高壓斷路器測(cè)溫系統(tǒng)的感應(yīng)取電電源設(shè)計(jì)

侯磊

摘 ?要：為了解決高壓斷路器測(cè)溫系統(tǒng)中高壓側(cè)裝置的供電問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高壓斷路器測(cè)溫系統(tǒng)的可靠工作，該文設(shè)計(jì)了一種基于高壓母線感應(yīng)取電的電源。完成了電源的硬件電路設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該電源可以滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用該電源可以為測(cè)溫系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，可以有效地提高高壓斷路器測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：高壓斷路器 ?感應(yīng)取電 ?CT

中圖分類號(hào)：TM932 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）12（c）-0019-03

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)的快速發(fā)展中，為了防止高壓電氣設(shè)備出現(xiàn)過(guò)熱事故，確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和可靠性，需要對(duì)高壓電氣設(shè)備安裝溫度監(jiān)測(cè)裝置。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外高壓斷路器測(cè)溫技術(shù)的研究，目前使用較多的是無(wú)線測(cè)溫技術(shù)，高壓斷路器測(cè)溫系統(tǒng)高、低壓側(cè)采用無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，可以實(shí)現(xiàn)高壓隔離問(wèn)題和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性[1]。此方法需要解決的主要問(wèn)題之一是高壓側(cè)測(cè)溫裝置的供電問(wèn)題，傳統(tǒng)的供電方式比如使用蓄電池供電、太陽(yáng)能供電、激光供電、超聲電源供電，或多或少都存在一些不足或者技術(shù)難點(diǎn)，該文為高壓斷路器無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種從母線獲取的感應(yīng)電源，它可以實(shí)現(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)的獨(dú)立工作，可以大大提高測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性[2]。

1 ?系統(tǒng)概述

高壓斷路器無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示，此系統(tǒng)主要包括溫度檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和上位機(jī)單元。溫度檢測(cè)模塊安裝在高壓斷路器內(nèi)部的被測(cè)點(diǎn)，溫度傳感器的測(cè)溫端嵌入在靠近梅花觸頭的觸臂內(nèi)來(lái)測(cè)量梅花觸頭的溫度，實(shí)時(shí)進(jìn)行高壓斷路器觸頭溫度的采集。系統(tǒng)利用無(wú)線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊。低壓側(cè)的數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)接收處理后上傳至上位機(jī)，進(jìn)行溫度顯示、高溫報(bào)警等處理。該系統(tǒng)中溫度檢測(cè)模塊的電源來(lái)自高壓斷路器內(nèi)部母線的感應(yīng)取電，通過(guò)特制線圈制成的CT互感器環(huán)繞并固定在高壓斷路器觸臂上。

2 ?感應(yīng)取電電源設(shè)計(jì)

2.1 CT電源原理及安裝

測(cè)溫系統(tǒng)采用CT互感器（CT電源）通過(guò)高壓母線取電技術(shù)為高壓側(cè)裝置提供電源，供電CT的線圈環(huán)繞并固定在高壓斷路器觸臂上，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)斷路器合閘通電后，CT電源就能在高壓斷路器的觸臂上感應(yīng)得到交流電電能，再通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓處理后為高壓側(cè)溫度采集模塊供電。溫度檢測(cè)及藍(lán)牙無(wú)線通信模塊固定在觸臂上，溫度傳感器的測(cè)溫端嵌入在靠近梅花觸頭的觸臂內(nèi)來(lái)測(cè)量觸頭的溫度，靠近發(fā)熱點(diǎn)，能準(zhǔn)確快速地反映斷路器的觸頭溫度變化情況。其在斷路器觸臂上的安裝示意圖如圖2所示。

2.2 磁芯材料及線圈匝數(shù)的選擇

在選擇CT磁芯材料時(shí)，首先要考慮的是高壓自具電源的啟動(dòng)電流盡可能小，因此要求選用高磁導(dǎo)率的磁性材料。同時(shí)，母線電流在大到數(shù)千安培時(shí)，磁芯要在盡可能小的電流下達(dá)到飽和，所以又要選用飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較低的磁芯材料。可供選擇的常用鐵芯材料主要有硅鋼材料、非晶材料和莫坡合金，它們的基本參數(shù)如表1所示。

根據(jù)以上原則，通過(guò)表1中的幾種常用材料特性比較，該文使用坡莫合金IJ85作為CT互感器的鐵芯材料。它不僅飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低、磁導(dǎo)率高，而且有很好的初始導(dǎo)磁率，處于非飽和狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)磁率很大，感應(yīng)電壓隨母線電流變化比較明顯，易在小電流情況下感應(yīng)出滿足要求的電壓[5，6]。

