應(yīng)用于配電網(wǎng)單相接地在線故障指示器電源

崔 芳，王純純，曹 勝

(1.保定供電公司通信公司，河北保定 071003;2.華北電力大學(xué)電力與電子工程學(xué)院，河北保定 071003)

隨著對配電網(wǎng)的可靠性、智能性的要求越來越高，配電網(wǎng)快速準(zhǔn)確地在線故障定位顯得尤為重要。相位法故障定位檢測裝置要求把設(shè)備分別安裝在高壓線A，B，C 3相上，實時把采集到的電流和相位信息傳送到中心站軟件上進(jìn)行分析，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時能夠快速定位故障區(qū)域［1－2］。電源問題是相位法故障指示器可靠運行的關(guān)鍵。文中采用交直流結(jié)合的供電方案，利用DC/DC以及三端穩(wěn)壓電路能夠為指示器提供其所需的三路可靠的電壓。

1 取能電源部分設(shè)計原理及其難點

取能電源的設(shè)計思路是:利用特制線圈的飽和特性，將高壓線15～800 A的電流感應(yīng)出9～40 V的電壓能量，之后利用整流濾波電路將交流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓，利用DC/DC模塊將濾波后的9～40 V電壓變換成9 V穩(wěn)定的直流電壓。最后通過電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成1路5 V，1路－4 V和1路3.2 V的電壓供給故障指示器的不同芯片使用。為防止母線大電流情況下，特制線圈電流過大導(dǎo)致后端電路燒毀，特為電路增加了過壓保護(hù)和穩(wěn)壓控制電路，起到保護(hù)器件的作用，為保證在小電流的情況下設(shè)備仍然能繼續(xù)工作，電源特增加了儲能電池模塊。

該電路的設(shè)計難點主要在于解決以下3個問題:(1)在導(dǎo)線電流較小時，可以輸出足夠的功率。(2)在導(dǎo)線電流超過額定電流時，甚至短路的情況下取能裝置可以可靠工作。(3)為使故障指示器正常工作，必須為其多種元器件及模塊進(jìn)行供電，由于該裝置所涉及的元器件較多，且不同的元器件所需的供電電壓又不同，故設(shè)計取能電源時最終的輸出電壓要能為不同的器件提供所需的電壓，如何解決這3方面的問題是主要的難點和考慮因素，設(shè)計基本框圖如圖1所示。

圖1 電源模塊系統(tǒng)框圖

2 特制線圈的設(shè)計原理與設(shè)計方案

2.1 磁感應(yīng)線圈的設(shè)計

每種磁芯材料都有它的磁化曲線，以鐵基納米晶磁芯為例，整個磁化曲線分為線性段，緩慢上升段和飽和段。當(dāng)一次側(cè)電流ip較大時，磁芯就會進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時雖然磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度的增長而增長，但其速度緩慢，可近似認(rèn)為磁芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為BS。設(shè)磁心線圈在外施電流下，每半周內(nèi)磁化曲線的工作點變化范圍為［－Bs，Bs］則根據(jù)公式［3］

感應(yīng)電壓半周內(nèi)的積分

其中，e2為感應(yīng)電動勢;W2為次級線圈匝數(shù);Ac為磁芯的截面積，此結(jié)果表明處在飽和工作狀態(tài)的磁芯線圈，其感應(yīng)電壓在半周內(nèi)的伏秒值基本保持不變，其大小僅與磁芯截面、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度、線圈匝數(shù)有關(guān)，而與高壓線電流無關(guān)，基于此本文設(shè)計磁感應(yīng)線圈工作于飽和區(qū)以限制大電流。

