摘 要：電流互感器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，介紹一種適用于有源電子式電流互感器的懸浮式直流電源的設(shè)計(jì)原理。提出一種用補(bǔ)償線圈和充電電池相結(jié)合的方法對(duì)母線電流取能方式進(jìn)行改進(jìn)的新方案，使電源在更寬的一次側(cè)電流動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)滿足電子式電流互感器對(duì)電源的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電源能夠滿足高壓側(cè)電子電路的供能要求。該方法是目前解決有源電子電流互感器高壓側(cè)電源問(wèn)題的有效方法之一。

關(guān)鍵詞：電子式電流互感器；有源式；儲(chǔ)能電池；高壓側(cè)電源

中圖分類號(hào)：TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X(2008)1802003

Research of the High Potential Circuit Power Supply for Active Electronic Current Transformer

GUO Jiwei，LIANG Kui，DONG Lingkai

(Electrical Information College，Three Gorges University，Yichang，443002，China)

Abstract：The current transformer is an important equipment in power system.The principle of a floating type DC power supply is introduced，which is used in the active electronics current transformer at high voltage side.This paper proposes a new method combining compensation coil and rechargeable batteries，to improve the method that take power from bus current and to make the power meet electronic current transformer requirements in a wider current of high voltage side.The results show that it can satisfy the requirements of the high potential circuit power supply.It is one of effective method to solve active electronic current transformer high potential circuit power supply.

Keywords：electronic current transformer;active;battery stored energy;high potential circuit power supply

1 引 言

電流互感器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展及電網(wǎng)電壓等級(jí)的不斷提高，對(duì)電流的測(cè)量要求也在不斷提高，傳統(tǒng)互感器的問(wèn)題日益突出^［1］。新式的電子式互感器應(yīng)運(yùn)而生，電子互感器可分為有源式和無(wú)源式2種。有源式是指?jìng)鞲蓄^部分采用傳統(tǒng)的傳感原理，并利用光纖傳輸數(shù)據(jù)的電子式互感器，由于光纖只能夠傳輸數(shù)字信號(hào)，所以必須在高壓側(cè)對(duì)傳感頭的輸出信號(hào)進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，這就勢(shì)必要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電子電路，因而也就帶來(lái)了電路的供能問(wèn)題，這是有源式互感器研究中的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)^［2］。本文介紹一種用補(bǔ)償線圈和充電電池相結(jié)合的方法對(duì)母線電流取能方式進(jìn)行改進(jìn)的新方案。

2 設(shè)計(jì)原理

由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，電源二次側(cè)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:E=2πfN2Φm×10－8式中：f為正弦波頻率；N2為二次側(cè)線圈繞組匝數(shù)；Фm=BmS為輸電線傳輸電流在變壓器鐵心激磁產(chǎn)生的磁通量。

設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮以下2個(gè)問(wèn)題：

(1) 在系統(tǒng)電流很小時(shí)能夠提供足夠大的功率，以驅(qū)動(dòng)處于高壓端的電子線路；

(2) 在系統(tǒng)出現(xiàn)短路大電流時(shí)，能吸收多余的能量，給電子線路提供一個(gè)穩(wěn)定的電源，其本身也要保證不因電動(dòng)力而損壞。

為解決上面2個(gè)難題，這里設(shè)計(jì)圖1為實(shí)際的電源設(shè)計(jì)原理性線路圖^［3，4］。圖1中L1為主線圈；L2為補(bǔ)償線圈。主線圈提供直流穩(wěn)壓工作電源，補(bǔ)償線圈主要用于控制主線圈的電壓應(yīng)該在一定的范圍。充電電池主要作用是在短期斷電或小電流情況下充電電池投入供電。

在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，是主線圈提供直流電源。當(dāng)輸入電壓超過(guò)8 V時(shí)，檢測(cè)電池溫度和電壓，如果溫度正常，電壓過(guò)低則充電電池進(jìn)入充電狀態(tài)，如果2個(gè)條件有一個(gè)不滿足不能進(jìn)行充電。當(dāng)發(fā)生故障或其他原因使主線圈輸入電壓超過(guò)后續(xù)電路所能調(diào)節(jié)的某一個(gè)值時(shí)二極管VS會(huì)導(dǎo)通，電流會(huì)使磁控開關(guān)閉合，補(bǔ)償線圈回路導(dǎo)通反向激磁，從而降低鐵心中的磁通量，達(dá)到降低主線圈供電電壓的目的。當(dāng)發(fā)生斷路器跳閘或小電流情況時(shí)，主線圈輸入電壓不能提供高壓側(cè)電路所需的能量時(shí)就切換到充電電池供電，這樣就很好地解決了在小電流時(shí)不能正常供電的問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中如果大電流過(guò)大，可設(shè)計(jì)多個(gè)補(bǔ)償電路，進(jìn)一步降低激磁電流值。圖1 電源設(shè)計(jì)原理性線路圖3 設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

3.1 鐵心材料的選取

鐵心是取電的一個(gè)重要問(wèn)題，現(xiàn)在主要用硅鋼材料，非晶材料和莫坡合金作鐵心。根據(jù)高壓側(cè)電流的特點(diǎn)選取鐵心，數(shù)據(jù)證明，非晶材料和其他2種相比有更多優(yōu)點(diǎn)^{［5，6］}。同時(shí)注意選取合適的B–H曲線工作點(diǎn)，使電源能夠在大的原方電流波動(dòng)范圍內(nèi)正常供電。

