高壓線自取電電源的研究與設計

王丹 西安航空職業技術學院

引言：輸電線路的安全可靠運行是電網安全的根本保障。對工業生產和居民生活造成了巨大的影響。輸電線路狀態在線監測是提高輸電線路運行安全的有效方法，監測設備的供電方式及供電技術是其可靠運行的關鍵之一。由于在線監測設備安裝環境的特殊性，對供電電源的設計提出了很高的要求，主要應考慮以下幾個方面：一是整個電源系統本身必須高效率、低耗能，從而延長系統連續工作時間；二是提高系統的穩定性及可靠性，也就是說盡可能提高供電系統的性能指標；三是增加抗干擾功能和安全保護設計。

1 電源工作原理

感應取能原理圖如圖1所示，輸電線路交變電流產生磁場，電流互感器的取能線圈從磁場感應得到感應電電勢，為了滿足輸電線路監測設備對電源的要求，還需要設計電源變換電路，將感應的交變電勢變換成符合監測設備需求的穩定直流電壓。

圖1 磁感應線圈原理圖

本文的研究內容是設計一套使用電流互感器從高壓單相工頻交流輸電線路取電的電源裝置，為一臺輸電線路實時在線測溫設備供電，并對其中的關鍵技術問題展開研究。一般監測設備的功耗0.75～3.5W，平均功耗為2.5W。根據某供電網10KV線路日負荷曲線知：輸電線路的電流是時刻變化的，其大小受用電區負荷影響,所以本文選擇輸電線路電流變化范圍為120～600A，輸電線路監測設備功耗為2.5W（+5V、500mA）作為研究對象。

2 電流互感器參數設計

2.1 感應取電

根據電機學理論，一次側為正弦輸入時，取能線圈由鐵芯中變化的磁場感應到的二次側電勢為

2.2 氣隙與磁場的關系

傳統CT的鐵心多為閉環結構，但為了安裝方便，目前多采用可開啟式的結構設計，其特點是在鐵心中引入氣隙，改變了鐵心的勵磁特性。由于存在鐵心磁阻，電磁式CT在工作時，部分電流用于磁化鐵芯，使得二次側產生感應電勢和電流，若加入氣隙，則磁化鐵芯的電流變大，一部分的能量就要損失在建立磁場上，相應的二次側感應能量就減少了。

2.3 線圈匝數的確定

根據變壓器副邊電壓計算公式：

電源輸出電壓的大小將由二次側線圈匝數N，鐵芯磁感應強度B以及鐵芯有效截面積S共同決定。為了充分利用母線周圍環形分布的磁通量，并綜合考慮便于安裝的要求，選用O型規格的硅鋼鐵芯。其規格參數如下： 外徑D=130mm，內徑d=80mm，寬度a=45mm，氣隙，帶入式（3.12）即可求出，再將帶入式（3.7）的，即可求出功率線圈所需最小匝數匝。考慮漏感和銅損，還需要額外增加5%余量的匝數，再經過具體實驗驗證調整，實驗時取200匝。

3 電路設計

3.1 整體電路設計

自取電電源的工作原理圖見圖2。由電流互感器感應電動勢先經過壓過流保護電路，對后面的電源變換電路進行瞬態保護，后經過整流濾波電路及DCDC電路得到一個穩定的5V直流電壓，供監測設備工作。

圖2 自取電電源工作原理圖

3.2 浪涌抑制電路

輸電線路的電流出現短路故障或遭受雷擊時，會出現沖激電壓電流，成為浪涌。這些能量在極短時間內通過CT向電源變換電路輸出，因此，必須在CT二次側設計保護電路，使電源變換電路免受瞬態高壓的破壞。

目前浪涌抑制的方法有氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管類和壓敏電阻/氣體放電管組合類，本文選擇抑制類二極管。

瞬態抑制二極管（TVS）技術利用的是半導體的鉗位原理，在經受瞬時高壓時，會立即（最高可達到1×10-12 秒）將能量釋放出去，綜合電源整體架構及以上分析，本文采用可耐受600W瞬時功率，擊穿電壓約43.5V的P6KE27CA型雙向TVS。

3.3 DC-DC電路

3.3.1 Buck電路原理與參數計算

在BUCK變換器的設計中，首先研究了開關頻率的選擇、制約開關頻率的因素和開關頻率引起的功率損耗。其次分析BUCK變換器的調制方式、控制方式及環路補償方式。

圖3 Buck電路原理圖

3.3.2 電路數學模型與補償網絡設計

閉環Buck變換器主要包括主電路，控制器和反饋網絡。Buck變換器的負反饋閉環控制系統如圖4所示。

圖4 Buck變換器

不加補償網絡，系統開環傳遞函數波特圖中無補償網絡時相位裕PM=9deg，幅值增益DC gain=12.5dB，系統轉折頻率fp=460HZ,可見系統穩定。

4 結束語

本文在對已有供電電源進行總結的基礎上，設計了一種感應取能裝置，該裝置利用法拉第電磁感應原理，從輸電線路電流產生的電磁場感應得到電勢，經過電源變換電路給監測設備供電。分析了感應電勢與電流互感器鐵芯結構、材料、氣隙等參數的關系。電源變換電路主要包括斬波器、過壓過流保護電路及泄放電路，其中斬波器的作用是將在一定范圍內變化的電壓變換成滿足監測設備精度等需求的直流電壓。斬波器采用BUCK變換器，在BUCK變換器的設計中，首先研究了開關頻率的選擇、制約開關頻率的因素和開關頻率引起的功率損耗。其次分析了BUCK變換器的調制方式、控制方式及環路補償方式。實現了在輸電線路電流大范圍變化時電壓及功率指標滿足監測設備需求。