電流互感器磁通調(diào)制的設(shè)計(jì)方法分析

劉靜鮮（廣東南海電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，廣東 佛山 528000）

電流互感器磁通調(diào)制的設(shè)計(jì)方法分析

劉靜鮮
（廣東南海電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，廣東 佛山 528000）

摘 要：有源電子式電流互感器的母線式電源具有感應(yīng)電壓較高、熱耗能過大的缺點(diǎn)，容易對(duì)運(yùn)行工況造成不良影響。本文提出了一種通過控制電路開關(guān)快速導(dǎo)通與閉合的磁通調(diào)制方式獲得穩(wěn)定電壓輸出的思想，進(jìn)行母線式電源的設(shè)計(jì)。電源的電路設(shè)計(jì)中包括主繞組與控制繞組兩個(gè)部分，通過控制繞組的通斷與占空比，控制電流互感器中的磁通量，實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)電壓的控制。在電流互感器中固定一次電流情況下，對(duì)調(diào)節(jié)占空比與通斷頻率的主繞組感應(yīng)電壓進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明這種設(shè)計(jì)方法能夠穩(wěn)定主繞組感應(yīng)電壓，獲得較為理想的輸出電壓，是電流互感器電源設(shè)計(jì)的有效方法。

關(guān)鍵詞：電流互感器；母線式電源；磁通調(diào)制

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的電流互感器沒有信息傳輸與處理的功能，在現(xiàn)代數(shù)字化的電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越少，逐漸被能夠完成信息傳輸與處理的有源電子式或無源光學(xué)的電流互感器取代。而有源電子式電流互感器在高壓一次的電路中需要外部能量的供應(yīng)才能夠完成正常的功能運(yùn)作，而當(dāng)前主要的供能技術(shù)包括母線取電、激光供能、微波功能與超聲波供能等多種方式。電流互感器電源設(shè)計(jì)中的主要問題是大電流所產(chǎn)生的熱能消耗，而開關(guān)電源能夠通過半導(dǎo)體元件的高速閉合與導(dǎo)通完成輸出電流的整流穩(wěn)壓效果，能夠保持較高的效率與良好的穩(wěn)定性。所以本文通過開關(guān)電源的半導(dǎo)體高速導(dǎo)通與閉合的理念應(yīng)用于小型電流互感器電源設(shè)計(jì)中，以磁通調(diào)制的方式解決這一問題。

一、電流互感器電源的設(shè)計(jì)問題

電流互感器是連接電力系統(tǒng)中一次設(shè)備與二次設(shè)備的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確有效測(cè)量電力系統(tǒng)的各項(xiàng)基本參數(shù)，還能夠?yàn)樽詣?dòng)化電力系統(tǒng)中的計(jì)量、保護(hù)與監(jiān)控部分提供信號(hào)支持。傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)方式的電流互感器，在正常工作的過程時(shí)，一次繞組串聯(lián)在回路中，二次繞組則經(jīng)過負(fù)荷閉合，確保負(fù)荷電流與一次繞組的電流呈正相關(guān)。通過二次繞組電流的測(cè)量完成一次繞組電流的計(jì)算。而在現(xiàn)代自動(dòng)化電力系統(tǒng)中，電力生產(chǎn)與傳輸?shù)膶?shí)際電容量不斷增多，電網(wǎng)電壓等級(jí)也不斷提升，同時(shí)數(shù)字化變電站也逐漸成為電力系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。智能化電力系統(tǒng)對(duì)電流互感器的要求也不斷提高，而由于存在鐵磁諧振、固有磁飽和、頻帶較窄、動(dòng)態(tài)程度較低、工藝復(fù)雜以及造價(jià)較高的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的電流互感器已經(jīng)無法滿足電力系統(tǒng)的要求。而新型的電子式電流互感器已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)互感器研究的特點(diǎn)方向，幾乎彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電流互感器的所有缺點(diǎn)。電子式電流互感器的實(shí)際應(yīng)用中，與整體系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性直接相關(guān)的關(guān)鍵因素是高壓側(cè)采樣電路的供能電源穩(wěn)定性，所以供能方式的選擇是電子式電流互感器的關(guān)鍵問題。電子式電流互感器可以分為三個(gè)模塊，分別為高電壓側(cè)、低電壓側(cè)與光纖傳輸。由于高電壓側(cè)與低電壓側(cè)之間的連接由光纖完成，沒有電磁聯(lián)系，所以高電壓側(cè)電路的電能供應(yīng)成為電子式電流互感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。當(dāng)前的主要電源供能方式包括激光供能、母線式自具供能、高壓電容分壓器供能、蓄電池供能、超聲電源供能等。其中母線式供能是通過電磁感應(yīng)的原理，通過鐵磁式互感器與高壓母線進(jìn)行電磁感應(yīng)而獲得電能，通過信號(hào)的整流、濾波、穩(wěn)壓處理后，為高壓側(cè)供電，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用方便的優(yōu)點(diǎn)。而電力系統(tǒng)的負(fù)荷變化較大，母線電流也不是穩(wěn)定變的，有可能瞬間電流在短路時(shí)達(dá)到額定電流的數(shù)十倍。這種不穩(wěn)定的環(huán)境為電源中的互感器與穩(wěn)壓電路帶來了較大的風(fēng)險(xiǎn)，所以在母線式電源設(shè)計(jì)中控制電壓信號(hào)的穩(wěn)定性極為重要。而開關(guān)電源能夠通過半導(dǎo)體元件的高速閉合與導(dǎo)通完成輸出電流的整流穩(wěn)壓效果，能夠保持較高的效率與良好的穩(wěn)定性。

