高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源設(shè)計(jì)

仵岳

摘 要：現(xiàn)在工程應(yīng)用中的一個難點(diǎn)問題就是高壓側(cè)測量系統(tǒng)的供電問題，因此對具有低功耗可靠以及穩(wěn)定特點(diǎn)的供電電源進(jìn)行研究具有十分重要的使用價(jià)值。本文將一種能夠利用特制取能線圈從而獲取高壓側(cè)一次母線電能的電源方案進(jìn)行了介紹，并且對其控制電路、參數(shù)、結(jié)構(gòu)以及材料等進(jìn)行了重點(diǎn)的分析和研究。選擇具有較高轉(zhuǎn)換效率的DC-DC模塊能夠使電源電路的電能損耗得到有效的控制，選擇超級電容器能夠使瞬間大功率供電得到充分的滿足，而且電源在短時間的線路停電中可以使長時間的持續(xù)供電需求得到滿足。經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，這種電源方案具有穩(wěn)定可靠的性能，使得高壓側(cè)有源電子設(shè)備的電源問題得到了很好的解決。

關(guān)鍵詞：高壓側(cè)電源;取能線圈;高轉(zhuǎn)換效率DC-DC模塊

由于各種電子設(shè)備在高壓側(cè)的應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)對地絕緣，而在高電壓現(xiàn)場安裝了導(dǎo)線覆冰狀態(tài)、電纜接頭測溫、在線監(jiān)測系統(tǒng)以及高壓開關(guān)觸點(diǎn)、光電式電流互感器等，因此要想使電氣隔離的安全要求得到充分的滿足，就不能夠由二次電源在經(jīng)過、濾波整流以及降壓之后提供系統(tǒng)的工作電源，也不能夠直接的從低壓側(cè)用導(dǎo)線進(jìn)行直接的供給，所以這類監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展在很大程度上受到了電源供給的制約，而對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和安全生產(chǎn)而言這些保護(hù)裝置和測量裝置具有非常重要的作用，所以有必要分析和研究高壓側(cè)測量裝置供電電源。

1 感應(yīng)取能電源的原理分析

感應(yīng)取能供電方式主要是通過對電磁感應(yīng)原理的利用，然后在線路或者高壓母線上利用曲能線圈感應(yīng)交流電壓，隨后在經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波以及整流之后最終將電源提供給高壓側(cè)電子電路。按照電磁理論的相關(guān)知識，可以由交流電流在取能線圈兩端空載情況下控制取能線圈一次側(cè)[1]。詳情見下圖1。

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圖1 ?感應(yīng)取能電源的原理示意圖

2 電源設(shè)計(jì)分析

2.1 電源的總體要求分析

①如果具有接近于空載的非常小的母線電流，就能夠使電源的可靠供應(yīng)得以確保。②如果一旦出現(xiàn)由于短路故障等導(dǎo)致的沖擊電流和過電流，就需要對電源起到保護(hù)作用。③如果處于導(dǎo)線正常電流范圍內(nèi)就能夠?qū)⒎€(wěn)定的輸出提供出來，在短時間的斷電中能夠具備供電的功能，同時還要使瞬間大功率供電的需求得到充分的滿足。④確保實(shí)現(xiàn)長期低熱耗穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 選擇線圈匝數(shù)以及鐵芯材料

使啟動電流盡可能的減小，使高能量傳遞效率盡可能的提升，從而實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的，這是選擇鐵芯材料的主要原則。在磁通面積、匝數(shù)以及一次電流保持不變的情況下，要想減小啟動電流，唯一的方法就是提升初始磁導(dǎo)率。其中納米晶磁材料鐵芯具有一系列的優(yōu)勢：①能夠長時間的在-55～130攝氏度的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工作;②便宜的價(jià)格;③輕巧的結(jié)構(gòu);④較大的導(dǎo)磁率;⑤良好的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度[2]。

傳統(tǒng)導(dǎo)磁材料通常都具有較高的飽和磁通密度，但是具有較低的初始磁導(dǎo)率。現(xiàn)在包括鐵基微晶在內(nèi)的一些新型納米晶磁材料具有非常高的初始導(dǎo)磁率，所以如果選擇微晶合金材料作為鐵芯，并且選擇25mm×30mm的鐵芯截面，采用兩個半圓的結(jié)構(gòu)就能夠利用特殊處理的外殼在現(xiàn)場不停電的方式下在電纜上進(jìn)行套裝。

