導(dǎo)線感應(yīng)取電的關(guān)鍵技術(shù)研究

朱成喜 韓曉新 于冬梅 邢紹邦

（江蘇理工學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

0 引言

現(xiàn)今高壓輸電線路上的監(jiān)測(cè)裝置越來(lái)越多地使用感應(yīng)取電的方法給裝置供電。目前感應(yīng)取電主要有2種方法，一種是為感應(yīng)鐵芯引入氣隙磁阻的方法，另一種是使用雙向可控硅限制二次側(cè)輸出電壓的方法。但這2種取電方法都存在著一定的問(wèn)題，比如一次側(cè)電流較小時(shí)（如40 A），供電系統(tǒng)無(wú)法給監(jiān)測(cè)裝置提供所需功率的問(wèn)題；取電方式的穩(wěn)定性不夠以及取電鐵芯、雙向可控硅發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題。

本文提出了出一種利用雙向可控硅和加入一種交流調(diào)壓電路的方法，解決了系統(tǒng)輸出功率不足、穩(wěn)定性不夠以及雙向可控硅和整流器存在發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題，同時(shí)在一次側(cè)電流較大時(shí)（如1 000 A）把鐵芯二次側(cè)輸出功率穩(wěn)定在較小的范圍內(nèi)，為監(jiān)測(cè)裝置供電，保證監(jiān)測(cè)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)原理框圖

本設(shè)計(jì)主要電路包括保護(hù)及降壓電路、交流調(diào)壓電路和整流濾波模塊。取電線圈從輸電線路上感應(yīng)出交流的電壓電流，經(jīng)過(guò)3個(gè)電路的調(diào)理后，可以輸出穩(wěn)定的直流電壓給監(jiān)測(cè)裝置使用。電路原理框圖如圖1所示。取電鐵芯和取電線圈的作用是直接從輸電線路獲取電能，二次側(cè)輸出的電能經(jīng)過(guò)保護(hù)及降壓電路被調(diào)理成電壓振幅適中的電能，后經(jīng)過(guò)交流調(diào)壓電路，進(jìn)一步把電壓限制在一定范圍內(nèi)，整流濾波電路對(duì)交流進(jìn)行整流和濾波，以提供給監(jiān)測(cè)裝置穩(wěn)定的直流電壓。

圖1 電路原理框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 保護(hù)及降壓電路

取電線圈從高壓輸電線上感應(yīng)出交流的電壓電流后，接下來(lái)進(jìn)入保護(hù)及降壓電路。保護(hù)及降壓電路主要由放電管和雙向可控硅組成，如圖2所示。放電管的作用是防止線路雷擊或短路給二次側(cè)產(chǎn)生沖擊電流對(duì)后面電路的破壞。雙向可控硅的作用就是把二次側(cè)輸出的電壓鉗制在一定的范圍內(nèi)，以方便后級(jí)電路的處理。雙向可控硅的觸發(fā)極使用一個(gè)電位器來(lái)控制雙向可控硅導(dǎo)通的時(shí)間，從而控制二次側(cè)輸電電能的電壓。由于二次側(cè)輸出電能的電壓和功率很高，所以此時(shí)電位器的阻值應(yīng)很大，以降低雙向可控硅導(dǎo)通的時(shí)間，防止雙向可控硅因吸收的功率太大而導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重?fù)p壞。同時(shí)可控硅還可以濾除副邊電壓過(guò)高的尖鋒，起到保護(hù)電路的作用。圖3為經(jīng)過(guò)保護(hù)及降壓電路后輸出的電壓波形。

圖2 保護(hù)及降壓電路

圖3 雙向可控硅降壓波形

2.2 交流調(diào)壓電路

輸出電能經(jīng)過(guò)雙向可控硅時(shí)，如果觸發(fā)電壓過(guò)小會(huì)導(dǎo)致雙向可控硅發(fā)熱嚴(yán)重。為了防止此現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)適當(dāng)調(diào)大觸發(fā)可控硅的電壓值，在后級(jí)電路中加入交流調(diào)壓電路，把輸出電壓進(jìn)行降壓，然后再經(jīng)過(guò)整流電路，將輸出的電壓值提供給監(jiān)測(cè)裝置。交流調(diào)壓電路（圖4）的作用是進(jìn)一步降低輸出電壓的值，避免雙向可控硅發(fā)熱嚴(yán)重。

