一種適用于小電流互感器取能電源的方案

一種適用于小電流互感器取能電源的方案

0電池供電電流整體供電智能電網(wǎng)應(yīng)監(jiān)測電壓線的溫度、波動、波動、頭暈、開路、高壓場所內(nèi)電壓開關(guān)的觸發(fā)和連接溫度。目前,由于受工作環(huán)境、設(shè)備成本、安全等因素的限制,監(jiān)測設(shè)備電源不能直接由低壓側(cè)提供,電源供給仍然是制約電力傳輸線狀態(tài)監(jiān)控發(fā)展的重要因素之一。常見的監(jiān)測設(shè)備供電方式有蓄電池供電、激光供電、電流互感器供電、光伏發(fā)電供電、電容分壓器供電、電流互感器與鋰電池組合供電等。蓄電池供電電路結(jié)構(gòu)簡單,比較容易實(shí)現(xiàn),但由于受環(huán)境溫度和自身非線性的影響,其壽命有限,且維護(hù)費(fèi)用較高,在實(shí)際應(yīng)用中較少。激光供電電源輸出穩(wěn)定,紋波較小,不易受外界其他因素的干擾,但激光供電成本較高,是阻礙其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速,但其輸出功率易受環(huán)境光照、溫度、太陽能極板面積等因素影響,不十分適用于電力線監(jiān)測設(shè)備供電。電容分壓器供電利用電容提取高壓母線周圍存在的電場能量,處理后用作電源。該方法不受母線電流影響,輸出相對穩(wěn)定,但需考慮過電壓防護(hù)、電磁兼容等問題。溫度和雜散電容對電源的穩(wěn)定性和可靠性也會產(chǎn)生很大影響。電流互感器供電的優(yōu)點(diǎn)是電源結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、絕緣性好、耐高壓、成本低。由于高壓母線電流變化范圍大,電流互感器供電面臨兩個問題:母線電流較小時,難以取得足夠的能量,存在供電死區(qū);母線電流較大時,如何保護(hù)供電電路元件,并且穩(wěn)定輸出能量。目前,母線電流為10~1000A時,可以有穩(wěn)定的電壓輸出。為了減小電流互感器供電母線電流死區(qū),一部分研究者采用磁導(dǎo)率高的鐵芯材料解決該問題,如采用鐵基納米晶、坡莫合金、微晶材料。這些方法雖然使母線電流低至9.6A時電源仍能正常工作,但是這些磁芯材料極易飽和,導(dǎo)致二次側(cè)電壓波形畸變、輸出尖峰脈沖,同時產(chǎn)生線圈發(fā)熱、電路絕緣性差、短路等問題。另一部分研究者采用電流互感器和鋰電池組合供電的方式,這種方式電路復(fù)雜、成本高,且鋰電池長期處于充放電狀態(tài)導(dǎo)致鋰電池壽命有限,不適應(yīng)在線監(jiān)測設(shè)備的供能需求。針對以上情況,本文采用高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的硅鋼材料作為鐵芯,基于能量收集的思想,通過電路設(shè)計,解決目前電流互感器取能不適應(yīng)高壓電纜小電流的問題。1電纜線路電流感染時鐵芯材料的選擇電流互感器磁動勢平衡方程為:式中:n1為電流互感器一次側(cè)匝數(shù),n1=1;n2為電流互感器二次側(cè)匝數(shù);i1(t)為高壓電纜母線電流;i2(t)為二次側(cè)感應(yīng)線圈輸出電流;im(t)為取能線圈勵磁電流。由磁動勢平衡方程,忽略原副邊漏抗和鐵芯磁阻,帶電荷泵整流電路的電流互感器整流電路見圖1。圖中:u0為負(fù)載電壓;Is為電流互感器等效到二次側(cè)的電流源,其大小為i1(t)/n2;Lm為電流互感器勵磁電感;由D1至D5和電容C1至C5構(gòu)成電荷泵壓電路,當(dāng)母線電流較小時可以收集微弱的能量,為后級電路供電;RL為后級電路等效負(fù)載。