3.2 主線圈和補(bǔ)償線圈匝數(shù)的選取

為了在小電流的情況下感應(yīng)出所需電壓，根據(jù)公式:P=EI=2πfBSN2I其中S 為鐵心截面積；I為一次側(cè)電流幅值。

這里需要加大鐵心截面積或增加線圈匝數(shù)，當(dāng)匝數(shù)太少時(shí)感應(yīng)電壓下降，太多時(shí)負(fù)載能力又會(huì)下降，所以實(shí)際制作時(shí)主繞組為62匝。由電磁感應(yīng)定律可知，補(bǔ)償線圈的匝數(shù)越多越好，但制作時(shí)一定要根據(jù)自己需要。因?yàn)樵褦?shù)越多感應(yīng)電壓越高對(duì)絕緣的要求就越高，所以制作時(shí)補(bǔ)償線圈的匝數(shù)為300匝。

3.3 充電控制過(guò)程

充電狀態(tài)流程 BQ2057的充電曲線如圖2 所示，BQ2057的充電分為3個(gè)階段：預(yù)充狀態(tài)、恒流充電和恒壓充電階段。

預(yù)充階段 在安裝好電池并加上電源后，BQ2057首先檢查工作電壓 VCC，當(dāng)工作電壓過(guò)低時(shí)充電器進(jìn)入休眠模式，若工作電壓正常，則檢查電池溫度是否在設(shè)定范圍；若不正常則進(jìn)入溫度故障模式；否則檢測(cè)電池電壓VBAT。當(dāng)電池電壓VBAT低于低壓門限Vmin時(shí)，BQ2057以恒流I(xiàn)REG10%的電流I(xiàn)PRE對(duì)電池預(yù)充電。

恒流充電 在完成對(duì)電池預(yù)充或電池電壓VBAT 低于恒壓VREG時(shí)，BQ2057進(jìn)入恒流充電狀態(tài)，此時(shí)由外部的感測(cè)電阻RSNS 上的壓降監(jiān)控充電電流，通過(guò) SNS 引腳獲得充電電流的反饋，感測(cè)電阻由下式計(jì)算：

RSNS=VSNS/I(xiàn)REG，其中I(xiàn)REG為預(yù)期的充電電流。

圖2 BQ2075對(duì)電池充電的曲線恒壓充電 當(dāng)充電電壓達(dá)到恒壓VREG時(shí)進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)。在整個(gè)工作溫度和工作電壓范圍內(nèi)，BQ2057通過(guò)BAT和VSS引腳監(jiān)測(cè)電池組電壓，當(dāng)充電電流達(dá)到終止門限I(xiàn)(TERM)時(shí)停止充電，當(dāng)電池電壓低于重新充電門限電壓 V(RCH) 時(shí)自動(dòng)開始重新充電。

電池溫度監(jiān)測(cè) BQ2057通過(guò)測(cè)量 TS 與VSS 引腳間的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，常用熱敏電阻作為溫度傳感器，并通過(guò)分壓電阻實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。分壓電阻的阻值可根據(jù)參數(shù)計(jì)算。BQ2057將該電壓與內(nèi)部的V(TS1)和V(TS2)門限電壓比較以決定是否允許充電。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)時(shí)R＝60 Ω選取穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值為20 V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明。原方電流在0~900

A范圍內(nèi)變化時(shí)，電源能夠提供所需的電壓。在原方電流小于20 A時(shí)，啟用充電電池供電，補(bǔ)償線圈能夠使整流側(cè)輸出電壓維持在25 V以下，保證各穩(wěn)壓模塊可靠工作。 當(dāng)原方電流大于900 A時(shí)，整流側(cè)輸出電壓緩慢上升，超過(guò)DC/DC模塊的最大輸入電壓，采取一定的散熱措施（如增大散熱片的尺寸等）可以使電源在更大范圍內(nèi)工作。

表1 線路電流與輸出電壓的關(guān)系

線路電流/A0430150750900整流輸出/V01.83.59.117.823.1DC/DC輸出/V555555.2

5 結(jié) 語(yǔ)

采用充電電池和補(bǔ)償線圈相結(jié)合的方法解決母線電流取能方式的小電流死區(qū)問(wèn)題同時(shí)在大電流時(shí)可以降低原方電流的激磁作用，有效地降低了原方電流對(duì)電子式電流互感器工作電源工作特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法是切實(shí)可行的，它解決了在線路電流過(guò)低或斷路器跳閘時(shí)無(wú)法供電的問(wèn)題，同時(shí)能使電源在寬的一次側(cè)電流動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)滿足電子電流互感器對(duì)工作電源的長(zhǎng)期工作要求。其是目前解決有源電子電流互感器高壓側(cè)電源問(wèn)題的有效方案。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］徐雁，朱明均，郭曉華，等．空心線圈作為保護(hù)作用電流互感器的理論分析和實(shí)驗(yàn)［J］．電子系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，26(16):5255.

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作者簡(jiǎn)介 郭吉偉 男，1981年出生，碩士。主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

梁 魁 男，1982年出生，碩士。主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障診斷。

董凌凱 男，1983年出生，碩士。主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)信息及其自動(dòng)化技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文