基于電流互感器取電的故障指示器電源設(shè)計

康少波，楊小青，李俊奕，林威娜

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院,福建廈門361024; 2.廈門盛發(fā)電力科技有限公司,福建廈門361024; 3.廈門陽光恩耐照明有限公司,福建廈門361024; 4.億創(chuàng)電力建設(shè)有限公司,福建廈門361024)

基于電流互感器取電的故障指示器電源設(shè)計

康少波1，楊小青2，李俊奕3，林威娜4

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院,福建廈門361024; 2.廈門盛發(fā)電力科技有限公司,福建廈門361024; 3.廈門陽光恩耐照明有限公司,福建廈門361024; 4.億創(chuàng)電力建設(shè)有限公司,福建廈門361024)

設(shè)計了一種10～35 kV高壓輸電線上的故障指示器電源方案：將穿心式電流互感器套在高壓輸電線上，從高壓輸電線上獲取電能，經(jīng)過整流濾波等電路處理之后為二次側(cè)的故障指示器供電.同時，設(shè)計了基于超級電容和鋰亞電池的儲能電路，保證故障指示器在高壓線路停電或輸電線路電流較低的情況下能正常工作。實驗結(jié)果表明：在輸電線路大電流和小電流情況下，該方案的輸出波形良好，能夠避免大電流對電流的沖擊、解決供電死區(qū)的問題.

故障指示器；電流互感器取電；不間斷供電

隨著我國智能電網(wǎng)的發(fā)展,在線檢測設(shè)備大規(guī)模地應(yīng)用于配電網(wǎng)上［1］.故障指示器作為配電網(wǎng)絡(luò)重要的檢測設(shè)備,其通過檢測配電線路故障電流指示故障所在的出線、分支和區(qū)段,為尋找故障提供了極大的方便［2］.目前,在線檢測設(shè)備的供電方式主要有激光供電、太陽能供電和電流互感器(current transformer,CT)供電等.激光供電主要利用光纖把光能從接地端傳送到高壓端,再由光轉(zhuǎn)換器將光能轉(zhuǎn)換為電能,該方法難以應(yīng)用于長期野外工作［3］.太陽能供電的實際輸出功率主要受太陽輻射照度的影響［4］,而太陽輻射單位面積能量密度低,并且受到天氣和季節(jié)的影響,因此該供電方式體積大并且供電不穩(wěn)定.相比之下,電流互感器的供電方式具有安裝簡單、成本低、供電可靠等優(yōu)點［5－11］.本文設(shè)計了基于電流互感器取電的故障指示器電源,完成了整個供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、供電電流互感器選擇、電能變換電路和儲能電路的設(shè)計.

1 供電方案設(shè)計

電流互感器取電技術(shù)具有體積小,安裝簡便,絕緣要求低,結(jié)構(gòu)簡單,成本低等優(yōu)點.但是,由于不同地區(qū)的負載不一樣,日夜負載差異較大,母線的電流會處在一個較大的變化范圍內(nèi),并且發(fā)生故障時會產(chǎn)生短路、開路等問題.目前電流互感器取電技術(shù)主要面臨2個問題：一是當(dāng)線路負載較小或者故障開路時,供電電流互感器不能獲取足夠的能量為負載供電,即存在供能死區(qū)；二是當(dāng)線路負載較大或者短路故障時,供電電流互感器飽和,二次側(cè)感應(yīng)出高壓尖脈沖對供電電流互感器及電路產(chǎn)生沖擊和破壞.因此,為解決大電流沖擊和供能死區(qū)的問題,本文提出新的設(shè)計方案：當(dāng)一次母線電流較小時,由超級電容和鋰亞電池為故障指示器供電；當(dāng)一次母線電流過大或者短路時,通過TVS將尖脈沖電壓抑制在一定范圍以內(nèi),保護后續(xù)電路,從而保證故障指示器可以工作在一個較寬的電壓范圍.

