柱上開(kāi)關(guān)用電容取電裝置研究

摘 要：隨著配電網(wǎng)不斷向智能化、數(shù)字化發(fā)展，配電產(chǎn)品上用電設(shè)備越來(lái)越多，尤其是柱上真空斷路器，配套的用電設(shè)備不僅種類繁多，用電要求也逐漸提高，如何高效、可靠地提供穩(wěn)定電源成為限制其發(fā)展的一個(gè)瓶頸。鑒于此，在總結(jié)以往的電磁式電壓互感器取電方案的基礎(chǔ)上，分析電磁感應(yīng)取電方案的工作原理及其優(yōu)劣點(diǎn)，提出一種基于電容分壓的取電方案并進(jìn)行理論分析、電路設(shè)計(jì)、模擬仿真，為配電網(wǎng)設(shè)備取電提供了可行的參考。

關(guān)鍵詞：電容分壓；高壓取電；柱上開(kāi)關(guān)

中圖分類號(hào)：TM76""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：1671-0797（2025）02-0014-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.004

0""" 引言

傳統(tǒng)羊角PT形式的電磁取電方式，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞中斷供電，安裝的尺寸也比較大，且難以小型化。同時(shí)，越來(lái)越多的電子化產(chǎn)品正邁向融合發(fā)展，對(duì)供電的可靠性、穩(wěn)定性提出了更高要求，所以亟待研發(fā)一種新的取電方案，既可以解決電磁取電帶來(lái)的弊端，又不影響設(shè)備的用電需求，能在既有標(biāo)準(zhǔn)下不需要大范圍重新調(diào)整柱上開(kāi)關(guān)整體外形結(jié)構(gòu)尺寸，為后續(xù)的批量化改造及普及使用帶來(lái)方便。本文提出了一種可替代的形式——電容分壓取電匹配安全隔離變壓器的取電方案，生產(chǎn)制造成本不高，安裝體積小，對(duì)電網(wǎng)的影響小，成為一種可行的取電方案。

1""" 原理分析

電容分壓降壓器是在高低壓之間接入高、低壓電容，形成分壓臂，分壓后接安全隔離變壓器，由變壓器穩(wěn)定輸出供電。如圖1所示，高壓電容器C1負(fù)責(zé)分壓降壓，低壓電容器C2負(fù)責(zé)穩(wěn)定輸出，通過(guò)調(diào)整兩只電容的大小比值，將高壓降低至安全隔離變壓器輸入電壓，調(diào)整一二次匝數(shù)比將電壓降至用電設(shè)備工作電壓或接整流電路供給直流[1-2]。

將圖1連接圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖2所示，僅考慮正常工頻下勵(lì)磁感抗，簡(jiǎn)化為L(zhǎng)m，負(fù)載僅考慮接入純阻性負(fù)載R，當(dāng)接入輸入電壓為U的線路后，電容器C1的阻抗ZC1=1/jωC1，電容器C2的阻抗ZC2=1/jωC2，其中ω為交流電頻率。

根據(jù)電容器串聯(lián)分壓公式，空載時(shí)點(diǎn)2與點(diǎn)3之間電壓差 23的大小滿足如下公式：

U23= U= U"""""""""""""""""" （1）

即通過(guò)高低壓電容器形成了降壓通道，將高電壓轉(zhuǎn)換成可以使用的低電壓，同時(shí)再經(jīng)過(guò)安全隔離變壓器變換成可使用的標(biāo)準(zhǔn)低電壓。

2""" 參數(shù)設(shè)計(jì)

基于以上原理分析，設(shè)計(jì)初步分壓電路[3-4]，如圖3所示。

由分壓公式（1）可知，高壓電容器C1容值相對(duì)于低壓電容器C2容值越大，分壓電壓U23的值就越大，所能帶動(dòng)的供電負(fù)載功率就越大，所以高壓電容器C1是提高整體供電效率的關(guān)鍵元器件。假設(shè)以上電路接入工頻電壓為U、角頻率為ω的高壓線路，流過(guò)的取電電流為I0，節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3之間電壓差為U23，高壓電容器為C1，此時(shí)線路取電電流I0滿足如下關(guān)系：

I0=（U-U23）×jωC1"""""""""" """""（2）

同時(shí)考慮到在線路上通過(guò)分壓電容器取電，這種方式類似于在電網(wǎng)上連接用電設(shè)備，在取得有功分量的同時(shí)也會(huì)不同程度地給電網(wǎng)注入無(wú)功分量，造成電網(wǎng)污染，往往一條配網(wǎng)線路上會(huì)架設(shè)多臺(tái)柱上斷路器，積少成多的無(wú)功分量會(huì)擠占線路的輸送容量，降低設(shè)備的使用效率，所以電網(wǎng)管理制度對(duì)線路上取電電流的大小有限制，取電電流太大會(huì)影響線路的電能質(zhì)量，也會(huì)導(dǎo)致對(duì)配電終端故障的誤判，在設(shè)計(jì)時(shí)將取電電流控制在10 mA左右[5]，由此列出高壓電容器C1的取值范圍公式：

