高壓在線取電裝置設(shè)計

張 煒 王志偉

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

伴隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，越來越多的傳感器和數(shù)據(jù)采集器被安裝在電力設(shè)備上。各種各樣的傳感器和數(shù)據(jù)采集器可以準(zhǔn)確地測量出被監(jiān)測位置所需的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這給設(shè)備的智能化及可靠性提供了有利的條件。由于此類設(shè)備一般安裝在高壓或者超高壓電網(wǎng)設(shè)備上，通過低壓系統(tǒng)對其進(jìn)行供電可能會破壞高壓設(shè)備的絕緣特性，所以存在一定的風(fēng)險。為傳感器和數(shù)據(jù)采集器提供一個理想的供電方式成為多數(shù)用戶希望解決的問題。

目前市面上主要的供電方式有三種，分別是電池供電，PT 在線取電，CT 在線取電。三種取電方式特點如表1。

表1 常用的取電方式對比

綜合分析，CT 取電相對于另外兩種取電方式來說，供電可靠性及自身安全的優(yōu)點突出。此種取電方式的不利之處是隨著一次負(fù)荷變化時，二次輸出波動太大，因此必須增加后級處理電路。

1 方案設(shè)計

本設(shè)計方案主要由取能線圈、整流濾波電路、電壓調(diào)整電路、單片機(jī)采樣支路、穩(wěn)壓輸出電路等部分組成。確保一次設(shè)備正常運行時取能設(shè)備輸出電壓恒定，并且能夠長期穩(wěn)定運行，在一次短時過負(fù)荷和一次短路時保證自身裝置的安全性和輸出的穩(wěn)定性。為滿足大部分傳感器或數(shù)據(jù)采集器工作要求，設(shè)計輸出電壓采用3.3V，輸出電流不小于200mA。

圖1 電路原理圖

一般來說，CT 供電裝置啟動的最小一次電流被成為最小取電電流，理想情況下最小取電電流越小越好，但是電流越小，對CT 線圈及后級的處理電路要求就越高。綜合考慮電力系統(tǒng)實際工況，我們將裝置的最小取電電流確定為50A。主線圈W1、W2、W3 和W4 的匝數(shù)應(yīng)對應(yīng)為50、50、100和200，電壓閾值上下限分別設(shè)為15V 和20.6V。高壓上限則逐級投入繼電器K1 到K3，低于下限則逐級退出K1 到K3。電路原理圖如圖1 所示。

1.1 取能線圈

CT 線圈的二次輸出電流隨著一次電流的波動而波動，取電的難點在于一次電流較小時輸出電流太小，一次電流較大時輸出的電流又太大，不能滿足其他裝置供電需要。為解決這個矛盾，儲能線圈（W1、W2、W3、W4）采用多線圈設(shè)計，隨著一次電流的改變，逐次投入或退出線圈以改變一次側(cè)和二次側(cè)的匝數(shù)比，使二次輸出電流處于一個合理的范圍內(nèi)。

其中W1 為主線圈，W2、W2 和W4 為分組偷竊線圈，線圈匝數(shù)如圖所示。線圈分別由三個繼電器K1、K2、K3 進(jìn)行投切控制，控制信號來自后級單片機(jī)處理電路。

1.2 整流濾波電路

整流濾波部分電路主要由整流橋（D1）、穩(wěn)壓管(D3)和三階濾波器（L1、C1、C2）組成，作用是將二次線圈交流輸出轉(zhuǎn)換為直流輸出，同時濾去電路中的交流成分。穩(wěn)壓管是為了保證設(shè)備在一次過負(fù)荷或短路時安全工作。

圖中D3 是為了確保輸出電壓穩(wěn)定在30V 以下，電感（L1）和電容（C1、C2）組成一個低通濾波器，截止頻率預(yù)定為20Hz。根據(jù)定K 型濾波器設(shè)計手冊[1]，組件參數(shù)如下：

C=1F/{20Hz/（1/2pi）Hz}=7.96mF

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電容容值表，將電容C 的容值定位6600μF，那么電感L的參數(shù)為13.2mH。

1.3 電壓調(diào)整電路

電壓調(diào)整電路主要由取樣電阻（R5、R6）和MOS 管（Q1）組成，保證一次負(fù)荷在一定范圍內(nèi)波動時，電壓調(diào)整電路輸出電壓在較小的范圍內(nèi)波動，滿足后級電路的需要。

