电子式电流互感器高压侧取能装置的设计

电子式电流互感器高压侧取能装置的设计

张锐

(黑龙江省电力科学研究院黑龙江哈尔滨150030)

摘要：有源型电子电流互感器高压侧工作电源的取能方式是影响互感器可靠性和精度的关键环节。文章针对有源型数模转换式电子电流互感器，给出其高压侧取能装置的设计方案，利用电磁线圈从母线上摄取能量，接收的一次侧传变电流经整流、滤波、稳压等处理后向互感器高压侧供电。该设计方案选用非晶材料制作取能线圈铁心，采取双铁心并行工作方式，并通过稳压管泄放二次侧电流，保证取能装置能够在适应母线一次电流较大变化范围的基础上长时间稳定工作，同时采用固态继电器解决了大功率稳压管工作中产生大量热能的问题。该方案实现简单，造价低廉，经试验证明是可行的。

关键词：电子式；电流互感器；高压侧取能装置；设计

1引言

目前，微机和电子技术的应用使得电力系统中计量和保护信号的数字化处理和传输得以实现。电力系统中新型电子式监控设备得到了广泛关注，传统的电力控制技术面临着新的变革。本文针对有源型数模转换式电流互感器，提出一种可靠且低成本的通过电磁耦合从母线上取能的供能设计方案，并通过实际取能装置的试验结果对设计方案进行了验证。

2电子式电流互感器供能方式

目前有源型电子电流互感器的供能方式主要有3种:第一，通过电磁耦合利用一次侧电流从母线上取能；第二，由地面低压系统取能并转换为激光,通过光纤输送至高压平台,然后再将光能转化为电能；第三，采用可充电蓄电池供能。在激光供能方式中，激光器本身的成本较高且输送功率受到严格限制，若增加光纤数目必然要增加成本。可充电蓄电池供能方式存在光电池转换效率、电池老化等问题，可靠性难以保证。某些电子式电流互感器产品采用从3种方式中选取2种相结合的供能模式，不但增加了成本而且要考虑2种方式切换时的可靠性问题。本文的设计方案采取从一次母线电流提取能量的方式，方法简单可靠且易于实现。图1给出了采用该方案的电子式电流互感器的结构。

3新型取能装置设计

3.1基本需求和设计原则

对于有源型电子电流互感器，如果电子电路的电源供应不稳定，系统工作的可靠性和精度会受到影响。各种供能方式所能提供的能量有限，所以电子电路的功耗不能太大，其设计要求是:第一，满足高压端电路的功率需求；第二，能够无间断地长时间稳定工作；第三，保证高、低压系统之间的绝缘。

相应的设计原则是:选用微功耗器件；采用单电源、低电压供电；充分利用器件的节电工作方式,降低系统平均功率。

遵循以上设计原则，通过实测和理论估算认为，以目前的芯片技术采集传送电路模块(不包括电/光和光/电转换器件)功耗可小于100mW。电/光和光/电转换器件的能耗较大，设计中除减少其数量之外，还可以通过提高传输速率等方法来降低系统功耗。

3.2取能装置的整体设计

3.2.1基本原理及技术难点

通过电磁线圈从一次电流取能是目前可行且较经济的互感器高压侧供电方案。其基本原理是利用电磁线圈从母线上接收一次侧传变的电流，通过整流、滤波、稳压等后续电路处理向电子式电流感器高压侧供电。采用这种方法面临2个困难：第一，母线电流处于空载等小电流状态时如何保证电源的正常供应；第二，母线处于超过额定电流的大电流状态甚至短路故障电流状态时，如何确保电源系统足够安全和不间断供电。为改善小电流启动状态需要增大铁心截面，降低二次侧绕线匝数，这就要求在一次侧出现大电流时二次侧必须能通过相应的大电流，否则二次侧就会出现过电压;如果增加二次侧绕线匝数则又会影响在一次侧小电流状态下工作电源的电流输出能力。因此，如何协调母线小电流状态和大电流状态时的工作状况是取能装置最主要的技术难点。

3.2.2取能线圈铁心的选取

铁磁物质的磁感应强度B和磁场强度H之间是非线性关系。对这些物质来说,基本公式B=µH中的导磁率µ并非一个常数,其大小不仅与铁磁物质的成份、材料的热处理和机械加工及磁化过程中的磁状态等有复杂的关系,而且与外施磁场强度有很大关系。几种常见铁心材料的磁化曲线见图2。

3.2.3供能电路的设计

供能电路如图3所示，取能线圈二次侧电流经整流滤波，在大功率稳压管D0上形成一个10V的电压，通过三端稳压管向后续电路提供一个5V的工作电源。TVS可以在大电流冲击二次侧产生高电压时起到抑制作用，从而保护电子元件免受过电压的损害。

4考虑不同工况条件下供能电路的改进及试验验证

4.1初始启动状态工况的验证

对于这种从一次电流取能的供电结构，电源变压器输出的交流电经由桥式整流和电容滤波电路后得到直流电压平均值在估算初始启动电流数值时必须予以考虑。根据设计方案选取的特制铁心型号，其并行铁心中单片铁心的机械面积5.25×4210m²，磁路平均周长为0.518m。为保证电流互感器高压端电子元件30mA的工作电流，要求一次侧激发电流值至少在6A以上。对于本装置运行的220kV输电线路，

由于其电纳与几何均距、导线半径之间有对数关系，架空线路的电纳变化不大，其值一般在2.85×610−S/km左右，由此可以估算出距离为20km的空载线路通电时初始电流值可达7.2A，这说明本设计方案是可行的。

4.2考虑大电流过饱和状态工况条件下供能电路的改进及验证

为保证在大电流冲击时整个供能电路能够安全工作，考虑到大功率稳压管D0的发热问题，设定在大功率稳压管回路电流达到其额定值的60%时无气隙铁心单片开始饱和，通过式计算就可以确定限流分压电阻R的阻值。在电阻参数和线圈匝数确定后，便可进行实际的现场测试。试验证明其工作效果达到了设计要求，具有电路简单、不易受干扰影响、可靠性高等优点。然而也存在一些不足，主要是大电流状态时在稳压管上消耗功率较多并引起发热，工作元件温升较高，应用在电子式电流互感器高压端会造成传感器部位的散热负担，为此对设计方案进行了改进。

结语：

本文提出的有源式电子电流互感器高压侧数采集电路的供能方案实现比较简单，造价低廉，实用性强，受外界干扰小，可以在小电流下启动，并且能在大电流冲击时保持正常工作。该设计方案可使供电功率扩大到150mW以上，能够在一定程度上缓解数据采集电路能耗需求紧张的情况并提高供电可靠性。与通过光纤以激光供能的方案相比，本方案还可以大幅降低制造成本。

参考文献：

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