C5為儲能電容,容量較大,則當(dāng)母線電流較大時i2(t)連續(xù)。取電線圈輸出電壓u(t)和磁化電流im(t)的波形如圖2所示。圖中:T為輸出電壓周期。取電線圈的輸出電壓為:式中:Φ為勵磁電動勢在取電線圈鐵芯中產(chǎn)生的主磁通,且Φ=BcS,Bc為取電線圈鐵芯內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度,S為取電線圈鐵芯截面積。T也是一次側(cè)電流的周期,則對式(2)在半個周期內(nèi)積分,得電壓的幅值u為:u(t)同時也滿足:由式(4)可得im(t)在一個周期中的表達(dá)式為:將式(3)代入式(5)可得:電流互感器一次側(cè)母線電流即高壓電纜母線電流可以表示為:式中:Ip為電流的幅值;ω=2πf,為角頻率;φ為電流的初相位。由圖1和圖2可知,在t=0時刻,i1(t)/n2=im(t),即則當(dāng)滿足或者RL=2πLm/T時,取電互感器輸出的最大功率Pmax為:而勵磁電感Lm為:式中:μ為鐵芯材料的磁導(dǎo)率;d為鐵芯直徑。將式(12)代入式(11)得:由式(13)可知,取電線圈的最大輸出功率與一次側(cè)母線電流i1(t)、鐵芯材料的磁導(dǎo)率μ、取電線圈鐵芯截面積S和鐵芯直徑d有關(guān),和副邊線圈匝數(shù)n2沒有關(guān)系。為了使電流互感器取電電源能夠在母線電流較小的情況下輸出足夠的功率,需要選用磁導(dǎo)率高的鐵芯材料。但是,隨著母線電流的增加,磁導(dǎo)率高的鐵芯很快達(dá)到飽和,會給電路帶來嚴(yán)重影響。因此,為了避免鐵芯進(jìn)入飽和狀態(tài),本文選用高飽和磁導(dǎo)率的硅鋼作為鐵芯。在高壓側(cè)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域,監(jiān)測系統(tǒng)往往不需要連續(xù)采樣高壓電力線狀態(tài),一般采用間隔周期工作模式。針對母線電流較小的情況,設(shè)計基于能量收集的電荷泵電路,可以使電源斷續(xù)為負(fù)載供電。2特性2激勵管理模塊電源電路由取電線圈、電荷泵、儲能模塊、泄能通道、泄能控制器、多點(diǎn)電壓采樣模塊、供電控制器、供電通道、穩(wěn)壓模塊等組成,其原理框圖如圖3所示。高壓電纜作為取電線圈一次側(cè)輸入端,當(dāng)高壓電纜中電流較小時,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,取電線圈作為二次側(cè)獲取感應(yīng)電能,感應(yīng)輸出電壓、電流,流入電壓泵模塊中,經(jīng)電壓泵模塊電能轉(zhuǎn)移和倍壓作用后,由儲能模塊收集和存儲起來,當(dāng)儲能模塊的儲能增量大于負(fù)載工作一個周期所需能量時,電子開關(guān)閉合,向穩(wěn)壓器和負(fù)載供電,然后儲能模塊電壓下降,當(dāng)下降到不能供給負(fù)載穩(wěn)定電壓時,電子開關(guān)斷開,儲能模塊重新存儲電能,周而復(fù)始,為電力線監(jiān)測設(shè)備間歇供電。當(dāng)電力電纜中電流足夠大時,儲能模塊快速充滿電,直接為后級電路持續(xù)供電。2.1次側(cè)銅芯尺寸設(shè)計由式(13)可知,電流互感器能夠輸出的最大功率與鐵芯材料的磁導(dǎo)率μ有關(guān)系,即磁導(dǎo)率越大輸出功率越大,但磁導(dǎo)率高的鐵芯隨著磁場強(qiáng)度的增大,容易達(dá)到飽和,磁感應(yīng)強(qiáng)度將不隨磁場強(qiáng)度的增大而增大,線圈的輸出電壓不再隨電流線性變化,而出現(xiàn)畸變,這是應(yīng)該避免的。