輸電線纜組合材料式CT低電流取能技術(shù)研究與應(yīng)用

程志遠(yuǎn)，吳龍飛，李崢，隋立程，吳曉婷

（上海電力大學(xué) 電力工程學(xué)院，上海 200090）

隨著智能電網(wǎng)的高速發(fā)展，為保證高壓輸電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，需采用各類在線監(jiān)測(cè)設(shè)備。目前在線監(jiān)測(cè)設(shè)備供電方式大多采用蓄電池、太陽(yáng)能和激光等。然而，蓄電池因需定期維護(hù)而降低其實(shí)用性，太陽(yáng)能因受環(huán)境影響而降低其使用范圍，激光因輸出功率小，造價(jià)高而不易推廣。非接觸式感應(yīng)取電技術(shù)，因其具有安全性高、實(shí)用性強(qiáng)、適用范圍廣、功率高和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，將有望成為高壓電纜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備最有效的供電方式[1-3]。

輸電線纜電流范圍極其寬泛（幾A到幾kA），如采用感應(yīng)取電方式，極易造成低電流無(wú)法取能及大電流磁芯過(guò)度飽和[4]。針對(duì)過(guò)度飽和問(wèn)題，現(xiàn)有解決方法較為成熟，如開氣隙[5]、卸荷[6]及電壓源補(bǔ)償器抑制飽和[7]等。而低電流無(wú)法取能問(wèn)題，如不加以有效解決，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)盲區(qū)，危及電力系統(tǒng)安全[8]。目前，為解決高壓電纜低電流無(wú)法取能，文獻(xiàn)[9]采用多線圈繞組切換技術(shù)，解決了30 A無(wú)法取能問(wèn)題，但繞線及切換控制較為復(fù)雜，降低了系統(tǒng)可靠性；文獻(xiàn)[10]采用高磁導(dǎo)率磁性材料，解決10 A時(shí)無(wú)法取能問(wèn)題，但存在抗飽和能力極差且工藝復(fù)雜等問(wèn)題；文獻(xiàn)[11]采用雙磁路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方法，降低啟動(dòng)電流到50 A，會(huì)增加線路負(fù)擔(dān)且電氣切換復(fù)雜；文獻(xiàn)[12-13]采用阻抗匹配取能，啟動(dòng)電流為50 A時(shí)，提高輸出功率，但分流導(dǎo)線直接與母線相接，易發(fā)生過(guò)流故障、安全性低等問(wèn)題；文獻(xiàn)[14]通過(guò)匹配電容解決50 A取電問(wèn)題，但大電流飽和問(wèn)題和更低電流取能問(wèn)題未能解決。綜上所述，現(xiàn)有研究主要針對(duì)取能CT控制及大電流飽和等方面，對(duì)低電流方面，由于所研究的低電流取值相對(duì)較高，仍然會(huì)存在供電死區(qū)問(wèn)題，危及電力系統(tǒng)安全。

鑒于低電流CT取能的重要性，文中采用一種組合式磁芯材料CT取能方式。為了驗(yàn)證該磁芯結(jié)構(gòu)低電流取能的有效性，首先通過(guò)理論分析導(dǎo)出組合式磁芯材料磁導(dǎo)率與不同材料占比的關(guān)系表達(dá)式；然后根據(jù)理論分析結(jié)果及Ansoft電磁仿真平臺(tái)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目需求給出了CT不同磁芯材料的最佳占比值；最后通過(guò)所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證其理論分析與仿真結(jié)果的正確性。

1 取能系統(tǒng)理論分析

輸電線纜CT取能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基本原理是電機(jī)學(xué)的電磁感應(yīng)原理：輸電線纜中的電流通過(guò)CT將磁能轉(zhuǎn)化成電能后，通過(guò)整流及DC-DC等電路將變化范圍較寬的交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電輸出。同時(shí)，通過(guò)保護(hù)電路防止取能CT系統(tǒng)進(jìn)入飽和狀態(tài)和尖峰沖擊。

圖1 取能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Energy extraction system structure diagram

在實(shí)際的CT取能裝置應(yīng)用中，一般采用開氣隙磁芯結(jié)構(gòu)，一方面滿足了安裝方便的需求，另一方面也可最大限度地提升CT飽和電流。開氣隙CT取能裝置其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，N1，N2，I1，I2分別為取能 CT的原邊匝數(shù)（即輸電線纜）、副邊匝數(shù)、原邊電流和副邊電流，N1=1；D，d，h和r分別為取能CT磁芯的外徑、內(nèi)徑、厚度和等效半徑；δ為取能CT磁芯氣隙長(zhǎng)度；le為開氣隙磁芯磁路長(zhǎng)度。

