基于特種環境下的電流互感器取電電源的研究與設計

摘要：針對在特殊情況下，較大功率用電設備取電難的問題，設計能夠輸出24 V/100 W的電流互感器取電電源。該取電電源系統由整流濾波電路、Boost-Buck電路、電壓控制模塊組成，通過對取電線圈的理論分析及電路的仿真和實驗，驗證其具有可行性。

關鍵詞：電流互感器；取電電源；Boost-Buck電路

中圖分類號：TM452 文獻標識碼：A

0 引言

在實際運行中，架空線路經常會發生線路覆冰、線路舞動、絕緣子閃絡等不安全現象，地下電纜線路也常常因雨水天氣，導致工井內出現積水現象，電纜被積水長期浸泡將影響電纜線的使用壽命，對電網的安全運行造成隱患[1-2]。為保證輸電線路的正常運行，有必要在架空線路和地下電纜工井安裝監測設備，從而能夠及時發現潛在問題并避免事故的發生[3]。

電網中的監測巡查設備常用供電方式有太陽能板供電、激光供電、風能供電、電容分壓式供電和電流互感器感應取電等[4]。其中，電流互感器感應取電有廣闊的發展前景，其具有供能方式簡單、安裝方便、成本低等優點，因此廣泛應用于監測設備中。電流互感器原理與變壓器相似，高壓線路一次側電流經過電流互感器感應取電，在二次側得到交流電，然后經過取電電源得到穩定的直流電[5]。

功率較大的巡查監測設備的功率約為100 W，這對取電電源的輸出功率提出了較高要求，而目前所研究的取電電源大多輸出功率在20 W以下，無法滿足其運行條件。本文結合電流互感器感應取電、整流濾波穩壓、控制模塊和直流/直流（direct current/direct current，DC/DC）變換器模塊設計出一種能輸出24 V/100 W的取電電源，解決了功率較大的監測設備的供電問題。

1 取電線圈原理分析

電流互感器是根據電磁感應原理，從輸電線路感應出電流，將該電流經互感器二次側導出至后級取電電源電路。為簡化分析，將外接負載視為阻性負載，忽略磁芯損耗和漏電勢，取電線圈負載等效模型如圖1所示。

根據電磁感應定律和安培環路定律，通過取電線圈的勵磁電流建立磁芯磁通，線圈副邊根據變化的磁通感應出電動勢，線圈副邊輸出電壓有效值E2的表達式：

E2 =πfN2Φm。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中，N2為副邊線圈匝數；Φm為取電線圈磁芯內通過的磁通；f為母線電流頻率。

根據安培環路定律可知：

Φm = BmS。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

Bm = μHm。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

Hm = 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

式中，Bm為磁芯飽和磁感應強度；Hm為取電線圈磁芯內磁感應強度的有效值；S為取電線圈的磁芯截面積；μ為磁芯磁導率；N1為原邊匝數；Im為勵磁電流的有效值；L為線圈平均磁路長度。

輸電母線作為取電線圈的原邊，在計算時原邊匝數N1取1匝。聯立式（1）～（4）可得：

E2 = 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （5）

Im =" 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

由式（6）可知，Im與E2、L成正比，與N1、N2、S成反比，在線圈材料和取電線路確定的情況下母線電流頻率f與磁芯磁導率μ為常數。為了提高傳輸效率，減小勵磁電流損耗，在設計過程中應盡可能減小磁芯磁路長度和增大磁芯截面積，并且選擇磁導率較大的磁芯材料。

在一次側損耗的情況下，實際流入互感器二次側負載的電流I2：

I2 = 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （7）

式中，I1為母線電流。

聯立式（6）和式（7）可得：

I2 =" -" 。" " " " " " " " " " " " " " " " " "（8）

由式（8）中可知，在給定線圈磁芯材料以及磁芯尺寸和線圈匝數的情況下，可由母線電流得出互感器二次側負載的電流，根據此條件可選定取電線圈大小及材料參數。

2 取電電源電路設計

基于上述取電線圈原理分析可知，電流互感器取電具有特殊性，其特殊性是輸電線路所造成的能量的不確定性和二次側電壓的不穩定性。由于電網負荷的改變，輸電線路電流也隨之變化，在輸電線路電流較大時，電流互感器獲取能量多，二次側感應電壓也較大；在輸電線路電流較小時，電流互感器獲取能量少，二次側感應電壓也較小，無法維持用電設備的穩定運行。

由于輸電線路電流變化范圍較大，如果不加以控制，二次側電壓也會出現較大的變化。取電電源是在取電線圈的基礎上，對二次側電流電壓進行控制和處理，使得取電電源輸出穩定直流電壓。取電電源主要由整流濾波電路、電壓控制模塊、Boost-Buck電路等模塊組成。

整流電路采用單相橋式不可控整理電路。DC/DC電源模塊采用Boost-Buck電路，Boost升壓電路經過控制模塊控制后使電路能夠輸出穩定的48 V電壓；Buck降壓電路采用固定占空比控制方式，使電壓由48 V降至24 V，從而給用電設備供電。

