一種輸電線路高壓側(cè)取能電源設(shè)計

1、一種輸電線路高壓側(cè)取能電源設(shè)計摘要：針對現(xiàn)有輸電線路高壓側(cè)取能電源設(shè)計中存在的小電流時輸出功率不足、 大電流時二次側(cè)電路熱耗嚴(yán)重、電源電路復(fù)雜等問題，提出了一種新的高壓側(cè)取 能電源設(shè)計方案。該方案通過合理選擇磁芯材料和線圈匝數(shù)，減小了啟動電流； 同時通過使用分流電路、并控制電源電路輸入功率的方法，有效控制了大電流時 的電源熱耗。實驗結(jié)果表明，本設(shè)計可在母線電流為 3A 時即能輸出 140mW 的功 率以給設(shè)備供電，同時在母線電流增至 600A 時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；啟動電流；熱耗0 引言隨著電網(wǎng)電壓等級的不斷提高，對電網(wǎng)運行狀態(tài)的實

2、時監(jiān)測變得越發(fā)重要， 因此電源的供給是關(guān)鍵問題之一。目前，在線監(jiān)測設(shè)備終端電源的實現(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，成為在線監(jiān)測設(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，并通過優(yōu)化磁芯的參數(shù)、結(jié)構(gòu)，達 到了減小啟動電流的目的；同時以控制電源電路的輸入功率為出發(fā)點，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 流時利用并聯(lián)電阻限制電源電路的

3、輸入功率，并對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)計的高壓側(cè)取電電源電路由取能CT、測量模塊、控制模塊、保護模塊、 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，二次側(cè)輸出電壓E2的表達式 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 的磁通， Bm 為磁感應(yīng)強度， 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,其表達式為（ 3 ）取能線圈參數(shù)設(shè)計 本文設(shè)計

4、的取能電源主要滿足于故障指示器等小功率監(jiān)測設(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11，因此本文設(shè)計的取能線圈的功率要 求為在原邊電流大于等于3A時，電源可以輸出不低于140mW的功率。分流電路設(shè)計 當(dāng)原邊電流數(shù)值較小時，不需要考慮對其進行分流。當(dāng)輸電線路上的電流達 到數(shù)百安培時，必須對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，利用每個周期的電流幅值來控制自身的導(dǎo)通與關(guān)斷，決定 電源電路是否進行分流。當(dāng)取能線圈輸出功率較低時，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，以滿足負載所需要的功率；當(dāng)取能線圈 的輸出電流較大時，雙向可控硅根據(jù)

5、電流大小依次導(dǎo)通，這時一部分電流流經(jīng)電 阻進行分流，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 測量電路將Rogowski線圈的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并作為控制可控硅導(dǎo)通與 關(guān)斷的控制信號。當(dāng)電壓信號U1大于D1的設(shè)定值Vsetl時，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，D2導(dǎo)通， 一部分電流流行R2和R3進行分流。當(dāng)電壓繼續(xù)增大，并且U3大于D3的設(shè)定值 Vset3時，D3導(dǎo)通，一部分電流流行R1、R2和R3進行分流。采用此種方式對二 次側(cè)電流進行分流，可大大降低二次側(cè)電路的

6、熱耗。在無雙向可控硅的控制下，流過電阻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，流過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同時導(dǎo)通，R2和R3同時起到分流作用時，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 的表達式。整機測試按照上述分析，我們在電源電路加入了分流電路。當(dāng)原邊電流小于50A時， 雙向可控硅處于斷開狀態(tài)；當(dāng)原邊電流50VI

7、V100A時，雙向可控硅D1導(dǎo)通；當(dāng) 原邊電流1001300時，雙向可控硅D2導(dǎo)通；當(dāng)原邊電流大于300A時，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，負載R0的功率始終被控制在0.5到1.4之間，在滿足R0正常工作的同時，其熱耗較分流之前明顯降低。結(jié)語 針對現(xiàn)有取能電源設(shè)計中存在的小電流時輸出功率不足、大功率時二次側(cè)電路熱耗嚴(yán)重、電源電路復(fù)雜等問題，對取能線圈進行改進，通過合理選擇線圈匝數(shù)，減小啟動電流；大電流時，保護電路

8、工作，保護電源電路不被損壞；利用分 流電路，簡化電源電路，降低電源電路正常工作時的熱耗。本文設(shè)計的取能電源 能在3A500A正常輸出5V, 40mW的功率，滿足小功率監(jiān)測設(shè)備的功率需求。參考文獻: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J.電力系 統(tǒng)保護與控制.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)測系統(tǒng)取能電源的設(shè)計新原理J.電力系統(tǒng)自動化.2008，32(1)： 76-80謝志遠.高壓輸配電線路在線監(jiān)測設(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J.自動化 儀表.2016， 37(1):81-84楊森.配網(wǎng)自動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劉亞東.輸電線路分布式故障測距理論與關(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)測設(shè)備供電電源的研制J.電力 自動化設(shè)備.2012， 32