線圈匝數(shù)的確定需要理論和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合。一方面，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，鐵芯體積越大，啟動(dòng)電流越小，所以可以選擇體積較大的鐵芯，可是僅僅增大鐵芯體積會(huì)使成本和重量增加。另一方面，在給定鐵芯材料和負(fù)載的前提下，電源的啟動(dòng)電流與二次側(cè)匝數(shù)有關(guān)。因此最終可以通過(guò)確定最佳的線圈匝數(shù)來(lái)減小電源的啟動(dòng)電流。線圈匝數(shù)和最小啟動(dòng)電流可以用電磁學(xué)的基本理論計(jì)算出它們之間的關(guān)系，再用這個(gè)線圈匝數(shù)制成CT電源帶后續(xù)電路和實(shí)際負(fù)載上電實(shí)測(cè)，看是否滿足指標(biāo)要求，最后確定出線圈匝數(shù)為500匝。

2.3 CT輸出電壓的處理電路設(shè)計(jì)

磁感應(yīng)線圈從高壓母線感應(yīng)出來(lái)的是交流電壓，在供給溫度檢測(cè)模塊電路之前，CT二次側(cè)的感應(yīng)電壓要經(jīng)過(guò)整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓，DC-DC變換等處理后才能為高壓側(cè)電路提供所需的電壓，電路圖如圖3所示。

2.3.1 整流電路

首先要把CT二次側(cè)繞組的輸出電壓由交流變成直流，該文采用全波整流橋電路。為了保證二極管在輸出電壓較大時(shí)不被擊穿以及減少壓降損失，在選擇二極管時(shí)，要求有足夠的耐壓值和要有較小的正向?qū)▔航礫7]。通過(guò)比較篩選采用肖特基二極管，由于此整流電路的電流并不是很大，而整流電壓相對(duì)較高，所以設(shè)計(jì)中要選擇耐壓強(qiáng)度較高的肖特基二極管。

2.3.2 濾波電路

整流電路后輸出的直流電的脈動(dòng)還是比較大，里面含有較大的交流成分，所以要用濾波電路濾除其中的交流成分。在此設(shè)計(jì)采用復(fù)式濾波電路——LC-π型濾波電路，在電容C濾波的基礎(chǔ)上再加上一級(jí)LC濾波，比LC濾波電路效果更好。

2.3.3 DC-DC變換電路

由于高壓斷路器母線電流的變化范圍較大，所得到的直流電壓范圍也比較寬，根據(jù)溫度檢測(cè)模塊電路的需要，要把整流、濾波后的電壓變?yōu)?V以供其使用。該文采用78L05三端穩(wěn)壓器，它的輸入電壓范圍是7～30V，輸出為+5V直流電壓。實(shí)際使用中也可以根據(jù)不同的電壓需求來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的穩(wěn)壓器。

2.3.4 保護(hù)電路

（1）過(guò)電壓的防護(hù)。采用雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）器件，雙向TVS能在正反兩個(gè)方向抑制瞬時(shí)大脈沖功率，其正反兩個(gè)方向具有相同的擊穿特性和鉗位特性。根據(jù)這個(gè)功能，可以吸收電路中可能出現(xiàn)的異常過(guò)電壓，避免電路元件因過(guò)電壓而損壞。

（2）電壓保護(hù)與能量泄放。整流濾波后的輸出電壓會(huì)跟隨斷路器母線電流的增大而增大，鐵芯飽和后，CT感應(yīng)出的電壓也較大，所以要避免過(guò)電壓使DC-DC模塊受到損壞。當(dāng)電壓較高時(shí)，穩(wěn)壓二極管D1擊穿，三極管Q1導(dǎo)通，為能量釋放提供通道;當(dāng)電壓較低時(shí)，D1不會(huì)擊穿，所以不會(huì)影響小電流時(shí)電源的正常工作。

（3）穩(wěn)壓器的保護(hù)。電路輸出端一般并聯(lián)一只大容量的電容器C4來(lái)減少紋波電壓，但是如果輸入端發(fā)生短路時(shí)，電容器C4上存儲(chǔ)的電荷就會(huì)通過(guò)78L05內(nèi)部的電路泄放。由于電容器釋放的能量較大，極可能會(huì)造成78L05的損壞。為了保護(hù)穩(wěn)壓管，可以在輸入和輸出之間接一個(gè)保護(hù)二極管D2，這樣它就會(huì)為電容器C4上電荷的泄放提供一個(gè)通道，起到保護(hù)穩(wěn)壓器的作用[8]。

3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用2500A的電流發(fā)生器模擬母線電流為CT電源提供測(cè)試工作電流;CT電源是被澆鑄封裝在硅膠，再如圖2所示那樣套在高壓斷路器觸臂上的。CT電源的鐵芯選用坡莫合金IJ85材料，形狀為圓形，其樣機(jī)規(guī)格為56/48/12，線圈所用的漆包線的線徑為0.19mm，CT線圈匝數(shù)為500匝。電源樣機(jī)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

4 ?結(jié)語(yǔ)

該文為高壓斷路器測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高壓母線感應(yīng)取電電源，有效地解決了系統(tǒng)高壓側(cè)溫度檢測(cè)模塊的供電問(wèn)題，能夠?yàn)楦邏簜?cè)電路提供穩(wěn)定的工作電源;實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫系統(tǒng)的獨(dú)立工作，可以大大提高測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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