主電路中整流電路由4個二極管構成整流回路，Boost-Buck電路中的兩個開關管采用金屬氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET），Boost電路中的MOSFET開關由控制模塊控制。本文設計的控制模塊采用電壓閉環控制，它根據給定值與輸出值形成控制偏差，將偏差的比例和積分通過線性組合形成控制量，對被控對象進行控制，使輸出達到給定值。控制模塊結合功率因數校正技術，取電電源是一種電容輸入型電路，其輸入電流和電壓之間存在相位差，這會造成交換功率的損失，采用功率校正技術可以提高轉換效率。Buck電路中的MOSFET開關采用固定占空比控制，只需前端Boost電路能夠穩定地輸出48 V電壓，后端Buck電路經過固定占空比控制可得到穩定的24 V電壓。該取電電源系統具有電壓控制電路結構簡單、控制策略易實現、控制效果明顯等優點。

3 MATLAB仿真驗證分析

為了驗證電流互感器在線取電方法的有效性以及對理論分析的正確性，采用MATLAB/Simulink仿真軟件對電流互感器取電方法的理論模型進行仿真分析，為簡化分析，母線電流采用正弦變化的電流源表示，取電裝置的磁芯和線圈用變壓器代替，初級繞組匝數取1匝，次級繞組匝數取200匝，母線電流取20 A。

根據上述理論分析在MATLAB/Simulink仿真軟件中搭建取電電源電路仿真模型，整流部分采用由4個二極管組成的單相全波整流橋。DC/DC變換部分采用Boost-Buck電路，其中Boost電路采用電壓閉環控制，通過對Boost后級電壓進行采樣，并改變其電路占空比與所給定理想值（48 V）進行擬合，產生脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）波形對Boost電路中的MOSFET進行控制；Buck電路采用固定占空比控制策略對前端Boost電路所輸出電壓進行降壓，使其達到用電設備所需電壓值。利用電壓閉環控制傳遞函數，調節比例積分參數，使輸出電壓達到穩定的48 V直流電壓。

經過電壓控制模塊調節后的Boost電路可以穩定輸出48 V直流電壓。后端Buck電路采用固定占空比的控制方式，使占空比固定為0.5，電壓經過Buck電路便可由48 V降至24 V，達到本次設計目的。

經過Boost-Buck電路后可以穩定輸出24 V直流電壓，在特定負載情況下可以輸出4.3 A直流電流，功率可達到100 W左右，此仿真結果符合設計目標。

由表1可以看出，當二次側負載發生變化時輸出電壓仍能穩定輸出24 V直流電壓，并且在負載為6.0 Ω時輸出功率可以接近100 W，但是隨著二次側負載的增大，輸出功率逐漸減小。

4 實驗驗證

根據以上分析，搭建實驗平臺，實驗采用特制電流互感器，互感器磁芯材料為非晶合金，線圈外徑為100 mm，線圈內徑為38 mm，匝數為200匝，取電電源樣機采用CREE公司生產的半橋模塊搭建Boost-Buck電路，利用數字信號處理器（digital signal processing，DSP）技術對開關管進行控制，控制芯片采用TMS320F28335。

母線從線圈中穿過，利用自耦調壓器提供不同幅值的電流，調壓器輸入端接220 V/50 Hz三相交流電，三相輸出端分別接3根電爐絲負載，使導線形成回路，線圈輸出端連接電源模塊，負載用6 Ω的功率電阻代替。

通過自耦調壓器使母線電流升高至20 A，電流互感器副邊感應電壓為20 V左右，互感器副邊連接整流橋，整流后交流電壓轉換為直流電壓，整流濾波后通過Boost電路使電壓穩定至48 V。采用電壓傳感器對Boost電路輸出端進行采樣，利用DSP對采樣值進行比例積分參數控制。由實測波形可知，Boost輸出電壓穩定至48 V左右，誤差小于

1 V。但是通過示波器可以看出，Boost輸出電壓有較大紋波，不利于負載的穩定工作。

由于Boost電路輸出電壓存在較大紋波，需要對電壓進行處理，在后級添加Buck電路，Buck電路采用固定占空比控制方式，使電壓穩定至24 V并消除紋波。通過示波器可以看出，負載兩端電壓穩定至24 V左右，誤差小于1 V，穩定性良好。

如圖2所示，經實驗驗證，實際數據與仿真數據的數值基本相符。在特定負載條件下，取電裝置能輸出24 V直流電壓和100 W的功率，證明了理論分析及仿真的正確性。

5 結語

本文對電流互感器取電電源在較大功率用電設備上的應用進行研究，通過對取電線圈原理的分析，確定了母線電流、取電線圈磁芯截面積、線圈磁路長度、二次側匝數等因素對取電線圈的影響，設計出一種能夠輸出24 V/100 W的新型取電裝置。利用MATLAB仿真對方案的可行性進行驗證，最后實驗結果表明該系統可靠性良好，能夠滿足

24 V/100 W用電設備的穩定運行。本設計具有功率較大、效率高、穩定性好等優點，擁有廣闊的應用空間和良好的發展前景。

參考文獻

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