1.4 單片機(jī)采樣及控制輸出

圖2 單片機(jī)的算法框圖

單片機(jī)采集經(jīng)電壓調(diào)整電路輸出的電壓，如果發(fā)現(xiàn)此電壓高于或低于某一閾值，則表明一次電流已經(jīng)增大或減小到電壓調(diào)整電路所允許的電壓范圍，單片機(jī)將通過投切繼電器（K1、K2、K3）來使CT 二次輸出穩(wěn)定到電壓調(diào)整電路所允許的范圍。這樣保證電路的正常連續(xù)運行。單片機(jī)的算法框圖如2 所示。

1.5 穩(wěn)壓輸出電路

穩(wěn)壓輸出電路作用是將前級波動的電壓變成穩(wěn)定的3.3V 的電壓輸出，滿足傳感器或數(shù)據(jù)采集器的使用要求。穩(wěn)壓輸出電路主要由線性穩(wěn)壓芯片（U1），ADJ 校準(zhǔn)電路（R2、R3）和高頻濾波電容（C3）組成。

圖中LT1085CM 是一款線性穩(wěn)壓芯片，容值為100nF 的瓷片電容C3 可以濾去輸出電源所上的高頻雜波，從而是電壓穩(wěn)定輸出。

1.6 一次短路保護(hù)電路

配電設(shè)備在運行中，可能會發(fā)生短時間短路故障。此時流過CT 一次回路的電流可以達(dá)到上千安培甚至上萬安培，CT 的二次會輸出一個很大的過電流，為保證在在短路時取電設(shè)備可以安全運行，需要在電路里進(jìn)行短路保護(hù)設(shè)計。

電路的取電保護(hù)設(shè)計主要由兩方面組成，一是限定取電線圈鐵芯的飽和倍數(shù)，使CT 二次輸出在一次短路使確定在一個范圍內(nèi)；二是利用穩(wěn)壓管D3 使整流橋輸出電壓限定在一個可控的額范圍內(nèi)，從而保護(hù)后級電路的在一次短路時可靠運行。

2 電路仿真

我們利用NI 公司的電路仿真軟件Mulitisim10.0 設(shè)計電路進(jìn)行仿真運算。仿真電路圖如圖3 所示：

圖3 仿真電路圖

2.1 仿真電路說明

在仿真電路中，使用表中電流源來替代取能線圈，使用9.9 歐姆的電阻R4 作為模擬負(fù)載，因為線性穩(wěn)壓芯片的輸出除了為負(fù)載供電外，還要為自身的單片機(jī)及繼電器供電，所以供電輸入為這部分負(fù)荷預(yù)留100mA 的裕量。因此當(dāng)流過R4 上的電流不隨電流一次電流在某個區(qū)間變換且恒定為300mA 以上，R4 兩端電壓恒定為3.3V 時，即可驗證出方案設(shè)計符合設(shè)計目標(biāo)。

2.2 施加連續(xù)電流的仿真結(jié)果如圖4 所示。

通過仿真結(jié)果我們可以看出，隨著一次電流的增大，通過負(fù)載R4 的電流能夠保持在330mA 左右，即輸出電壓能夠保持在3.3V 左右。

圖4 施加連續(xù)電流的仿真結(jié)果

3 試驗結(jié)果

以1A 和5A 電流源進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 1A（左）和5A（右）試驗結(jié)果

當(dāng)輸入電流為1A 時，通道CH1 所示為穩(wěn)壓芯片輸出電壓，電壓值為3.24V，通道CH2 所示為穩(wěn)壓芯片輸入電壓，輸入平均值為5.93V，峰峰值為6.38mV。當(dāng)輸入電流為5A 時，通道CH1 所示為穩(wěn)壓芯片輸出電壓，輸出值為3.24V，通道CH2 所示為穩(wěn)壓芯片輸入電壓，輸入平均值為20.6V，峰峰值為141mV。

4 結(jié)論

本文提出一種CT 供電的設(shè)計方案，并對設(shè)計方案進(jìn)行的仿真研究。通過仿真和試驗結(jié)果表明，該設(shè)計方案合理可行。此方案只提供了一個3.3V/200mA 的解決辦法，但通過分析可以發(fā)現(xiàn)，只要對方案部分元器件的參數(shù)進(jìn)行修改即可得到多種輸出規(guī)格的解決方案。本設(shè)計可為高壓電器檢測裝置的在線取電設(shè)計提供參考。

［1］遠(yuǎn)坂俊昭，著.彭軍，譯.測量電子電路設(shè)計—濾波器篇[M].科學(xué)出版社，2006-1.

［2］錢政.有源電子式互感器特質(zhì)線圈功能方法[J].高電壓技術(shù)，2008，34（2），260-263.

［3］GB 1208-2006 電流互感器[S].