鐵基納米晶和硅鋼片的磁化曲線如圖4所示。由圖4可知,硅鋼片在弱磁場階段(0至H′)的初始磁導(dǎo)率較小,在強(qiáng)磁場階段飽和磁通密度很高,不容易飽和;而鐵基納米晶不僅初始磁導(dǎo)率高,易飽和,而且磁通密度也沒有硅鋼片高。因此,本文采用初始磁導(dǎo)率相對小的硅鋼材料作為鐵芯。由式(3)可知,二次側(cè)輸出電壓u與n2,S,Bc有關(guān)。為了在母線電流較小情況下,二次側(cè)感應(yīng)出足夠的電壓,可以加大鐵芯截面積。又由式(13)可知,最大輸出功率不僅與截面積有關(guān)還與鐵芯直徑有關(guān),但是考慮到重量不能太大,因此選擇尺寸為外徑80mm、內(nèi)徑60mm、高10mm,截面為矩形的鐵芯。二次側(cè)匝數(shù)太少時感應(yīng)電壓太低,不足以驅(qū)動電荷泵工作。要保證電荷泵正常工作,二次側(cè)輸出電壓只要大于一個二極管死區(qū)電壓就可以。為了使電荷泵更好的工作,實(shí)際工作時選取二次側(cè)輸出電壓為2V,鐵芯截面積S為0.0002m2,工作周期T為0.02s,鐵芯在母線電流為1A時的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0.03~0.04T。由式(3)可知,二次側(cè)線圈匝數(shù)為1250~1666匝,實(shí)際中取1500匝。取能線圈繞線直徑為0.035mm,理論允許最大電流為1A。2.2電荷泵電路分析為解決目前電流互感器電源存在取能死區(qū)的問題,采用基于能量收集思想的電荷泵電路。電荷泵利用電容電荷累積效應(yīng)獲得高于輸入源的電壓,它一般由電容、半導(dǎo)體開關(guān)管及時鐘源組合而成,通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)電荷的積累和轉(zhuǎn)移。結(jié)合電流互感器取能線圈的輸出特點(diǎn),以減少電路的復(fù)雜度及不必要的損耗為出發(fā)點(diǎn),采用二極管和電容設(shè)計電荷泵電路。以設(shè)計的五級電荷泵為例,其電路模型如圖5所示。設(shè)電流互感器電源二次側(cè)輸出交流電壓有效值為U。二次側(cè)輸出經(jīng)D1對C1充電;經(jīng)C1和D2對C2充電;經(jīng)C2和D3對C3充電;經(jīng)C3和D4對C4和C2充電;經(jīng)C2,C4,D5對C5充電,C5的電壓為5U。至此,電流互感器電源將能量轉(zhuǎn)移到了C5,C5為后級電路供電,實(shí)現(xiàn)了整流倍壓的目標(biāo)。為了滿足低功耗、大電流、導(dǎo)通壓降小的要求,電荷泵電路中的二極管選用肖特基二極管。由電荷泵原理分析知,只要二次側(cè)輸出電壓大于一個二極管死區(qū)電壓,電荷泵就能正常工作。2.3控制模塊設(shè)計儲能模塊可以采用鋰電池和容量較大的電容。鋰電池壽命有限,也需要增加控制模塊,使電路變得復(fù)雜。電容具有成本低、循環(huán)使用壽命長、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),是應(yīng)用比較廣泛的一種小容量儲能裝置。設(shè)計的電源采用兩個470μF的電解電容并聯(lián)儲能,也可以采用具有更多優(yōu)點(diǎn)的超級電容作為儲能器件。2.4供能控制信號此部分采用電壓比較器作為控制器,設(shè)計滯環(huán)控制回路,設(shè)置基準(zhǔn)電路及采樣電路,采用全控元件金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)管作為執(zhí)行元件控制供電通道和泄能通道的開啟及關(guān)斷。