圖2 含氣隙CT取能磁芯結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of CT core with air gap

由圖2可列出磁勢(shì)平衡關(guān)系為[15]

其中，Im為勵(lì)磁電流，可分解為磁化電流Iμ和鐵損IFe，為簡(jiǎn)化分析，忽略取能CT磁芯二次側(cè)內(nèi)阻和鐵損，即Im=Iμ，其向量圖如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化向量圖Fig.3 Simplified vector graphic

由圖3可得取能CT原副邊電流與勵(lì)磁電流的關(guān)系（忽略損耗）為

根據(jù)安培環(huán)路定律得：

式中：He為開氣隙磁芯磁場(chǎng)強(qiáng)度；Hδ為氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度；la為總體磁路長(zhǎng)度。

結(jié)合式（3），得出帶氣隙取能磁芯距離母線中心r處的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br為

式中：μr為磁芯磁導(dǎo)率。

結(jié)合式（3）和式（4），CT副邊感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2為

式中：f為CT工作頻率；S為磁芯截面積。

綜合式（1）～式（5）可得CT取能功率P為

由式（6）可知，當(dāng)磁芯尺寸確定時(shí)，取能CT輸出功率主要與原邊電流和磁芯的磁導(dǎo)率有關(guān)，而原邊電流是由輸電線纜的工作電流決定。因此，本文主要針對(duì)CT取能磁芯的磁導(dǎo)率及其低電流輸出功率情況展開研究。

2 取能CT分析

2.1 組合式磁導(dǎo)率分析

文中針對(duì)取能裝置低電流無(wú)法取能的問(wèn)題，對(duì)磁芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，錳鋅鐵氧體初始磁導(dǎo)率高，但其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低；硅鋼片初始磁導(dǎo)率低，但其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高，故采用兩種磁性材料構(gòu)成組合式磁芯結(jié)構(gòu)，提高取能磁芯初始磁導(dǎo)率的同時(shí)盡可能增大磁芯飽和電流。組合式磁芯結(jié)構(gòu)如圖4所示，組合式磁芯的總長(zhǎng)度為h，其結(jié)構(gòu)中錳鋅鐵氧體取長(zhǎng)度的λh，硅鋼片長(zhǎng)度為（1-λ）h。

圖4 組合庿磁芯結(jié)構(gòu)Fig.4 Combined core structure

開氣隙的取能磁芯磁阻RFe和氣隙磁阻Rδ分別為

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率。

根據(jù)安培環(huán)路定律，帶氣隙的取能磁芯的等效磁導(dǎo)為μeq，則磁動(dòng)勢(shì)F為

式中：B為取能磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

根據(jù)磁路歐姆定律，取能CT的磁通量Φ為

結(jié)合式（4），將式（7）～式（9）代入式（10）中，可得開氣隙的等效磁導(dǎo)率μeq為

因輸電線纜上產(chǎn)生的磁場(chǎng)H同時(shí)作用在組合式磁芯上，故組合式磁芯總磁通量Φall為兩部分磁環(huán)磁通量之和，即

式中：Φ1為通過(guò)錳鋅鐵氧體磁通量；Φ2為通過(guò)硅鋼片磁通量。

結(jié)合式（5），磁感應(yīng)強(qiáng)度只與距離r有關(guān)，故式（12）中Φall可化為

式中：μeq1錳鋅鐵氧體的等效磁導(dǎo)率；μeq2為硅鋼片的等效磁導(dǎo)率。

由式（13）可知，為了保證與單一材料磁導(dǎo)率在定義上一致，將組合式磁芯的等效磁導(dǎo)率μaeq定義為

從式（14）可知，組合式磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率可等效兩種材料的磁導(dǎo)率的疊加，當(dāng)兩種材料占比改變?cè)龃髸r(shí)，其等效磁導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生改變，為保證取能磁芯的綜合性能，需對(duì)其占比進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

2.2 綜合參數(shù)分析

結(jié)合式（5）和式（14）可知，當(dāng)磁芯半徑r確定時(shí)，總磁感應(yīng)強(qiáng)度Ball可表示為

飽和情況下，取能磁芯的飽和電流由磁芯材料自身決定。結(jié)合式（15），根據(jù)磁路歐姆定律可得磁芯剛進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)的最大勵(lì)磁電流為[16]