二、設(shè)計(jì)原理

有源電子式電流互感器高壓側(cè)的電子模塊需工作電源，利用激光供電和高壓取能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓側(cè)電子模塊的供電是目前普遍采用的方法，這也是有源電子式互感器的關(guān)鍵技術(shù)之一。電路互感器的供能部分安裝在高壓母線上，母線經(jīng)由電流互感器的中心穿過。交流母線的電流轉(zhuǎn)換為交流電壓輸出的基本電路原理，如圖1所示。電流互感器的二次繞組分為兩個(gè)獨(dú)立部分，分別為主繞組與控制繞組。

在不考慮繞組的前提下，主繞組中的輸出電壓滿足法拉第定律：

而主磁通Φp與母線電流ip直接相關(guān)：ip（t）=Ipsinωpt（2）Фp=Cip（3），其中C為常數(shù)，與電流互感器的結(jié)構(gòu)與尺寸直接相關(guān)。所以可以得出：（5）

圖1 電流互感器基本電路圖

再對(duì)控制繞組進(jìn)行分析，在控制繞組的開關(guān)處在閉合狀態(tài)時(shí)，磁芯中的磁通量幾乎為零，所以這時(shí)主繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也接近為零，即為uˊs約等于0。在控制繞組的開關(guān)處于開啟的狀態(tài)時(shí)，主繞組的負(fù)載電阻上的電壓符合公式（5）。所以，在這個(gè)系統(tǒng)中，存在兩種頻率，即為母線電流的額定頻率與控制繞組的開關(guān)頻率。母線電流的額定頻率為50Hz，而控制繞組的開關(guān)頻率相比母線頻率大幅度提高。而這種過程中uˊs變換情況相當(dāng)以一系列幅值為1的脈沖信號(hào)進(jìn)行抽樣。（4）或

其中，k為t1/Tc，表示在開關(guān)上控制信號(hào)的脈寬比，而t1表示主線圈中的感應(yīng)電壓導(dǎo)通時(shí)間。

三、仿真結(jié)果

以MATLAB對(duì)電流互感器的取能進(jìn)行模擬分析。電流源的幅值設(shè)定為1500A，主繞組在單獨(dú)感應(yīng)情況下的電動(dòng)勢(shì)有效值為100V，控制繞組單獨(dú)感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)有效值為400V，電感設(shè)定為2mH，電容設(shè)定為10μF。以控制開關(guān)的通斷頻率與脈寬比進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲得不同條件下的主要組感應(yīng)電壓us以及整流處理后的負(fù)載兩端電壓的uo仿真波形。根據(jù)仿真波形可以得出結(jié)果，負(fù)載端的電壓波形接近正弦曲線，而波紋較大；在相同的開關(guān)頻率條件下，脈寬比越大，則波紋越大，而負(fù)載電壓的輸出幅度越?。欢l率越高，負(fù)載端的電壓波紋越小。

結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)與仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，通過調(diào)節(jié)控制電路信號(hào)的脈寬比能夠?qū)Χ卫@組負(fù)載電壓的輸出幅度進(jìn)行控制，同時(shí)能夠保持電壓輸出為正弦波形。所以根據(jù)常規(guī)的變壓整流濾波理論，可以完成穩(wěn)定的輸出電壓。電流互感器母線電源工作過程中，二次繞組的高壓脈沖是主要的安全風(fēng)險(xiǎn)之一。二次繞組高壓脈沖對(duì)電源整體的絕緣性能要求較高，還可能把超出控制的電能輸入電源，快速提高電源的熱量，導(dǎo)致電源設(shè)備由于過熱而燒毀。以快速通導(dǎo)與斷開進(jìn)行繞組控制的設(shè)計(jì)思路，能夠有效避免二次繞組高壓脈沖的發(fā)生，對(duì)電流互感器母線式懸浮電源的設(shè)計(jì)優(yōu)化有重要的意義。但本次研究還存在很多不足，輸入的頻率信號(hào)的發(fā)生設(shè)備只能提供單一頻率的輸出，無法對(duì)不同頻率的輸出結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也沒有較大的電流輸出設(shè)備，導(dǎo)致驗(yàn)證結(jié)果可信度不足。在下一步的實(shí)驗(yàn)研究中，主要目標(biāo)為不同頻率以及大電流環(huán)境下是否能夠得出一致的仿真結(jié)果。

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中圖分類號(hào)：TM45

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