電流互感器作為母線取能裝置，它要兼顧最小啟動電流和飽和大電流兩方面來設(shè)計。隨著磁芯材料的進(jìn)一步改進(jìn)，經(jīng)過多次實驗最后選用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低，導(dǎo)磁率較高的鐵基納米晶磁芯，可進(jìn)一步選擇合適的匝數(shù)改變ip，指示器對能量的需求約為1.5 W，考慮到整流橋的壓降和DC/DC的轉(zhuǎn)換效率，取能線圈的輸出功率應(yīng)該不少于2 W。系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)為磁芯線圈的截面積為S=6 cm2，磁路長度l=5.2 cm原邊電流為15～800 A時穩(wěn)定輸出功率＞1.5 W。取能線圈副邊匝數(shù)N2由以下兩方面確定:(1)正常用電時，當(dāng)高壓線一次側(cè)為下限電流時，最大功率點副邊的輸出經(jīng)整流濾波后大于DC/DC芯片的最低工作電壓(Vmin=9 V)即其中f為輸電線路正常工作時的頻率為50 Hz;(2)原邊電流為額定上限且線電流取能線圈輸出最小電壓時，電源最終輸出的功率應(yīng)該滿足設(shè)計的要求即原邊繞組為1匝原邊電流為15 A，平均磁力線長度為0.2827 m從而計算出當(dāng)輸電線路上電流為15 A時，磁場強(qiáng)度H為53.06 A/m，通過查閱圖2鐵基納米晶的磁化曲線可知，此時鐵基納米晶的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bs=1.15 T。從而估算出N2。

考慮到線圈處于飽和時電壓有所畸變以及磁芯繞組的工藝問題等，在繞線時應(yīng)該多繞一些以方便實驗調(diào)整。通過調(diào)整實驗，確定了該線圈的副邊匝數(shù)為68匝時，電源可以正常工作。

2.2 整流濾波電路

整流橋器件要滿足其反向耐壓大于特制線圈提供的最大輸出電壓，同時選用正向壓降比較小的肖特基二極管，以保證在輸電線路小電流的情況下，因整流橋正向?qū)▔航刀鴵p失的電壓盡量小。經(jīng)過器件選擇后，最終選有肖特基二極管構(gòu)成的全波整流橋，考慮到經(jīng)過整流后的電壓不平穩(wěn)，加一個濾波電容則輸出波形得到明顯改善，經(jīng)過物理實驗和MultiSim實驗仿真結(jié)果如圖2～圖4所示。但為得到更加穩(wěn)定的波形可以考慮用∏型濾波器［4－5］，總體設(shè)計以及輸出波形如圖5所示。

表1 電路啟動、繼電器動作與二次側(cè)線圈匝數(shù)關(guān)系

2.3 過壓保護(hù)器件

考慮到當(dāng)高壓線出現(xiàn)雷擊或短路大電流時，能給后端電路足夠的保護(hù)，因此在線圈的輸出端加一個壓敏電阻，當(dāng)壓敏電阻兩端的電壓低于壓敏電阻設(shè)定的電壓時，壓敏電阻相當(dāng)于開路，但當(dāng)壓敏電阻兩端的瞬態(tài)電壓高于設(shè)定的電壓時，壓敏電阻值加載設(shè)定值，其余的電壓能量將被消耗掉。文中DC/DC模塊正常工作時的電壓范圍不超過45 V，因此對于電路的瞬態(tài)保護(hù)采用3倍于最大工作電壓的壓敏電阻進(jìn)行保護(hù)［6］即150 V壓敏電阻。

2.4 穩(wěn)壓控制模塊

當(dāng)磁芯進(jìn)入飽和狀態(tài)，主磁通仍會隨著ip的增加而小幅增加，為滿足DC/DC輸入需要，特增加一控制線圈，以抵消部分ip，減低磁芯的磁通量，進(jìn)而降低大電流時二次側(cè)線圈的感應(yīng)電壓值，此電路模塊的核心器件是繼電器，如圖5所示，利用D3、R2、D4這3個器件控制繼電器的輸入端，繼電器正常工作的導(dǎo)通電流約為3 mA，因此可以粗略計算出，當(dāng)整流濾波后的輸出電壓約在45 V時繼電器的輸入電壓為5 V滿足4～7 V的開啟范圍，此時繼電器閉合，控制線圈投入工作，反向勵磁，限制電壓的上升，進(jìn)而保護(hù)DC/DC模塊［7］。

2.5 能量泄放以及充電電路

在電路中，整流濾波后電壓偏高，為保護(hù)降壓至9 V的DC/DC器件，采用一個電阻和齊納穩(wěn)壓管組成能量泄放電路。當(dāng)整流濾波后輸出的電壓較大時，能量泄放電路進(jìn)入工作狀態(tài)，同時可為儲能電池供電可適當(dāng)降低高壓側(cè)大電流情況下，二次側(cè)線圈輸出的電壓。當(dāng)整流濾波后的輸出電壓較低時，后端釋放能量的電路不工作，因此不會降低輸電線路小電流時為后端電路提供的電壓，如圖5所示。