大量的研究表明，大多數(shù)的高壓輸電線路在空載狀態(tài)下還是可以保持?jǐn)?shù)安培的容性電流。所以上述的電能供應(yīng)在線路空載的時候也能夠保證具備可靠性，并且不需要將任何輔助供能措施附加上去。要想將線圈匝數(shù)確定下來，就必須要經(jīng)過一個試驗(yàn)驗(yàn)證的復(fù)雜過程。首先要以電磁學(xué)的基本理論為根據(jù)將最小啟動電流和線圈匝數(shù)之間存在的關(guān)系確定下來，隨后以實(shí)際負(fù)載以及線圈帶后續(xù)電路為根據(jù)開展實(shí)測，最后能夠?qū)⒕€圈匝數(shù)確定下來，并且選擇漆包銅線在鐵芯上進(jìn)行均勻的纏繞[3]。

2.3 DC-DC環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換效率分析

在經(jīng)過濾波和整流之后，感應(yīng)電壓所得到的直流電壓會在負(fù)載和溫度的變化、電網(wǎng)電壓和電流的波動下而出現(xiàn)不斷的變化。這時候就需要采用DC-DC模塊處理的方式使得輸出直流電壓穩(wěn)定得到有效的維持，從而能夠使高壓側(cè)測量裝置的供電需求得到充分的滿足。本組電源DC-DC模塊電路電壓具有3-40V的輸入范圍，2mA的靜態(tài)電流，1.5A的最大輸出電流，因此其轉(zhuǎn)換效率比較高。較高的轉(zhuǎn)換效率能夠使啟動電流得以進(jìn)一步的降低，同時使電源的輸出效率得以提升。

在具體的設(shè)計(jì)過程中，采用了試驗(yàn)的方式比較了本電源轉(zhuǎn)換效率較高的DC-DC模塊與最常見的LM2576DC-DC模塊。LM2576DC-DC模塊為6.8A的電源啟動電流，選擇本電源轉(zhuǎn)換效率較高的DC-DC模塊就能夠控制在6A。DC-DC變換具有非常大的自身功率消耗，使供能電路自身的功耗得以減小，就能夠極大的增加供能方案，從而使啟動電流降低。低壓電路中的電壓分配會受到限流分壓電阻R的阻值的影響，因此需要討論其整定值，同時還要對其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。下圖2中取能裝置中的TVS1在供能電路中取值為40V， TVS2取值為25V，這樣就能夠有效的避免電流沖擊到整個供能電路。

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圖2 ?取能裝置供能電路

2.4 電壓保護(hù)與能量泄放分析

為了有效的避免電源電路在發(fā)生瞬時故障大電流或者雷電沖擊電流的情況下被燒毀的情況，在整流橋前可使用壓敏電阻MOV，壓敏電阻對感應(yīng)線圈輸出的沖擊電壓起到了有效的限制作用。電壓會在整流、濾波之后而伴隨著增長的母線電流而不斷增長。在鐵芯達(dá)到飽和之后，其就會感應(yīng)出較高的電壓，所以必須要保證DC-DC模塊不會由于過電壓而受到損害。DC-DC變換往往需要較大的消耗功率，而如果是功能電路自身的功耗得以減少，就會顯著地提升功能方案的輸出總功率，從而將啟動電流降低[4]。

3 結(jié)語

本文對高壓測量裝置電源設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，經(jīng)過分析研究我們可以發(fā)現(xiàn)，該方案具有可行、實(shí)用以及低成本的特點(diǎn)。選用納米晶磁材料作為鐵芯能夠使初始磁導(dǎo)率得以顯著提升，而且具有較高的穩(wěn)定性、較低的成本以及較輕的重量等特點(diǎn)。高效率的DC-DC模塊可以使電源電路電能損耗得以降低，從而進(jìn)一步的降低啟動電流。采用超級電容具有不會污染環(huán)境、具有較長的壽命、較快的能量釋放速度、較短的充電時間以及更大的功率密度等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)越的基本性能使得鋰電池低溫充電的難題得以有效解決，而且在維護(hù)工作上也變得更加簡單。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，該高壓側(cè)取能電源供電裝置具有可靠、穩(wěn)定的特點(diǎn)，使得高壓側(cè)有源電子設(shè)備的電源問題得到了有效的解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]王贊，縱飛，王偉，高超飛，隋恒，喻巖瓏.輸電線高電位取能電源的研制[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010（06）.

[2]辛業(yè)春，王濱，杜長軍.一種應(yīng)用于高電壓側(cè)測量系統(tǒng)的取能電源設(shè)計(jì)[J].吉林電力，2010（04）.

[3]王平平，楊慧.基于取能電源的輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].重慶電力高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2010（04）.

[4]梁明，馬鶴樓，陳海彬，李光權(quán)，任燕.高壓電磁感應(yīng)取能通信電源的研制[J].電氣應(yīng)用，2010（21）.