在兩個采樣點(diǎn)分別獲取采樣電壓,一個用作供能控制信號,另一個用作泄能控制信號。供能控制信號與基準(zhǔn)電壓信號比較,當(dāng)采樣電壓大于開通電壓Von=6.7V時,控制器發(fā)出開通信號給執(zhí)行元件MOS管,使電路為穩(wěn)壓器和負(fù)載供能,儲能模塊電壓下降;當(dāng)采樣電壓小于關(guān)斷電壓信號Voff=5.1V時,控制器發(fā)出關(guān)斷信號給執(zhí)行元件,切斷供能電路,儲能模塊重新存儲電能,實(shí)現(xiàn)供能滯環(huán)控制。泄能控制信號大于VH=11V時,開通泄能通道,將多余的能量泄放出去,小于VL=8V時,泄能通道關(guān)閉。由于高壓電纜中電流變化很大,特別是發(fā)生短路時,會對電源帶來很大的沖擊,甚至損壞電源,為了避免這種情況發(fā)生,采用瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)并聯(lián)在取能線圈輸出端。3結(jié)果與分析3.1工作一次持續(xù)時間為了驗(yàn)證本文提出的方案,研制了樣機(jī)。樣機(jī)額定輸出電壓為3.3V,并以無線測溫模塊為負(fù)載做了實(shí)驗(yàn)。負(fù)載要求工作電壓為3.3V,工作電流約為20mA,工作一次持續(xù)時間大概120ms,休眠電流約為5mA。實(shí)驗(yàn)平臺由調(diào)壓器、升流器、電力電纜、電源樣機(jī)、負(fù)載等組成,實(shí)驗(yàn)原理如圖6所示。圖中:T1為調(diào)壓器;T2為升流器;A為鉗形電流表,實(shí)時測量電纜電流。調(diào)壓器T1保持電壓穩(wěn)定,升流器將220V交流轉(zhuǎn)換為大電流,電流在0~1500A內(nèi)可調(diào)。T2輸出與電力線相連,取能線圈與之耦合,線圈輸出接取能電源,取能電源輸出與無線測溫模塊連接。樣機(jī)測試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖見附錄A圖A1。3.2負(fù)載模電源及輸出電壓分析當(dāng)電力線電流為1A時,電源工作波形如圖7所示。由圖7(a)可知,電源在儲能模塊電壓上升至6.72V左右時開始供電,下降至5.12V時關(guān)閉供電通道,充電周期為5.5s。由圖7(b)可知,電源經(jīng)穩(wěn)壓后輸出電壓波形為方波,且電壓幅值為3.36V。輸出電壓持續(xù)時間約為320ms,兩次方波輸出間隔為5.32s,而負(fù)載無線測溫模塊每次工作所需電壓為3.3V,工作一次持續(xù)時間為120ms,滿足負(fù)載需求。當(dāng)電力線電流增大至40A或43A時,電源工作波形如圖8所示。由圖8(a)可知,當(dāng)一次側(cè)電力線電流為40A時,電源連續(xù)工作,此時輸出電壓始終為3.36V。由圖8(b)可知,當(dāng)電流為43A時,電源進(jìn)入保護(hù)工作模式。電源儲能模塊電壓上升至11V時,開啟泄能通道,下降至8V時關(guān)閉泄能通道,泄能周期為8.3s。輸出電壓波形始終穩(wěn)定在3.36V。當(dāng)電力線電流為500A和1000A時,電源輸出波形如圖9所示。由圖可知,電流互感器電源在母線電流為500A和1000A時仍能夠穩(wěn)定輸出3.3V電壓,但是儲能模塊的泄能周期由母線電流43A時的8.3s分別縮短至60ms和40ms,說明隨著母線電流的增大,電源獲得的能量在逐漸增多,除保證負(fù)載所需能量外,其余