D是齊納穩(wěn)壓管當(dāng)電壓超過電池電壓時為儲能電池供電［8］，當(dāng)穩(wěn)壓管電壓超過10 V后，該齊納管處于雪崩狀態(tài)，整個齊納管的電流急劇上升，導(dǎo)致D和R發(fā)熱，從而起到保護(hù)作用。

圖6 繼電器工作、能量泄放以及充電電路原理圖

2.6 DC/DC以及電壓轉(zhuǎn)換模塊

故障指示器元器件正常工作時需要電源提供+5 V，－4 V和+3.2 V三路電壓，所以電源最終要穩(wěn)定輸出這三路電壓。文中通過DC/DC模塊以及三端穩(wěn)壓器件來實現(xiàn)此功能。第一級DC/DC把整流濾波后的電壓轉(zhuǎn)換為9 V，第二級用MC7905T將第一級的9 V電壓轉(zhuǎn)換成－4 V和5 V兩路，MC7905T是一個負(fù)輸入，典型輸出為－5 V的三端器件，為得到5 V和－4 V的電壓，可以轉(zhuǎn)換MC7905T的接法:將9 V負(fù)極接2端，輸出端3接地，這樣1引腳輸出為5 V，2引腳輸出為－4 V，在電路兩端加上100 μF濾波電容去雜，第三級用AS117將第二級5 V的電壓轉(zhuǎn)換成3.2 V實現(xiàn)如圖6所示。這樣就能得到故障指示器正常工作所需的電壓。

圖7 電壓轉(zhuǎn)換模塊

3 整機(jī)實驗結(jié)果

把電源安裝在故障指示器上，當(dāng)輸電線路電流在0～800 A的情況下，充電電池和電流互感器相結(jié)合供電，解決了供電的死區(qū)問題，功能電路能提供穩(wěn)定的電壓輸出，具體實驗數(shù)據(jù)如表2所示。當(dāng)線路電流達(dá)到15 A時，高壓電源就能正常工作，經(jīng)整流濾波、穩(wěn)壓變換后能夠取得+5 V，－4 V和3.3 V的電壓供后續(xù)電路工作;當(dāng)輸電線路電流很大時，也能夠保證正常供電。

4 結(jié)束語

通過實驗證明當(dāng)線路電流達(dá)到15 A時，本文研究的高壓取能電源就能正常工作，經(jīng)整流濾波、穩(wěn)壓變換后能夠取得5 V，－4 V和3.3 V的電壓供后續(xù)電路工作;當(dāng)輸電線路電流很大時，也能夠保證正常供電。結(jié)果表明，采用文中設(shè)計的電源能夠滿足單相接地故障指示器正常工作所需的電壓和功率，使在線故障診斷的方法實用化。

表2 實驗數(shù)據(jù)

［1］ 張利，楊以涵，司冬梅，等.基于零序電流和磁場檢測故障桿的配電網(wǎng)故障定位［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32(14):73－76.

［2］ 戚宇林，成艷，楊以涵.35 kV配電網(wǎng)單相接地故障綜合定位方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，32(10):38 －42.

［3］ 李芙英，朱小梅，紀(jì)昆，等.一種應(yīng)用于高電壓側(cè)測量系統(tǒng)中電源［J］.高電壓技術(shù)，2002，28(3):46 －47.

［4］ 李紅斌，劉延冰，張明明.電子式電流互感器中的關(guān)鍵技術(shù)［J］.高電壓技術(shù)，2004，30(10):4 －6.

［5］ 彭長保.電子式電流互感器高壓側(cè)在線供能研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2007.

［6］ 雷式湛.激光技術(shù)手冊［M］.北京:科學(xué)出版社，1992.

［7］ 李膨.光電電流互感器供能電路的研究［D］.北京:清華大學(xué)，2003.

［8］ 高迎霞，畢衛(wèi)紅，劉豐.電子式電流互感器高壓端供能電源的設(shè)計［J］.電力電子技術(shù)，2007，41(10):74－76.