，使L與整流橋斷開并對ZnO非線性電阻放電，完成測試。電抗器L是整個電源的核心，其合理設計對測試電源的性能有決定性作用。因此，電抗器設計是測試電源設計的核心。
圖1 原理圖
2 電抗器L優化設計
原理圖中的直流電源由380V三相電整流得到，即
Ud=1.35U2Lcosα（1）
電抗器中存儲的能量（即被測電阻閥片的能容量）為
W=(1/2)LI2（2）
式中：I為被測電阻閥片的短時間可以承受的電流。
電抗器的電阻為
RL=Ud/I（3）
由式（1）～式（3）可得出設計電抗器所需參數L和RL。
如果以W=20kJ，I=200A，設計電抗器，則由式（1）～式（3）可得L=1H，RL=2.55Ω。
在設計電抗器的過程中要考慮很多方面的因素，為保證電源滿足測試要求，取L>1H，RL<2.4Ω。我們首先采用矩形截面的設計，經過多次試驗后發現，很難滿足要求，于是就改用了正方形截面的設計，最終設計出了滿足要求的電抗器。電抗器線圈截面圖如圖2所示。
圖2 電抗器線圈截面圖
2.1 導線型號的選取
采用BVR型導線，參數如下：
橫截面積S=35mm2；
導線最大外徑dm=12.5mm；
導線電阻率ρ=0.0217×10－6Ω·m；
線圈繞制系數K=1.05；
取線圈的軸向層數和徑向匝數相等，徑向匝數取32匝，故
線圈匝數N=32×32=1024；
軸向高度a=12.5×32×1.05=420mm=0.42m；
徑向寬度b=12.5×32×1.05=420mm=0.42m；
線圈內徑d1=0.76m；
線圈平均直徑d=d1＋b=0.76＋0.42=1.18m；
線圈總長l=πdN=π×1.18×1024=3796m（取3800m）；
線圈電阻R1=ρl/s=0.0217×10－6×3800/35×10－6=2.356Ω。
2.2 檢測電感值是否滿足要求
電感的計算公式如下：
L=
N2dΦ（4）
式中：Φ為由線圈結構決定的系數，可從電感計算手冊中查得Φ=16.26；
N為線圈匝數；
d為線圈的平均直徑；
μ0為空氣的導磁率，它的值是4π×10－7。
則線圈電感為
L=
N2dΦ=
×10242×1.18×16.26×10－7=1.006H，
線圈電感滿足要求。
3 換向電路原理
換向電路如圖3所示，要求當電抗器L充電完成后即直流側電流達到I時，切斷主電路，讓電抗器對氧化鋅電阻閥片放電。換向電路中采用LC振蕩電路反向阻斷晶閘管的辦法。
圖3 換向電路電路圖
當L充電完成之后，通過二次側的邏輯控制使繼電器ZJ動作，V3關斷，V2導通，此時正向電流存在V1仍導通，L1與C所組成的振蕩電路開始振蕩，電容C開始通過L1放電，其電流方向與主電路電流相反，當流過V1的電流值降為0時，V1將被強制關斷，換向過程結束。這就要求C要先于L完成充電。
由于電抗器L時間常數τL=L/RL，充電時間t≈4τL。則電容器C時間常數取τC=τL/4=R1C。
為保證振蕩電路可靠阻斷主電路，其峰值振蕩電流取1.5I，即
ImL1C=Ud/ωL1
振蕩電路頻率ω=1/
L1=CUd2/ImL1C2
圖3中R5是一個對主電路進行過壓保護的氧化鋅非線性電阻，其電壓等級高于待測電阻。待測非線性電阻故障時，R5可限制電抗器兩端的高電壓。
4 試驗
為驗證上述測試電源系統的可行性，進行了試驗，試驗電路參數如下：
1）被測氧化鋅電阻閥片能量W=20kJ；
2）測試電源直流側電流I(>=)200A；
3）電抗器的電氣參數L(>=)1H，RL(<=)2.55Ω；
4）換向電路L1=0.43mH，C=150μF，R1=550Ω。
試驗表明，直流側電流達到200A時，交流側電流幅值為245A，據此整定交流側的電流互感器，使電流繼電器動作，控制電路驅動繼電器ZJ動作，L1C振蕩電路開始強制換向。測試表明電容C先于L完成充電，并且其反向振蕩電流可以強制關斷晶閘管，斷開主電路，強制換向能夠順利進行，使電抗器能量注入氧化鋅非線性電阻閥片，可以完成測試。
圖4為換向電流圖。圖5為電抗器電流圖。
圖4 換向電流圖
圖5 電抗器電流圖
5 結語
經過試驗，此電源達到了測試氧化鋅非線性電阻器的要求，測試結果與計算比較吻合，通過調整參數，可調節系統的工作情況。該測試系統切實可行，結構合理簡單。