式中：Φm為取能磁芯的最大飽和磁通；Rm為取能磁芯的磁阻。

由式（16）知，占比λ對(duì)飽和電流Im有一定影響。當(dāng)占比越大，最大勵(lì)磁電流越小，因此需選擇合適占比λ以提高取能磁芯最大勵(lì)磁電流。當(dāng)磁芯嵌套在輸電線纜上，如取能裝置過(guò)重線纜則無(wú)法承受其重量的壓力，故對(duì)組合材料磁芯的質(zhì)量有一定的要求，磁芯總重量mall為

式中：ρ1為錳鋅鐵氧體的密度；ρ2為硅鋼片的密度。

由式（17）可知，當(dāng)取能磁芯結(jié)構(gòu)確定時(shí)，占比λ對(duì)質(zhì)量mall有著極其重要的影響，磁芯重量越重，線纜承受的重量則越大，因此要選擇合適占比λ以滿足取能CT磁芯對(duì)重量的要求。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，輸電線纜在空載情況下電流約為15 A，要求在此電流工況下取得功率不小于0.25 W，為留有一定取能裕量，本文設(shè)計(jì)輸電線纜在12 A時(shí)，取能CT裝置取得0.25 W的能量，從而保證了控制器基本啟動(dòng)電流的需求。同時(shí)根據(jù)項(xiàng)目中輸電線纜直徑和整體重量要求，設(shè)計(jì)其取能磁環(huán)基本參數(shù)為：磁環(huán)外徑D=90 mm，磁環(huán)厚度h=55 mm，線圈匝數(shù)N2=425，磁環(huán)內(nèi)徑d=50 mm，氣隙δ=0.5 mm，磁芯重量m≤1.7 kg。

根據(jù)現(xiàn)有取能CT常用材料，利用硅鋼片和錳鋅鐵氧體材料對(duì)其磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)圖4的仿真模型給出了其磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁力線走勢(shì)，如圖5所示。從圖5可知，錳鋅鐵氧體明顯比硅鋼片的磁場(chǎng)分布要密集，從式（4）～式（6）可知，當(dāng)磁芯尺寸確定時(shí)，磁通量和磁導(dǎo)率越大，其感應(yīng)電壓和輸出功率則越大。但由于氣隙的存在，有部分磁通泄漏到空氣中，初始磁導(dǎo)率越高，泄漏到空氣中的磁通越多。

圖5 兩種材料磁場(chǎng)圖Fig.5 Magnetic field map of two materials

為了驗(yàn)證占比λ對(duì)感應(yīng)電壓、飽和電流及磁芯重量的影響，選取工作電流為12 A，副邊接1 MΩ電阻（副邊相當(dāng)于空載）。結(jié)合式（15）組合式材料磁芯占比λ和磁導(dǎo)率的關(guān)系，并根據(jù)式（5）、式（16）和式（17），結(jié)合Ansoft電磁仿真給出占比λ與感應(yīng)電壓、飽和電流和磁芯重量的關(guān)系曲線，如圖6所示。隨著重量的不斷增大，其組合式取能CT感應(yīng)電壓不斷減小，但其飽和電流不斷增大。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，取能磁芯重量m≤1.7 kg。根據(jù)分析可知，隨著取能CT磁芯重量增大，組合式取能CT感應(yīng)電壓越來(lái)越小，為了使取能CT能夠取得最大的感應(yīng)電壓，故選擇磁芯重量為1.7 kg時(shí)組合式磁芯占比，從圖6可知，當(dāng)磁芯重量為1.7 kg時(shí)，可得磁芯材料占比λ=0.4，故以下將針對(duì)λ=0.4時(shí)的組合式磁芯和常規(guī)硅鋼片磁芯（λ=0）取能進(jìn)行對(duì)比。

圖6 感庫(kù)電壓、飽和電流和重量隨占比λ變化曲線Fig.6 Change curves of induced voltage，saturation current and weight with proportionλ

因電源芯片的工作電壓為5 V以上，為了驗(yàn)證不同占比條件下母線電流與感應(yīng)電壓的關(guān)系，通過(guò)Ansoft Maxwell仿真得出電流與感應(yīng)電壓的關(guān)系曲線如圖7所示。分析圖7可知，當(dāng)工作電流為12 A時(shí)，占比λ=0.4組合式磁芯感應(yīng)電壓為3.54 V，雖然電壓較低，但可通過(guò)后級(jí)電路（如整流倍增電路）提高輸出電壓。當(dāng)組合式磁芯占比恒定，原邊電流與感應(yīng)電壓近似成正比。

圖7 不同占比電流仿真對(duì)比Fig.7 Simulation comparison of currents with different proportions