電流互感器取電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括供電電流互感器、整流濾波保護電路、DC/DC降壓電路、低壓差線性穩(wěn)壓電路、后備電源以及欠壓無壓檢測電路等.當(dāng)一次母線電流較大時,供電電流互感器的取能線圈 (二次側(cè)繞組)通過鐵心從母線上獲取電能,整流濾波保護電路將取得的交流電整流濾波成較平緩的直流電,并通過TVS將電壓鉗制在一定范圍以內(nèi),保護后端設(shè)備,能量經(jīng)DC/DC降壓后一部分通過線性穩(wěn)壓電路為故障指示器提供一個高質(zhì)量的直流電,另一部分儲存在后備電源中；當(dāng)一次母線電流較小無法為故障指示器提供足夠的能量時,后備電源將為故障指示器供電.欠壓無壓檢測電路通過檢測電壓判斷能量是否足夠為故障指示器供電,當(dāng)無法為故障指示器提供足夠能量時,欠壓無壓檢測電路將向故障指示器中的微處理器發(fā)送一個進入低功耗模式的信號.是否進入低功耗模式還需要其他的判斷條件,如是否通信結(jié)束等.電流互感器取電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 電流互感器取電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of power system base on the current transform

2 供電電流互感器設(shè)計

根據(jù)電磁感應(yīng)定律,供電電流互感器通過一個閉合的鐵心感應(yīng)母線的交變電流產(chǎn)生一個交變的磁場,交變的磁場在二次回路感應(yīng)出一個交變電壓,通過整流濾波等電路為故障指示器提供一個穩(wěn)定的直流電.供電電流互感器的設(shè)計主要是根據(jù)應(yīng)用背景來選擇鐵心的材料和結(jié)構(gòu).

2.1 鐵心材料選擇

電流互感器常用的軟磁鐵心有超微晶鐵心,坡莫合金鐵心,硅鋼片鐵心.超微晶材料和坡莫合金材料成本高,具有較高的初始磁導(dǎo)率,故其作為供電CT鐵芯具有較低的取能死區(qū),但其磁飽和感應(yīng)強度較低,在較低的電壓下就會發(fā)生磁飽和并產(chǎn)生尖脈沖電壓.而硅鋼片的磁飽和感應(yīng)強度在上述的3種材料中最高.由于制作這個CT的目的是為故障指示器提供電能,并非測量用,故選擇飽和磁感應(yīng)強度高,成本低的硅鋼鐵心［12］.

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 50W600 B-H曲線圖Fig.2 Graph of 50W600 B-H

對于閉合鐵心 (氣隙非常小,忽略不計),在鐵心處于線性段時,二次側(cè)感應(yīng)電壓與母線電流成正比［12］.根據(jù)無取向硅鋼片50W600的B－H曲線圖,如圖2所示,當(dāng)磁感應(yīng)強度為1.4 T時(1.4 T以下近似工作在線性區(qū)),無取向硅鋼片鐵心的H值為400 A·m－1.設(shè)母線電流的額定值為1 000 A,為避免產(chǎn)生尖脈沖電壓使鐵心工作在線性區(qū),則鐵心周長由磁路的計算方法推知：

周長2.5 m的鐵心明顯不適用于故障指示器,所以在大電流情況下,由于鐵心磁飽和而產(chǎn)生的尖脈沖電壓問題無法避免,只能在電路設(shè)計方面解決這一問題.

故障指示器的安裝要求母線不斷電,故該鐵心必須開口,由于氣隙越大,磁阻越大,磁導(dǎo)率越低,供能死區(qū)越大,故氣隙應(yīng)盡量小,結(jié)合故障指示器大小最終確定鐵芯的結(jié)構(gòu)如圖3所示,上半部分長為6 cm,寬2 cm,高2.5 cm,下半部分長6 cm,寬2 cm,高5.5 cm.

