摘要：直流高壓電源在制造及使用的過(guò)程中經(jīng)常由于放電打火產(chǎn)生突變輸出而損壞電源內(nèi)部器件，進(jìn)而造成頻繁的維修更換。為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種用于直流高壓電源的放電打火保護(hù)電路，可通過(guò)互感原理檢測(cè)電源電路中出現(xiàn)的放電打火故障，并由保護(hù)電路產(chǎn)生放電打火信號(hào)，使可控硅與繼電器工作，通過(guò)減法器電路實(shí)現(xiàn)高壓電源輸出的突變抑制，從而使得高壓電源輸出維持在安全電壓值，并且可通過(guò)繼電器調(diào)節(jié)抑制持續(xù)時(shí)間，時(shí)間結(jié)束后電壓自動(dòng)恢復(fù)到初始設(shè)定值。結(jié)果表明，放電打火檢測(cè)裝置電路結(jié)構(gòu)合理、靈敏可靠，在實(shí)現(xiàn)放電打火保護(hù)功能的同時(shí)滿足自恢復(fù)要求，為電源電路系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：直流高壓電源; 放電打火; 自恢復(fù); 繼電器

中圖分類號(hào)：TM81文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.16735862.2024.02.008

CUI Song LYU Yan CHEN Lanfeng DENG Yufu SHEN Ziyue ZHOU Renhui MENG Dechuan MA Yue WANG Erhu WU Haonan

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

（1. College of Physics Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. Ray Instrumentation Professional Technology Innovation Center of Liaoning Province， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 3. Experimental Teaching Center， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：In the process of manufacturing and use of DC highvoltage power supply， the internal devices of the power supply are often damaged by the abrupt output caused by the discharge ignition， and then the frequent maintenance and replacement are caused. In order to solve this problem， a discharge ignition protection circuit for DC highvoltage power supply is designed in this paper， the circuit detects the discharge ignition fault in the power supply circuit through the mutual inductance principle， and generates the ignition signal through the protection circuit. The thyristor is turned on and the relay works. The subtraction circuit is used to realize the mutation suppression of the highvoltage power supply output， so that the highvoltage power supply output is maintained at the safe voltage value. The suppression duration can be adjusted by the relay， and the voltage can be automatically restored to the initial set value after the time is over. The experimental results show that the discharge ignition detection device is sensitive， and the circuit meets the selfrecovery requirements while realizing the discharge ignition protection function. The circuit structure is reasonable， sensitive and reliable， which provides an effective guarantee for the safe operation of the power supply circuit system.

Key words：DC highvoltage power supply; discharge ignition; selfrecovery; relay

直流高壓電源是一種將工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流高壓輸出的電能轉(zhuǎn)換裝置，在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、軍事與科學(xué)等越來(lái)越多的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著直流高壓電源的普及，電源的安全性受到了廣泛關(guān)注。為了提升安全性能，需要為高壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)保護(hù)電路，保護(hù)電路的可靠性直接決定了高壓直流電源本身及負(fù)載的安全性。在高壓電源的研制、生產(chǎn)及使用過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)放電打火故障，主要是由電源長(zhǎng)時(shí)間未工作后開(kāi)機(jī)或者電源在潮濕的環(huán)境下工作造成的。放電打火的其他故障原因包括：電容耐壓不夠及變壓器中絕緣油質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的高壓電源內(nèi)部組件放電打火；灌封工藝中引入的氣泡也可能導(dǎo)致高壓器件內(nèi)部絕緣中發(fā)生局部放電［13］。高壓靜電吸附作用導(dǎo)致電源中存在灰塵的堆積，也會(huì)造成電源中絕緣器件的耐壓性降低。若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電源電路中的放電打火故障并排除故障帶來(lái)的危害，會(huì)使高壓電源存在嚴(yán)重的安全隱患［4］ 。因此，在直流高壓電源系統(tǒng)中，放電打火檢測(cè)與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是必不可少的。

基于直流高壓電源電路中的放電打火現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種可用于電源直流供電電路前端以及高壓采樣端的放電打火保護(hù)電路，包括放電打火檢測(cè)、放電打火保護(hù)及電壓自恢復(fù)等。結(jié)果表明，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)且安全可靠，可為直流高壓電源的正常工作提供有力保障。