為了驗(yàn)證占比λ=0.4組合式和常規(guī)硅鋼片取能，通過(guò)Ansoft Maxwell將兩者感應(yīng)電壓進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖8所示。從圖8可知，當(dāng)工作電流為12 A時(shí)，占比λ=0.4的組合式磁芯空載感應(yīng)電壓與硅鋼片對(duì)比其能量利用率提高了約34%，可獲得更多的功率；同時(shí)組合式磁芯重量?jī)H為1.69 kg，比常規(guī)硅鋼片取能磁芯降低了15%左右；雖然組合式材料飽和電流降低了21%左右，但可通過(guò)相關(guān)措施（如卸荷等方）使CT取能系統(tǒng)抗飽和能力限制在可控范圍內(nèi)。

圖8 感庫(kù)電壓仿真對(duì)比Fig.8 Simulation comparison of induced voltage

為了驗(yàn)證上述理論分析及仿真結(jié)果的正確性，搭建了如圖9所示的CT取能裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖9 CT取能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 CT energy extraction experiment platform

利用圖9的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)給出了組合式磁芯與硅鋼片感應(yīng)電壓實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖，如圖10所示。從圖10可知，當(dāng)工作電流為12 A時(shí)，組合式磁芯的輸出電壓比常規(guī)硅鋼片增加了約30%，有效值為3.44 V，滿足實(shí)際項(xiàng)目能量需求。同時(shí)副邊輸出波形近似正弦波，但波形振蕩較為嚴(yán)重，主要是由于磁芯勵(lì)磁電感、雜散電容的存在、負(fù)載與內(nèi)阻不匹配及測(cè)量誤差造成的。在相同條件下的理論值與實(shí)際值二者存在一定的偏差，造成偏差的原因一方面是理論分析時(shí)忽略磁芯漏感和電子器件內(nèi)阻，另一方面是磁芯損耗和線圈損耗及一些雜散損耗對(duì)取能輸出也有影響。

圖10 感庫(kù)電壓實(shí)驗(yàn)對(duì)比Fig.10 Experiment comparison of induced voltage

結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)給出了如圖11所示的組合式CT取能輸出電壓波形。從圖11可知，當(dāng)工作電流為12 A時(shí)，因后級(jí)電源芯片的工作電壓范圍為5～12 V，取能磁芯感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)三級(jí)電荷泵電路將其電壓泵升至9 V左右，最后經(jīng)電源芯片輸出穩(wěn)定的5 V電壓，其中負(fù)載接10 Ω電阻，此時(shí)輸出功率為0.26 W。波形振蕩主要由電子器件損耗和測(cè)量誤差導(dǎo)致的。

圖11 CT取能輸出電壓波廝Fig.11 CT energy extraction output voltage waveforms

為了驗(yàn)證組合式與硅鋼片的不同電流功率輸出情況對(duì)比，根據(jù)式（6）的輸出功率表達(dá)式，結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)給出如圖12所示的功率對(duì)比圖。從圖12可知，輸出功率與工作電流成正相關(guān)，當(dāng)工作電流減小時(shí)，無(wú)法獲取足夠的能量，不能滿足控制器啟動(dòng)電流的需求。而根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目，隨著工作電流不斷增大，輸出功率不斷增大，比常規(guī)硅鋼片CT取能增長(zhǎng)趨勢(shì)更快，組合式材料CT取能系統(tǒng)取得足夠能量，更易滿足后級(jí)控制器基本啟動(dòng)電流的需求。當(dāng)原邊電流為12 A，輸出接10 Ω負(fù)載時(shí)，組合式磁芯輸出功率約為0.26 W，組合式比硅鋼片取能CT的輸出功率提高了約24%。因此采用組合式材料CT取能系統(tǒng)有效解決了輸電線纜較低電流無(wú)法取能問(wèn)題。

圖12 不同電流輸出功率對(duì)比Fig.12 Comparison of different current output power

4 結(jié)論

文章針對(duì)輸電線纜互感器取能裝置低電流無(wú)法取能的問(wèn)題，提出了將錳鋅鐵氧體與硅鋼片構(gòu)成組合式材料CT取電磁芯結(jié)構(gòu)。通過(guò)磁場(chǎng)仿真軟件分析出不同占比情況下感應(yīng)電壓、飽和電流與磁芯重量的關(guān)系曲線。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在相同的條件下，占比λ=0.4、工作電流為12 A時(shí)，組合式材料空載感應(yīng)電壓為3.44 V，比硅鋼片感應(yīng)電壓提高了30%；輸出接10 Ω負(fù)載時(shí)，輸出功率達(dá)0.26 W，比硅鋼片輸出功率提高了約24%。該結(jié)構(gòu)有效解決了高壓電纜取電CT低電流無(wú)法取能問(wèn)題，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。