圖3 鐵芯結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of transformer iron core

3 電能處理電路設(shè)計

電能處理電路的主要目的是將電流互感器獲得的能量進行處理和分配,為故障指示器提供一個穩(wěn)定的直流電源.電能處理電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,本設(shè)計方案是先通過整流濾波電路將交流電轉(zhuǎn)化成直流電,并將電壓鉗制在一定范圍以內(nèi),再通過DC/DC降壓電路輸出穩(wěn)定的直流電,該直流電能一部分通過儲能電路給后備電源中的超級電容充電,另一部分通過低壓線性穩(wěn)壓電路向故障指示器提供一個高質(zhì)量的直流電.此外,還設(shè)有欠壓無壓檢測電路檢測供電CT的供電狀態(tài).

圖4 電能處理電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure of power converter circurrent

3.1 整流濾波保護電路設(shè)計

電流互感器二次測感應(yīng)的是一個交流電,為轉(zhuǎn)換成平穩(wěn)的直流電,需要設(shè)置一個整流濾波電路,并且選擇合適的穩(wěn)壓器件保護后面的DC/DC芯片.電能處理電路如圖5所示,本設(shè)計方案采用的是橋式整流電路,選擇1N5819低壓降的肖特基二極管.由于故障指示器的負載電流小,故采用簡單的電容濾波電路.并且采用了P6KE20CA的TVS管,并聯(lián)在橋式整流電路之后可以吸收由于鐵心飽和產(chǎn)生的高壓尖脈沖以及由于線路浪涌感應(yīng)出來的高電壓,保護后端電路.

3.2 DC/DC降壓電路設(shè)計

由于母線電流根據(jù)線路負荷不斷在變化,二次側(cè)感應(yīng)的能量也在變化,故整流濾波電路輸出的是一個變化范圍較大的直流電,為了給負載供電以及超級電容充電,須將電壓降壓并穩(wěn)定.如圖5所示,本設(shè)計中采用的是XL1509.5.0E1的芯片,該芯片是一個寬輸入電壓范圍的BUCK降壓芯片,內(nèi)建頻率補償和固定頻率振蕩器.同時,在輸出端加一個68 μH/1A的電感以及47 μF,0.1 μF的電容來減少噪聲穩(wěn)定輸出電壓.

3.3 儲能電路設(shè)計

為解決供能死區(qū)問題,必須設(shè)計一個穩(wěn)定的儲能電路.如圖5,儲能電路分兩部分,一部分是可充電的超級電容,另一部分是一次性鋰亞電池.超級電容具有放電能力強,充放電次數(shù)多壽命長,充放電電路簡單的優(yōu)點,鋰亞電池可適用于各種高低溫惡劣環(huán)境.當(dāng)一次線路故障發(fā)生時,供電電流互感器無法為故障指示器提供能量,這時超級電容將承擔(dān)其供電的任務(wù),并且直到其電壓低于鋰亞電池電壓時由鋰亞電池供電.

3.4 線性穩(wěn)壓電路設(shè)計

為了得到一個高質(zhì)量的3V輸出電壓,并且盡可能地提高鋰亞電池的利用率以提高故障指示器的使用壽命,如圖5,設(shè)計采用了TI公司生產(chǎn)的TP5907低壓差線性穩(wěn)壓芯片,該芯片輸出3 V,具有超低壓差,紋波小的特點.

3.5 欠壓無壓檢測電路

當(dāng)母線電流較小無法為負載提供足夠的能量時,或者線路故障分閘之后母線長時間沒有電流通過,設(shè)備已完成翻牌和通信時,設(shè)備可能需要進入低功耗模式,以節(jié)約鋰亞電池的能量.為此,本文設(shè)計了一種檢測母線狀態(tài)的電路,作為是否進入低功耗模式的一個判據(jù).

如圖5,無壓檢測電路通過檢測整流濾波之后的電壓,判斷母線是否有電流,若母線有電流則輸出低電平,母線無電流則輸出高電平；欠壓檢測電路通過檢測整流濾波之后的電壓,判斷二次側(cè)感應(yīng)出來的能量是否足夠為負載供電,若檢測電壓高于設(shè)定電壓則輸出低電平,若檢測電壓低于設(shè)定的電壓則輸出高電平.