1放電打火保護(hù)電路工作原理

放電打火保護(hù)電路由保護(hù)電路和自恢復(fù)電路兩部分組成，電路整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，電路原理圖如圖2所示。電路運(yùn)用互感原理通過(guò)磁環(huán)來(lái)檢測(cè)電源中的放電打火故障，放電打火發(fā)生后，穿過(guò)磁環(huán)中心的一次繞組中電流急劇變化，纏繞在磁環(huán)上的二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過(guò)放電打火保護(hù)電路產(chǎn)生放

電打火信號(hào)。放電打火信號(hào)經(jīng)過(guò)跟隨比較電路導(dǎo)通可控硅，使繼電器工作，在繼電器組的相互配合下，接入高壓PID電路中的減法器動(dòng)作，使得高壓PID的設(shè)定值減小，降低高壓電源輸出，實(shí)現(xiàn)電壓的突變抑制。抑制時(shí)間結(jié)束后，繼電器斷開(kāi)，減法器回到初始狀態(tài)，恢復(fù)初始PID設(shè)定值，高壓電源輸出回到正常工作值。

2電路的實(shí)現(xiàn)

2.1放電打火檢測(cè)電路

實(shí)驗(yàn)選取錳鋅磁環(huán)與銅線線圈構(gòu)成的一種電流互感器作為放電打火檢測(cè)裝置，該裝置可接入直流高壓電源供

電端進(jìn)行放電打火信號(hào)檢測(cè)。放電打火檢測(cè)電路如圖3所示，穿過(guò)磁環(huán)中心回路為互感器一次繞組，纏繞在磁環(huán)上的銅線構(gòu)成的回路為互感器二次繞組。當(dāng)高壓電源發(fā)生放電打火故障后，直流供電母線信號(hào)突變，并引起一次繞組中電流發(fā)生變化，其所產(chǎn)生的磁通有一部分與二次繞組回路相環(huán)鏈，二次繞組環(huán)鏈的磁通也發(fā)生變化并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。利用互感原理，當(dāng)穿過(guò)磁環(huán)中心的一次繞組電流發(fā)生變化時(shí)，二次繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生放電打火信號(hào)，保護(hù)電路工作。

2.2開(kāi)關(guān)管緩沖電路

開(kāi)關(guān)管緩沖電路可用于消除或減小開(kāi)關(guān)管通斷過(guò)程中存在的尖峰電壓，尖峰電壓使得開(kāi)關(guān)管管芯內(nèi)部產(chǎn)生較大的尖峰電流，容易損壞開(kāi)關(guān)管。因此，在電路中設(shè)置緩沖電路來(lái)吸收電源或負(fù)載產(chǎn)生的尖峰電壓，起到保護(hù)開(kāi)關(guān)管的作用［5］。實(shí)驗(yàn)中在放電打火檢測(cè)電路與開(kāi)關(guān)管之間加入緩沖電路，防止電路中的突變電流和電壓過(guò)高擊穿或損壞開(kāi)關(guān)管。緩沖電路由穩(wěn)壓二極管ZD1與分壓電阻R1，R2，R3，R4組成，如圖2所示。與普通二極管不同，穩(wěn)壓二極管是在反向擊穿的條件下導(dǎo)通，導(dǎo)通后端電壓幾乎不變。

2.3金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（metaloxidesemiconductor fieldeffect transistor，MOSFET）驅(qū)動(dòng)電路

放電打火保護(hù)電路中選取NMOSFET管AO3400作為開(kāi)關(guān)器件，其結(jié)構(gòu)與極間電容分布如圖4所示。MOS （metaloxidesemiconductor）管通過(guò)柵極電壓VGS（voltage gradient standard）來(lái)控制漏極電流ID（continuous drain current），實(shí)際控制過(guò)程是通過(guò)柵極電壓來(lái)控制溝道電阻的變化，電阻的變化引起漏極電流的變化。

由于開(kāi)關(guān)管中各極間存在著寄生電容，且MOS管的開(kāi)關(guān)速度與MOS管輸入電容的充放電速度有關(guān)，MOS管輸入電容等于極間電容CGD、CGS之和，因此，在MOS管門極前加入電阻R5與電容C2并聯(lián)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，可以提升開(kāi)關(guān)器件的工作效率，減少開(kāi)關(guān)損耗［6］。如圖2所示，二極管D5導(dǎo)通，電路通過(guò)電阻R5為MOS管極間電容CGS充電，利用電容C2可獲得較大的脈沖驅(qū)動(dòng)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通。