C1≤ """""""""""""""""""（3）

當(dāng)I0取最大值10 mA時(shí)，U取配電線路相電壓值5 774 V，ω為系統(tǒng)角頻率。代入對(duì)應(yīng)數(shù)值，得到高壓電容器C1與U23之間關(guān)系表達(dá)式：

C1（5 774-U23）≤3.18×10-5""""""" （4）

經(jīng)過(guò)分壓電容器降壓后，將高電壓降低到U23，再經(jīng)過(guò)安全隔離變壓器變壓，滿足實(shí)際負(fù)載使用電壓。安全隔離變壓器一方面能調(diào)整電壓/電流關(guān)系，平衡容性負(fù)載，減少無(wú)功分量的并網(wǎng)，另一方面也能起到隔離原副邊的作用，可防止高低壓間直接連接，起到安全防護(hù)作用[6]?？紤]到計(jì)算簡(jiǎn)便，進(jìn)一步簡(jiǎn)化圖3中的安全隔離變壓器，在工頻運(yùn)行狀態(tài)下漏電抗近似忽略不計(jì)，同時(shí)勵(lì)磁損耗控制得也比較好，此時(shí)簡(jiǎn)化電路得到如圖4所示電路[7]。

根據(jù)簡(jiǎn)化后的變壓器等效電路，負(fù)載端功率公式為：

P=UIcos φ""""""""" （5）

式中：P為有功功率；U為負(fù)載端電壓；I為負(fù)載電流；φ為功率因數(shù)角。

根據(jù)以上公式，可得出帶載能力的大小取決于如下3點(diǎn)：1）負(fù)載端電壓U；2）流過(guò)負(fù)載的電流I；3）功率因數(shù)cos φ。即盡可能提高這三個(gè)制約因素可以有效提高帶載能力。對(duì)于純阻性負(fù)載，功率因數(shù)暫不需要考慮并認(rèn)為其值為1；關(guān)于負(fù)載端電壓U取值，當(dāng)其取大值時(shí)能提高供電功率，但同時(shí)會(huì)增加變壓器及低壓電容器C2的體積，絕緣等級(jí)也會(huì)變高，并導(dǎo)致安裝不便、成本增加，取小值則可能達(dá)不到理想的輸出功率，因此需要綜合考慮取值。除此之外，還可以提高制約因素負(fù)載電流I的取值，因取電電流受電網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定制約，擬按上限取最大值，所以只能通過(guò)電路配置盡可能使全部的取電電流流過(guò)負(fù)載，從而獲得更大的功率。通過(guò)電路分析，實(shí)際使用中安全隔離變壓器的勵(lì)磁阻抗不是理想狀態(tài)下的無(wú)窮大，會(huì)消耗一部分無(wú)功功率，利用勵(lì)磁感抗的存在與低壓電容器C2構(gòu)成并聯(lián)回路，調(diào)整兩者之間比值大小，使其盡可能處于并聯(lián)諧振狀態(tài)，根據(jù)并聯(lián)諧振條件列出如下等式：

=ωC2""""""""""""""""" （6）

即：

C2= """""""""""""""""（7）

當(dāng)處于完全諧振狀態(tài)時(shí)，取電電流I0幾乎全部流入純阻性負(fù)載R，此時(shí)近似得出負(fù)載功率PL：

""""PL=I02R= =U23I0""""" （8）

當(dāng)電路處于完全諧振狀態(tài)時(shí)，高壓電容器C1與安全隔離變壓器等效勵(lì)磁線圈Lm中的電流大小相等、極性相反，處于完全抵消狀態(tài)，此時(shí)可以得出取電電流與線路負(fù)載之間關(guān)系如下：

I0= """"""""""""""""（9）

目前市場(chǎng)上的配網(wǎng)饋線終端的整體功耗在15 VA以下，同時(shí)終端會(huì)配置帶整流功能的電源模塊及后備電源，正常工作時(shí)線路上取電電流值較小，所以I0擬按最大值10 mA取，輸出給電源單元的功耗PL取15 VA，代入對(duì)應(yīng)數(shù)值得到分壓電壓U23取約1 500 V，此時(shí)得安全隔離變壓器的體積相對(duì)不大，等效帶載電阻RL近似為1.5×105 Ω（轉(zhuǎn)換到實(shí)際負(fù)載時(shí)，需要除變比N2），根據(jù)式（4）即得出高壓電容器C1容值取7.44 nF，再根據(jù)式（1）分壓公式，分別代入高壓電容器C1、分壓電壓U23，即求出低壓電容器C2容值約為21.2 nF，在得到低壓交流電后，整流為終端所用直流電（24 V），此部分技術(shù)目前比較成熟。

