一種輸電線路高壓側(cè)取能電源設(shè)計(jì)

1、一種輸電線路高壓側(cè)取能電源設(shè)計(jì)摘要：針對(duì)現(xiàn)有輸電線路高壓側(cè)取能電源設(shè)計(jì)中存在的小電流時(shí)輸出功率不足、 大電流時(shí)二次側(cè)電路熱耗嚴(yán)重、電源電路復(fù)雜等問(wèn)題，提出了一種新的高壓側(cè)取 能電源設(shè)計(jì)方案。該方案通過(guò)合理選擇磁芯材料和線圈匝數(shù)，減小了啟動(dòng)電流； 同時(shí)通過(guò)使用分流電路、并控制電源電路輸入功率的方法，有效控制了大電流時(shí) 的電源熱耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可在母線電流為 3A 時(shí)即能輸出 140mW 的功 率以給設(shè)備供電，同時(shí)在母線電流增至 600A 時(shí)可將電源的輸出功率控制在 1.5W 內(nèi)以降低電源熱耗。關(guān)鍵詞：輸電線路；取能電源；啟動(dòng)電流；熱耗0 引言隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)的不斷提高，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)

2、時(shí)監(jiān)測(cè)變得越發(fā)重要， 因此電源的供給是關(guān)鍵問(wèn)題之一。目前，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備終端電源的實(shí)現(xiàn)方式主要 有光伏電池供電、蓄電池供電、激光供電、電壓互感器（PT ）供電、電流互感器（CT）供電和分壓電容供電。其中CT供電憑借成本低、體積小、安裝方便的 優(yōu)點(diǎn)，成為在線監(jiān)測(cè)設(shè)備終端電源供電的主流方式。本文提出一種新型的高壓側(cè)取電電源的設(shè)計(jì)方法，該方法利用CT方式取能，采用初始磁導(dǎo)率較高的超微晶合金做為磁芯，并通過(guò)優(yōu)化磁芯的參數(shù)、結(jié)構(gòu)，達(dá) 到了減小啟動(dòng)電流的目的；同時(shí)以控制電源電路的輸入功率為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)母線 電流的大小控制雙向可控硅的通斷，從而將不同阻值的電阻接入電路中，在大電 流時(shí)利用并聯(lián)電阻限制電源電路的

3、輸入功率，并對(duì)二次電流分流以降低電源電路 的熱耗。電路構(gòu)成本文設(shè)計(jì)的高壓側(cè)取電電源電路由取能CT、測(cè)量模塊、控制模塊、保護(hù)模塊、 分流電路、整流電路和穩(wěn)壓電路組成。取能電源的工作原理如圖 1 所示。圖1取能電源原理框圖取能線圈的設(shè)計(jì)取能分析取能線圈的空載等效電路如圖2 所示。圖 2 取能線圈的空載等效電路根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，在取能線圈未飽和時(shí)，二次側(cè)輸出電壓E2的表達(dá)式 為：（1）（ 2）式中：f為輸電線路中電流的頻率，N2為取能線圈匝數(shù)，為取能磁芯內(nèi)通過(guò) 的磁通， Bm 為磁感應(yīng)強(qiáng)度， S 為鐵芯截面積，為鐵芯疊片系數(shù)。取能線圈的輸出功率為P,其表達(dá)式為（ 3 ）取能線圈參數(shù)設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)

4、的取能電源主要滿(mǎn)足于故障指示器等小功率監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電，由于現(xiàn)有的功率指示器大都采用低功耗設(shè)計(jì)11，因此本文設(shè)計(jì)的取能線圈的功率要 求為在原邊電流大于等于3A時(shí)，電源可以輸出不低于140mW的功率。分流電路設(shè)計(jì) 當(dāng)原邊電流數(shù)值較小時(shí)，不需要考慮對(duì)其進(jìn)行分流。當(dāng)輸電線路上的電流達(dá) 到數(shù)百安培時(shí)，必須對(duì)電源電路獲得的功率做適當(dāng)?shù)目刂剖蛊涮幱诘蜔岷臓顟B(tài)。 本文使用雙向可控硅，利用每個(gè)周期的電流幅值來(lái)控制自身的導(dǎo)通與關(guān)斷，決定 電源電路是否進(jìn)行分流。當(dāng)取能線圈輸出功率較低時(shí)，雙向可控硅處于關(guān)斷狀態(tài)， 取能線圈的輸出功率全部供給電源電路，以滿(mǎn)足負(fù)載所需要的功率；當(dāng)取能線圈 的輸出電流較大時(shí)，雙向可控硅根據(jù)