2.4繼電器組

繼電器作為一種電控制器件，它可以幫助電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)與安全保護(hù)的功能［79］。實(shí)驗(yàn)中的繼電器組由普通繼電器與上電延時(shí)繼電器構(gòu)成，繼電器的狀態(tài)由接在普通繼電器線圈引腳上的可控硅的狀態(tài)決定。自恢復(fù)電路中繼電器組結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，J1為普通繼電器，實(shí)驗(yàn)中利用了該繼電器的兩組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)，J2為上電延時(shí)繼電器。

正常工作狀態(tài)下，繼電器J1線圈呈不導(dǎo)通狀態(tài)，其兩組觸點(diǎn)皆為常開(kāi)，繼電器J2線圈也是不導(dǎo)通狀態(tài)，觸點(diǎn)為常閉。

保護(hù)狀態(tài)下，放電打火信號(hào)使得可控硅導(dǎo)通，J1線圈導(dǎo)通，其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)吸合，電阻R8，R9所在回路導(dǎo)通，減法器動(dòng)作，減法器輸出電壓減小，使得高壓PID電路設(shè)定值和高壓電源輸出減小。與此同時(shí)，J2線圈導(dǎo)通，由于J2為上電延時(shí)繼電器，其常閉觸點(diǎn)依舊閉合，在繼電器設(shè)定時(shí)間內(nèi)保持觸點(diǎn)不動(dòng)作，電路維持電壓抑制狀態(tài)。經(jīng)過(guò)延時(shí)繼電器設(shè)定時(shí)間后，J2常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，J1線圈斷開(kāi)，其觸點(diǎn)狀態(tài)由常閉變?yōu)槌ｉ_(kāi)，J2線圈斷開(kāi)，減法器反向端接地，返回初始狀態(tài)，電壓抑制結(jié)束，恢復(fù)初始高壓PID設(shè)定值，使高壓電源輸出回到正常工作狀態(tài)。

2.5減法器電路

2.6高壓PID電路

高壓PID電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，PID電路中運(yùn)放模塊由12V輔助電源供電，電壓經(jīng)電容濾波后，進(jìn)入由S8050組成的慢啟動(dòng)電路［1112］。實(shí)驗(yàn)中將減法器電路與慢啟動(dòng)電路接入PID電路中，將負(fù)

高壓采樣值與PID電路中設(shè)定值的電壓偏差信號(hào)作為PID控制器的輸入，經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)電路輸出去控制高壓電源輸出。

慢啟動(dòng)電路可抑制電壓上升速率，提高電路穩(wěn)定性［13］。除了高壓PID電路中的慢啟動(dòng)電路部分，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還需在減法器輸出端接入慢啟動(dòng)電路。如圖2所示，電路通過(guò)電阻R14給電容C4充電，三極管Q3的發(fā)射集正偏、集電極反偏，輸出電壓緩慢上升［14］。經(jīng)慢啟動(dòng)電路輸出電壓所需上升時(shí)間T為

3實(shí)驗(yàn)與分析

在放電打火保護(hù)電路實(shí)驗(yàn)中，分別選取不同規(guī)格磁環(huán)，改變磁環(huán)上銅線纏繞匝數(shù)，測(cè)得不同條件下電路產(chǎn)生放電打火信號(hào)時(shí)穿過(guò)磁環(huán)中心一次繞組上的電壓。表1為不同條件下電路產(chǎn)生放電打火信號(hào)時(shí)的導(dǎo)通電壓值與導(dǎo)通電流值，一次繞組中負(fù)載兩端電壓稱為導(dǎo)通電壓，流經(jīng)負(fù)載的電流稱為導(dǎo)通電流。

根據(jù)表1可知，磁環(huán)大小不同、磁環(huán)上線圈纏繞的匝數(shù)不同，電路產(chǎn)生放電打火信號(hào)所需要的導(dǎo)通電壓也不同，磁環(huán)越小，匝數(shù)越少，所需導(dǎo)通電壓越低，且實(shí)驗(yàn)測(cè)得外徑為38mm的磁環(huán)無(wú)法檢測(cè)到放電打火信號(hào)。