3""" 驗(yàn)證

3.1""" 軟件仿真

根據(jù)以上分析原理，在仿真軟件中搭建交流部分仿真電路，如圖5所示。

模擬仿真環(huán)境，輸電線路系統(tǒng)為10 kV配電系統(tǒng)，單相輸入電壓取5 774 V，線路取電電流暫按最大值取10 mA，變壓器僅考慮勵(lì)磁電感，輸入側(cè)電壓1 500 V，輸出側(cè)電壓220 V，變比6.82，二次側(cè)負(fù)載阻值3.22 kΩ，高壓電容器C1容值取7.44 nF，低壓電容器C2容值取21.2 nF，根據(jù)低壓電容器C2容值選取匹配變壓器，使其本身特性匹配并聯(lián)諧振，勵(lì)磁電感為478.5 H。先將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S1調(diào)至斷開(kāi)狀態(tài)，測(cè)量點(diǎn)2與點(diǎn)3之間電壓差為1.507 kV，線路取電電流為10.12 mA，符合理論分析，滿足電容分壓要求。接下來(lái)，將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S1調(diào)至閉合狀態(tài)，得到仿真結(jié)果：點(diǎn)2與點(diǎn)3之間電壓差為1.492 kV，線路取電電流為10.324 mA（此時(shí)負(fù)載阻抗為3.2 kΩ），變壓器輸出側(cè)電壓為218.785 V，負(fù)載功率為14.959 W，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖6所示。

改變負(fù)載電阻大小，觀察取電電流、各端口電壓及負(fù)載所獲功率，數(shù)據(jù)如表1所示。

分析以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，當(dāng)負(fù)載電阻減小時(shí)，整體阻抗減小，在線路電壓不變的情況下，取電電流將會(huì)部分增大，但整體取電功率減小，在出現(xiàn)負(fù)載電阻值最大負(fù)偏差22.41%時(shí)，取電功率減小5.1%；當(dāng)負(fù)載電阻增大時(shí)，整體阻抗增大，在線路電壓不變的情況下，取電電流將會(huì)部分減小，但整體取電功率先增大后減小，在出現(xiàn)負(fù)載電阻值最大正偏差24.21%時(shí)，取電功率減小0.87%。即在設(shè)計(jì)負(fù)載下，有限的負(fù)載變化對(duì)取電功率的影響相對(duì)較小，同時(shí)后端匹配相應(yīng)的電源模塊進(jìn)行整流輸出，可以提高供電的整體可靠性。

3.2""" 實(shí)物接線

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物及接線如圖10所示，其中電容分壓取電設(shè)備采用外置式，分別取電源側(cè)A相相電壓及負(fù)荷側(cè)C相相電壓，方便現(xiàn)場(chǎng)在不必更換開(kāi)關(guān)本體的情況下獨(dú)立拆裝，同時(shí)將安全隔離變壓器及整流模塊集成到取電設(shè)備底部，減小體積占用，裝置直流輸出，實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示。

升壓前，檢查電容分壓取電設(shè)備接地柱已接地線，通過(guò)一次升壓升流臺(tái)體將取電設(shè)備一次側(cè)高壓升至額定相電壓（約5 774 V），穩(wěn)壓觀察低壓直流輸出，用萬(wàn)用表電壓檔進(jìn)行輸出電壓值測(cè)量，其值為24.3 V，符合設(shè)計(jì)。

4""" 結(jié)論

本文提供了一種應(yīng)用于柱上真空斷路器的電容分壓取電方案，通過(guò)多個(gè)電容組成的分壓臂進(jìn)行分壓，再由安全隔離變壓器進(jìn)行降壓輸出。得出如下結(jié)論：

1）采用電容分壓取電加安全隔離變壓器方式，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)小范圍變化時(shí)，所獲得的輸出功率較穩(wěn)定，用電可靠性高，同時(shí)高低壓隔離，安全系數(shù)高；

2）區(qū)別于羊角電磁互感器取電，高壓部分外絕緣傘裙數(shù)量減少，單臺(tái)占用空間體積小，成本低。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 邱關(guān)源.電路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 閆鑫.電容分壓式高壓在線取電裝置研制[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2017，30（6）：147-148.

[3] 李森.電容分壓式高壓取電電源的研究與設(shè)計(jì)[J].中外企業(yè)家，2020（4）：164.

[4] 孟慶歡，鄒林，黃智慧，等.一種高壓取電電源的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電氣應(yīng)用，2016，35（19）：47-52.

[5] 田偉明.電容分壓式高壓取電電源的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安科技大學(xué)，2019.

[6] 貝冠祺，王全保.小功率變壓器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[7] 張植保.變壓器原理與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

收稿日期：2024-09-23

作者簡(jiǎn)介：謝海波（1990—），男，江蘇南通人，助理工程師，主要從事中壓配電成套設(shè)備的產(chǎn)品研究及生產(chǎn)開(kāi)發(fā)工作。