在超高壓輸電線路中采用串補技術(shù)，利用串聯(lián)電容器的容抗補償輸電線路的部分感抗，可以大幅提升線路的輸電能力[1]。當串補線路發(fā)生故障時，金屬氧化物變阻器(MOV)—氧化鋅壓敏電阻動作并限制串補電容器兩端的電壓，以保護裝置的可靠運行?；鸹ㄩg隙是用于保護MOV和電容器組的關(guān)鍵設(shè)備，這就對火花間隙運行的可靠性提出了極高的要求。然而在實際運行中，火花間隙多次出現(xiàn)誤動情況，誤動原因至今還未明確。例如在2007年7月11日，串補工程東三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(瞬時值)，從故障錄波圖中得到線路發(fā)生故障時的電容器組兩端瞬時電壓波形圖，如圖1所示，最高值為210 kV，遠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電壓波形相關(guān)以及相關(guān)程度需要通過試驗進行檢驗和驗證。為了開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，需要研制一臺能產(chǎn)生工頻正弦平頂波的大功率試驗電源。
1 方案論證
    本文的方案是采用微處理器和大功率運放芯片設(shè)計一種工頻正弦平頂波功率源，通過變壓器直接升壓的方式，實現(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，對整套試驗電源的性能起著關(guān)鍵作用。2 系統(tǒng)實現(xiàn)

    本電源由信號發(fā)生器、功率放大、限流裝置和取樣反饋等部分組成。
    信號發(fā)生器采用AT89C52單片機實現(xiàn)總體控制，通過D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生峰值可調(diào)的工頻正弦平頂波，經(jīng)過濾波隔離后，再由基于PA52設(shè)計的功率放大器進行電壓和功率的放大，并利用峰值檢測電路和A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)閉環(huán)控制。
2.1 信號發(fā)生器
    國內(nèi)生產(chǎn)的信號發(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，而且可靠性和準確度很難進一步提高；只能產(chǎn)生規(guī)則波形，如方波、三角波和正弦波，無法滿足試驗要求[3]。本文采用基于單片機設(shè)計工頻正弦平頂波信號發(fā)生器，如圖3所示，其優(yōu)點是具有很高的頻率穩(wěn)定度和電壓精確度。

    整個系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)分為控制電路和數(shù)據(jù)處理電路兩大部分?？刂齐娐芬訟T89C52單片機為核心，加上一些外圍電路組成，主要完成人機對話、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)換芯片時除了字長和轉(zhuǎn)換速度外，還應該考慮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，它將單片機的波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成對應的模擬信號，然后和兩級放大器配合[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,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為單片機輸入的幅度控制字。
    輸出電壓為DAC1230提供參考電壓，從而實現(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)換為模擬信號為基礎(chǔ)，實現(xiàn)波形發(fā)生器有其固有的優(yōu)點，但同時也有頻譜分量復雜、雜波多的缺點。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)計主要從兩個方面加以考慮，一是低通濾波器本身的傳輸特性，二是系統(tǒng)輸出信號的頻譜結(jié)構(gòu)。通過Matlab信號頻譜分析并結(jié)合實際測試效果，選擇截止頻率為500 Hz的一階無源低通濾波器，可以達到良好的濾波效果。
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)動變壓器進行升壓，因此要把電壓和電流進行放大，即功率放大。功率放大器可以由分立元件組成，也可由集成電路實現(xiàn)。由分立元件組成的功放電路復雜且不易調(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、無需調(diào)整，信噪比較小，而且電路布局合理，外圍電路簡單，還可外加散熱片解決散熱問題。
    因此功率放大器的設(shè)計將采用APEX公司的集成功率放大芯片PA52，來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；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)電壓對電源系統(tǒng)的性能有很大的影響。輸入失調(diào)電壓是由運算放大器內(nèi)部元件，尤其是輸入級的兩個晶體管特性不均衡引起的。PA52輸入失調(diào)電壓高達5 mV，為了實現(xiàn)電源的高精度，設(shè)置前置低壓誤差放大器OP07來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。兩個放大環(huán)節(jié)串聯(lián)組成復合式負反饋放大電路，輸出電阻非常小，因此具有較強的帶負載能力。

    PA52功率放大芯片提供了獨立的輸入級供電電源引腳±Vb和輸出級供電電源引腳±Vs，輸入級供電電源可以比輸出級高，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是高速開關(guān)二極管，將運放輸入端限制在0.7 V，對運放起輸入保護作用。D3、D4和D7、D8是快速恢復二極管，可以使瞬態(tài)高壓信號通過二極管從電源旁路流向大地，從而保護功率放大器的輸出端。同時在電源旁路增加兩個瞬態(tài)抑制器（TVS），其反向電壓應該略大于放大器正常工作峰值電壓，從而防止從快速恢復二極管流進電源旁路的瞬態(tài)高壓信號對電源造成破壞[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)準確且變化較小。
    R1和C1構(gòu)成噪聲增益相位補償電路，R5并聯(lián)C2構(gòu)成反饋零點相位補償電路，來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)過流信號臨界點，電流測量范圍可達±30 A[9]。它的基本原理是:當通過ACS712引腳1和2到引腳3和引腳4的電流不斷上升時，ACS712引腳7的輸出電壓隨之不斷增加，當大于比較器LM393引腳2設(shè)定的電壓值的時候，比較器LM393的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖?，RS觸發(fā)器Q非端從高電平立刻變?yōu)榈碗娖?，單片機控制系統(tǒng)檢測到引腳P3.2電平的下降沿，采取相應的保護策略，立刻關(guān)閉信號發(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。信號發(fā)生器關(guān)斷后，需要通過按鍵發(fā)出清除命令，信號發(fā)生器才可繼續(xù)工作。如圖5所示。

2.4 采樣反饋
    為進一步提高輸出精度，本電源還增加了電壓閉環(huán)控制。對輸出電壓值進行電阻分壓后，再用峰值檢測電路獲得平頂波電壓的峰值，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，得到電壓反饋值Vf。單片機比較電壓給定值Vp和反饋值Vf計算出誤差，采用數(shù)字增量PID算法進行控制，改變控制器輸出值，使輸出電壓幅值做相應的變化，從而實現(xiàn)電壓源的閉環(huán)控制。
3 實驗結(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交越失真，非線性失真小。

    從表中可見，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。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系統(tǒng)電路的影響。
3.2 負載調(diào)整率測試
    為衡量電壓源的動態(tài)性能，在電壓源運行過程中動態(tài)地投入或切除負載(大功率電阻) ，并逐個記錄電壓幅度值。表2為給定輸出電壓幅值為80 V時，不同負載對應的實際電壓值，由該表可知在負載發(fā)生變化時，輸出電壓均能保持0.375%的穩(wěn)定度。

    本文的創(chuàng)新點在于基于單片機控制，設(shè)計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，實現(xiàn)輸出電壓任意調(diào)節(jié)，并且電壓波形精度高；運行穩(wěn)定可靠，能耗小，可以長期運行。該功率源最大輸出功率可達上千瓦，完全滿足火花間隙測試要求；實用價值高，只需修改代碼即可成為能產(chǎn)生任意波形的電壓功率源。