在打火保護(hù)自恢復(fù)電路實(shí)驗(yàn)中，選取外徑為85mm的磁環(huán)接入電路，磁環(huán)上銅線纏繞匝數(shù)為100匝，此時(shí)，電路中檢測(cè)到放電打火信號(hào)所需的導(dǎo)通電壓為12.4V。表2為經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，依次改變放電打火保護(hù)自恢復(fù)電路中放電打火信號(hào)導(dǎo)通電壓值、高壓PID中電壓設(shè)定值，測(cè)量的高壓采樣電阻兩端電壓值變化以及電壓值變化所需時(shí)間。取電阻R8為10kΩ，R9為2kΩ，減法器動(dòng)作，輸出電壓值減小

2V。其中，t1表示電路通電后，高壓采樣電阻兩端電壓從零緩慢增加到設(shè)定值的時(shí)間；示數(shù)1表示經(jīng)t1時(shí)間后高壓采樣電阻兩端電壓；示數(shù)2表示減法器工作時(shí)高壓采樣電阻兩端電壓；示數(shù)3表示繼電器斷開(kāi)，經(jīng)PID電路調(diào)節(jié)后高壓采樣電阻兩端電壓；t2表示從電路出現(xiàn)放電打火，減法器輸出電壓減小到電壓恢復(fù)初始設(shè)定值所需要的時(shí)間。

由表2可知，多次實(shí)驗(yàn)均滿足電路設(shè)計(jì)要求，當(dāng)電路中出現(xiàn)放電打火現(xiàn)象時(shí)，減法器工作，高壓電源輸出減小，采樣電阻兩端電壓減小，經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)電路，高壓電源輸出電壓恢復(fù)到初始值。通過(guò)設(shè)置電阻R8與R9阻值大小比例關(guān)系，確定減法器電路輸出調(diào)節(jié)電壓的下降數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，放電打火保護(hù)電路反應(yīng)靈敏且安全可靠。

4結(jié)論

本文為了解決直流高壓電源系統(tǒng)中的放電打火現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了放電打火保護(hù)電路。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，放電打火檢測(cè)裝置能夠迅速且可靠地檢測(cè)出電路中的放電打火現(xiàn)象，電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)、緩沖保護(hù)及自恢復(fù)式保護(hù)。當(dāng)放電打火現(xiàn)象消失后，電壓恢復(fù)到初始設(shè)定值，使設(shè)備可以持續(xù)工作，有效地解決了電源出現(xiàn)放電打火引起的安全問(wèn)題，在直流高壓電源系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］SEMENOV I，GUNHEIM I F，NIAYESHK，et al.Investigation of partial discharges in AlN substrates under fast transient voltages［J］.IEEE T Dielec El In，2022，29（2）：745752.

［2］YOU H Y，WEI Z，HU B，et al.Partial discharge behaviors in power modules under square pulses with ultrafast dv/dt［J］.IEEE T Power Electr，2021，36（3）：26112620.

［3］POMPILI M.Partial discharge development and detection in dielectric liquids［J］.IEEE T Dielectr El In，2009，16（6）：16481654

［4］沈春元.發(fā)射機(jī)高壓打火典型故障的工程分析與排除驗(yàn)證方法［J］.雷達(dá)與對(duì)抗，2012，32（4）：4751.

［5］兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：4043.

［6］邵偉恒.基于虛擬阻抗控制策略的有源電力濾波器的研究［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2014.

［7］江長(zhǎng)流.繼電器可靠性提升探討［J］.電工材料，2017（3）：2328.

［8］LIU J Q，ZHANG M，ZHAO N，et al.A reliability assessment method for high speed train electromagnetic relays［J］.Energies，2018，11（3）：652.

［9］WILEMAN A J，PERINPANAYAGAM S.Integrated vehicle health management：An approach to dealing with lifetime prediction considerations on relays［J］.Microelectron Reliab，2015，55（9）：21652171.

［10］李鵬.減法電路在運(yùn)放恒流源電路中的應(yīng)用［J］.電子世界，2019，22：163164.

［11］佟春雨.正負(fù)高壓電源系統(tǒng)控制及其保護(hù)電路的設(shè)計(jì)［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)師范大學(xué)，2021.

［12］范蟠果，劉經(jīng)緯，王超然 等.基于PLC的模糊PID冷卻液溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2020（1）：6972.

［13］李小斌.高壓電源的慢啟動(dòng)電路改進(jìn)［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2007（3）：101102.

［14］邱慧穎.X射線定向儀高壓電源的設(shè)計(jì)［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)師范大學(xué)，2020.

【責(zé)任編輯：封文江】