圖4 交流調(diào)壓電路

交流調(diào)壓電路主要由2個(gè)方向相反的二極管并聯(lián)組成，當(dāng)輸出電壓幅值達(dá)到二極管導(dǎo)通值時(shí)，二極管導(dǎo)通，把輸出電壓的幅值限制在二極管導(dǎo)通時(shí)的電壓，從而把輸出電壓的幅值限制在一定范圍內(nèi)，以提供給整流電路較低的電壓幅值。交流調(diào)壓波形如圖5所示。

圖5 交流調(diào)壓波形

2.3 整流濾波電路

整流電路的作用是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，用來(lái)提供給后面的直流變換電路將電壓值變換為監(jiān)測(cè)裝置所需電壓值，如圖6所示。

圖6 整流濾波電路

本設(shè)計(jì)采用全橋式整流電路，由4個(gè)大功率二極管組成橋式電路。當(dāng)輸入電壓處于正半周時(shí)，二極管D7和D6導(dǎo)通，忽略二極管的壓降值，輸出電壓等于輸入電壓值；當(dāng)輸入電壓處于負(fù)半周時(shí)，二極管D5和D8導(dǎo)通，忽略二極管的壓降，輸出電壓等于輸入電壓值，并且方向仍然為正。整流波形如圖7所示。

圖7 整流波形

濾波電路采用的是電容濾波電路，把電容C1和C2并在電路之中，當(dāng)輸入電壓的幅值變化很大的時(shí)候，利用電容的充放電特性，輸出到負(fù)載上的電壓波形會(huì)變得平滑，以利于后面直流變換電路把電壓變換為直流電壓。

鐵芯輸出的交流電壓經(jīng)過(guò)保護(hù)及降壓電路、交流調(diào)壓電路和整流濾波電路的處理后，輸出一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，再經(jīng)過(guò)一定的直流變壓電路，就可以為后級(jí)監(jiān)測(cè)設(shè)備提供穩(wěn)定的電源電壓。

3 實(shí)驗(yàn)分析

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試鐵芯接上取電模塊后的輸出電壓及輸出功率。本設(shè)計(jì)的取電裝置應(yīng)能在原邊電流大于40 A時(shí)輸出足夠的電壓與功率，這樣才能為后端監(jiān)測(cè)設(shè)備提供穩(wěn)定的電能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路

實(shí)驗(yàn)中電流發(fā)生器的電流從40 A到100 A變化，負(fù)載電阻的大小穩(wěn)定為7Ω，利用電壓表測(cè)試輸出電壓并計(jì)算電路輸出的功率，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 取電裝置輸出電壓及輸出功率測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可知，當(dāng)原邊電流大于40 A時(shí)，取電裝置可以為監(jiān)測(cè)裝置提供穩(wěn)定的4 V以上的電壓和2.25 W以上的功率，保證監(jiān)測(cè)裝置可以連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。當(dāng)原邊電流在800 A時(shí)，經(jīng)測(cè)試，取電裝置的溫度在45℃左右，雙向可控硅的溫度在40℃以內(nèi)，可以保證持續(xù)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)證明了此取電裝置的可靠性和有效性。

4 結(jié)論

本文提出了一種利用雙向可控硅和一種交流調(diào)壓電路的方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，在輸電線路電流40 A到100 A變化時(shí)，取電裝置可以為監(jiān)測(cè)裝置提供穩(wěn)定的4 V以上的電壓和2.25 W以上的功率；同時(shí)在輸電線路電流為800 A時(shí)，取電裝置的溫度穩(wěn)定在45℃左右，且雙向可控硅和整流器發(fā)熱不嚴(yán)重，解決了雙向可控硅和整流器存在發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題，保證了監(jiān)測(cè)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］李先志，杜林，陳偉根，等.輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取能電源的設(shè)計(jì)新原理［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008（1）

［2］周順榮.電機(jī)學(xué)［M］.第2版.北京：科學(xué)出版社，2007

［3］沙玉洲，邱紅輝，段雄英，等.一種高壓側(cè)自具電源的設(shè)計(jì)［J］.高壓電器，2007（1）