圖5 電能處理電路Fig.5 Power converter circuit

4 實驗與分析

為驗證本設(shè)計方案的可行性,搭建了一個實驗樣機試驗平臺.由于故障指示器僅需要μA級別的電流維持低功耗模式,在線路發(fā)生故障時,故障指示器需要做翻牌,通信等動作,時間大概為3～10 s,電流大小在10 mA左右.因此,實驗中,負載采用300 Ω電阻 (輸出10 mA),同時將CT鐵心套在升流器上,調(diào)節(jié)升流器輸出電流模擬母線電流,分別進行小電流 (10 A)和大電流 (500 A)實驗以驗證該電源設(shè)計方案無供電死區(qū)并可以在大電流情況下保護好后端電路.

4.1 小電流實驗

通過小電流試驗,檢驗電路是否存在供電死區(qū),在母線通過小電流情況下 (10 A),分別測試帶后備電源以及不帶后備電源的輸出波形,通過對比判斷是否解決供電死區(qū)問題,測試結(jié)果波形如圖6所示.

圖6 小電流實驗波形圖Fig.6 Small current waveform in experiment

由圖6可以看出,小電流情況下,輸入波形類似為矩形波 (鐵心未飽和),當(dāng)不帶后備電源時輸出電壓為1.6 V,無法為負載提供足夠的能量,帶后備電源時輸出一個平穩(wěn)的3 V電壓,說明小電流情況下由超級電容和鋰亞電池為負載提供一個穩(wěn)定的直流電源.

4.2 大電流實驗

為檢驗設(shè)計的電路在大電流時的工作情況,在母線大電流 (500 A)下,分別進行帶后備電源和不帶后備電源實驗.測試結(jié)果波形如圖7所示.

由圖7可以看出,大電流情況下,輸入波形為尖脈沖 (鐵心飽和),無論是否帶后備電源都能輸出一個3V電壓,說明本設(shè)計在大電流的情況下可以保護后端電路不受大電流沖擊,并且由供電CT為故障指示器提供一個穩(wěn)定的直流電源.

圖7 大電流實驗波形圖Fig.7 Large current waveform in experiment

5 結(jié)語

故障指示器作為配電系統(tǒng)中的重要檢測器件,為保證其長期不斷電工作,設(shè)計了電流互感器供電并采用超級電容和鋰亞電池作為后備電源的供電方式.經(jīng)搭建的實驗樣機試驗平臺測試,實驗結(jié)果表明該取電電路可以穩(wěn)定地為故障指示器供電,良好的保護電路設(shè)計也避免了大電流對電路的沖擊問題,并且采用鋰亞電池和超級電容作為后備電源的供電方式很好的解決供電死區(qū)的問題.

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Power Supply to Fault Indicator by Current Transformer

KANG Shao-bo1，YANG Xiao-qing2，LI Jun-yi3，LIN Wei-na4
（1.School of Electric Engineering＆Automation，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Xiamen Shengfa Power Technology Co.，Ltd.，Xiamen 361024，China；3.Xiamen Yankon Energetic Lighting Co.，Ltd.，Xiamen 361024，China；；4.Xiamen Yichuang Electric Power Construction Co.，Ltd.Xiamen 361024，China）

A plan for fault indicator power supply on 10—35 kV high-voltage power lines was presented in this paper.A feedthrough current transformer（CT）was set on the high-voltage transmission lines so that it could get power from the high voltage power line.After rectifying and filtering，the power was supplied to the fault indicator on the secondary side.A tank circuit based on ultra-capacitor and lithium batteries was also set to work to ensure the uninterrupted power supply to the fault indicator for its normal work even at times of power failure or low current.The results show that the power supply design has good waveform either with large or small current that can avoid the impact from large current effectively and therefore make a good solution to the dead spot for power supply.

fault indicator；power supply by current transformer；uninterrupted power supply

TM452;TM919

A

1673－4432（2015）05－0022－07

（責(zé)任編輯 李 寧）

2015－05－29

2015－10－20

國家自然科學(xué)基金項目 (51407151)；廈門理工學(xué)院高層次人才項目 (YKJ4005R)

康少波 (1985－),男,講師,博士,研究方向為電力電子技術(shù).E-mail：kang_shaobo＠126.com