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文檔簡介
1、一種輸電線路高壓側取能電源設計摘要:針對現有輸電線路高壓側取能電源設計中存在的小電流時輸出功率不足、 大電流時二次側電路熱耗嚴重、電源電路復雜等問題,提出了一種新的高壓側取 能電源設計方案。該方案通過合理選擇磁芯材料和線圈匝數,減小了啟動電流; 同時通過使用分流電路、并控制電源電路輸入功率的方法,有效控制了大電流時 的電源熱耗。實驗結果表明,本設計可在母線電流為 3A 時即能輸出 140mW 的功 率以給設備供電,同時在母線電流增至 600A 時可將電源的輸出功率控制在 1.5W 內以降低電源熱耗。關鍵詞:輸電線路;取能電源;啟動電流;熱耗0 引言隨著電網電壓等級的不斷提高,對電網運行狀態的實
2、時監測變得越發重要, 因此電源的供給是關鍵問題之一。目前,在線監測設備終端電源的實現方式主要 有光伏電池供電、蓄電池供電、激光供電、電壓互感器(PT )供電、電流互感器(CT)供電和分壓電容供電。其中CT供電憑借成本低、體積小、安裝方便的 優點,成為在線監測設備終端電源供電的主流方式。本文提出一種新型的高壓側取電電源的設計方法,該方法利用CT方式取能,采用初始磁導率較高的超微晶合金做為磁芯,并通過優化磁芯的參數、結構,達 到了減小啟動電流的目的;同時以控制電源電路的輸入功率為出發點,根據母線 電流的大小控制雙向可控硅的通斷,從而將不同阻值的電阻接入電路中,在大電 流時利用并聯電阻限制電源電路的
3、輸入功率,并對二次電流分流以降低電源電路 的熱耗。電路構成本文設計的高壓側取電電源電路由取能CT、測量模塊、控制模塊、保護模塊、 分流電路、整流電路和穩壓電路組成。取能電源的工作原理如圖 1 所示。圖1取能電源原理框圖取能線圈的設計取能分析取能線圈的空載等效電路如圖2 所示。圖 2 取能線圈的空載等效電路根據電磁感應定律可知,在取能線圈未飽和時,二次側輸出電壓E2的表達式 為:(1)( 2)式中:f為輸電線路中電流的頻率,N2為取能線圈匝數,為取能磁芯內通過 的磁通, Bm 為磁感應強度, S 為鐵芯截面積,為鐵芯疊片系數。取能線圈的輸出功率為P,其表達式為( 3 )取能線圈參數設計 本文設計
4、的取能電源主要滿足于故障指示器等小功率監測設備的供電,由于現有的功率指示器大都采用低功耗設計11,因此本文設計的取能線圈的功率要 求為在原邊電流大于等于3A時,電源可以輸出不低于140mW的功率。分流電路設計 當原邊電流數值較小時,不需要考慮對其進行分流。當輸電線路上的電流達 到數百安培時,必須對電源電路獲得的功率做適當的控制使其處于低熱耗狀態。 本文使用雙向可控硅,利用每個周期的電流幅值來控制自身的導通與關斷,決定 電源電路是否進行分流。當取能線圈輸出功率較低時,雙向可控硅處于關斷狀態, 取能線圈的輸出功率全部供給電源電路,以滿足負載所需要的功率;當取能線圈 的輸出電流較大時,雙向可控硅根據
5、電流大小依次導通,這時一部分電流流經電 阻進行分流,減小電源電路的熱耗。圖 5 分流電路示意取電線圈輸出電流控制框圖如圖所示,取電線圈并聯 3 組雙向可控硅和電阻 測量電路將Rogowski線圈的電流信號轉換為電壓信號,并作為控制可控硅導通與 關斷的控制信號。當電壓信號U1大于D1的設定值Vsetl時,D1導通,一部分 電流流經R1分流;當電壓增大,并且U2大于D2的設定值Vset2時,D2導通, 一部分電流流行R2和R3進行分流。當電壓繼續增大,并且U3大于D3的設定值 Vset3時,D3導通,一部分電流流行R1、R2和R3進行分流。采用此種方式對二 次側電流進行分流,可大大降低二次側電路的
6、熱耗。在無雙向可控硅的控制下,流過電阻R0的電流為I。當電流增加,可控硅D1 導通,R1起分流作用時,流過R1和R0的電流分別為(4)(5)流經電阻R0的電流的變化量為(6)若電阻Ro要求的最低功率為P0,則電流Io必須滿足公式:(7)將公式(2)帶入即可求得電阻R3的阻值為( 8 )當電流增大致使D1和D2同時導通,R2和R3同時起到分流作用時,流經電 阻 R2、 R3 和 R0 的電流分別為( 9 )(10)(11)將公式(11)帶入公式(7)可求出電阻 R2 的表達式。整機測試按照上述分析,我們在電源電路加入了分流電路。當原邊電流小于50A時, 雙向可控硅處于斷開狀態;當原邊電流50VI
7、V100A時,雙向可控硅D1導通;當 原邊電流1001300時,雙向可控硅D2導通;當原邊電流大于300A時,雙向可 控硅D3導通。取R3=500,R2=300,R1=200,R0=2000。并聯電阻后,二次側電 流、并聯電阻分流大小和負載阻抗功率的關系分別如圖所示。圖6 R0功率變化圖由圖6可以看出,在加入電阻分流之后,負載R0的功率始終被控制在0.5到1.4之間,在滿足R0正常工作的同時,其熱耗較分流之前明顯降低。結語 針對現有取能電源設計中存在的小電流時輸出功率不足、大功率時二次側電路熱耗嚴重、電源電路復雜等問題,對取能線圈進行改進,通過合理選擇線圈匝數,減小啟動電流;大電流時,保護電路
8、工作,保護電源電路不被損壞;利用分 流電路,簡化電源電路,降低電源電路正常工作時的熱耗。本文設計的取能電源 能在3A500A正常輸出5V, 40mW的功率,滿足小功率監測設備的功率需求。參考文獻:龔賢夫,周浩,戴攀,等.一種輸電線路大功率取能電源的設計J.電力系 統保護與控制.2012, 40(3):124-128李成.基于輸電線路的電能抽取技術研究D.北京:華北電力大學,2012.李先志,杜林,陳偉根,等. 輸電線路狀態監測系統取能電源的設計新原理J.電力系統自動化.2008,32(1): 76-80謝志遠.高壓輸配電線路在線監測設備供電電源的研究D.北京:華北電力大學.20165王瑋,賈明娜,張新慧,等.一種電子式電流互感器的高壓側設計J.自動化 儀表.2016, 37(1):81-84楊森.配網自動化終端電流互感器小電流取電技術研究D.重慶大學.2015劉亞東.輸電線路分布式故障測距理論與關鍵技術研究D.上海交通大學.2012周有慶,劉琨,吳桂清,等.基于 Rogowski 線圈電子式電流互感器的研究J.電氣應用.2006,25(6):106-110熊蘭,宋道軍,何友忠,等.輸電線路在線監測設備供電電源的研制J.電力 自動化設備.2012, 32
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