5、電流大小依次導(dǎo)通，這時(shí)一部分電流流經(jīng)電 阻進(jìn)行分流，減小電源電路的熱耗。圖 5 分流電路示意取電線圈輸出電流控制框圖如圖所示，取電線圈并聯(lián) 3 組雙向可控硅和電阻 測(cè)量電路將Rogowski線圈的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并作為控制可控硅導(dǎo)通與 關(guān)斷的控制信號(hào)。當(dāng)電壓信號(hào)U1大于D1的設(shè)定值Vsetl時(shí)，D1導(dǎo)通，一部分 電流流經(jīng)R1分流；當(dāng)電壓增大，并且U2大于D2的設(shè)定值Vset2時(shí)，D2導(dǎo)通， 一部分電流流行R2和R3進(jìn)行分流。當(dāng)電壓繼續(xù)增大，并且U3大于D3的設(shè)定值 Vset3時(shí)，D3導(dǎo)通，一部分電流流行R1、R2和R3進(jìn)行分流。采用此種方式對(duì)二 次側(cè)電流進(jìn)行分流，可大大降低二次側(cè)電路的

6、熱耗。在無(wú)雙向可控硅的控制下，流過(guò)電阻R0的電流為I。當(dāng)電流增加，可控硅D1 導(dǎo)通，R1起分流作用時(shí)，流過(guò)R1和R0的電流分別為（4）（5）流經(jīng)電阻R0的電流的變化量為（6）若電阻Ro要求的最低功率為P0,則電流Io必須滿(mǎn)足公式：（7）將公式（2）帶入即可求得電阻R3的阻值為（ 8 ）當(dāng)電流增大致使D1和D2同時(shí)導(dǎo)通，R2和R3同時(shí)起到分流作用時(shí)，流經(jīng)電 阻 R2、 R3 和 R0 的電流分別為（ 9 ）（10）（11）將公式（11）帶入公式（7）可求出電阻 R2 的表達(dá)式。整機(jī)測(cè)試按照上述分析，我們?cè)陔娫措娐芳尤肓朔至麟娐?。?dāng)原邊電流小于50A時(shí)， 雙向可控硅處于斷開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)原邊電流50VI

7、V100A時(shí)，雙向可控硅D1導(dǎo)通；當(dāng) 原邊電流1001300時(shí)，雙向可控硅D2導(dǎo)通；當(dāng)原邊電流大于300A時(shí)，雙向可 控硅D3導(dǎo)通。取R3=500，R2=300，R1=200，R0=2000。并聯(lián)電阻后，二次側(cè)電 流、并聯(lián)電阻分流大小和負(fù)載阻抗功率的關(guān)系分別如圖所示。圖6 R0功率變化圖由圖6可以看出，在加入電阻分流之后，負(fù)載R0的功率始終被控制在0.5到1.4之間，在滿(mǎn)足R0正常工作的同時(shí)，其熱耗較分流之前明顯降低。結(jié)語(yǔ) 針對(duì)現(xiàn)有取能電源設(shè)計(jì)中存在的小電流時(shí)輸出功率不足、大功率時(shí)二次側(cè)電路熱耗嚴(yán)重、電源電路復(fù)雜等問(wèn)題，對(duì)取能線圈進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)合理選擇線圈匝數(shù)，減小啟動(dòng)電流；大電流時(shí)，保護(hù)電路

8、工作，保護(hù)電源電路不被損壞；利用分 流電路，簡(jiǎn)化電源電路，降低電源電路正常工作時(shí)的熱耗。本文設(shè)計(jì)的取能電源 能在3A500A正常輸出5V, 40mW的功率，滿(mǎn)足小功率監(jiān)測(cè)設(shè)備的功率需求。參考文獻(xiàn):龔賢夫，周浩，戴攀，等.一種輸電線路大功率取能電源的設(shè)計(jì)J.電力系 統(tǒng)保護(hù)與控制.2012， 40(3):124-128李成.基于輸電線路的電能抽取技術(shù)研究D.北京：華北電力大學(xué)，2012.李先志，杜林，陳偉根，等. 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取能電源的設(shè)計(jì)新原理J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化.2008，32(1)： 76-80謝志遠(yuǎn).高壓輸配電線路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備供電電源的研究D.北京：華北電力大學(xué).20165王瑋，賈明娜，張新慧，等.一種電子式電流互感器的高壓側(cè)設(shè)計(jì)J.自動(dòng)化 儀表.2016， 37(1):81-84楊森.配網(wǎng)自動(dòng)化終端電流互感器小電流取電技術(shù)研究D.重慶大學(xué).2015劉亞?wèn)|.輸電線路分布式故障測(cè)距理論與關(guān)鍵技術(shù)研究D.上海交通大學(xué).2012周有慶，劉琨，吳桂清，等.基于 Rogowski 線圈電子式電流互感器的研究J.電氣應(yīng)用.2006，25(6):106-110熊蘭，宋道軍，何友忠，等.輸電線路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備供電電源的研制J.電力 自動(dòng)化設(shè)備.2012， 32