王丹 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院

引言：輸電線路的安全可靠運(yùn)行是電網(wǎng)安全的根本保障。對工業(yè)生產(chǎn)和居民生活造成了巨大的影響。輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測是提高輸電線路運(yùn)行安全的有效方法，監(jiān)測設(shè)備的供電方式及供電技術(shù)是其可靠運(yùn)行的關(guān)鍵之一。由于在線監(jiān)測設(shè)備安裝環(huán)境的特殊性，對供電電源的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：一是整個(gè)電源系統(tǒng)本身必須高效率、低耗能，從而延長系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間；二是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，也就是說盡可能提高供電系統(tǒng)的性能指標(biāo)；三是增加抗干擾功能和安全保護(hù)設(shè)計(jì)。

1 電源工作原理

感應(yīng)取能原理圖如圖1所示，輸電線路交變電流產(chǎn)生磁場，電流互感器的取能線圈從磁場感應(yīng)得到感應(yīng)電電勢，為了滿足輸電線路監(jiān)測設(shè)備對電源的要求，還需要設(shè)計(jì)電源變換電路，將感應(yīng)的交變電勢變換成符合監(jiān)測設(shè)備需求的穩(wěn)定直流電壓。

圖1 磁感應(yīng)線圈原理圖

本文的研究內(nèi)容是設(shè)計(jì)一套使用電流互感器從高壓單相工頻交流輸電線路取電的電源裝置，為一臺輸電線路實(shí)時(shí)在線測溫設(shè)備供電，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)問題展開研究。一般監(jiān)測設(shè)備的功耗0.75～3.5W，平均功耗為2.5W。根據(jù)某供電網(wǎng)10KV線路日負(fù)荷曲線知：輸電線路的電流是時(shí)刻變化的，其大小受用電區(qū)負(fù)荷影響,所以本文選擇輸電線路電流變化范圍為120～600A，輸電線路監(jiān)測設(shè)備功耗為2.5W（+5V、500mA）作為研究對象。

2 電流互感器參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 感應(yīng)取電

根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，一次側(cè)為正弦輸入時(shí)，取能線圈由鐵芯中變化的磁場感應(yīng)到的二次側(cè)電勢為

2.2 氣隙與磁場的關(guān)系

傳統(tǒng)CT的鐵心多為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，但為了安裝方便，目前多采用可開啟式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是在鐵心中引入氣隙，改變了鐵心的勵(lì)磁特性。由于存在鐵心磁阻，電磁式CT在工作時(shí)，部分電流用于磁化鐵芯，使得二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電流，若加入氣隙，則磁化鐵芯的電流變大，一部分的能量就要損失在建立磁場上，相應(yīng)的二次側(cè)感應(yīng)能量就減少了。

2.3 線圈匝數(shù)的確定

根據(jù)變壓器副邊電壓計(jì)算公式：

電源輸出電壓的大小將由二次側(cè)線圈匝數(shù)N，鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及鐵芯有效截面積S共同決定。為了充分利用母線周圍環(huán)形分布的磁通量，并綜合考慮便于安裝的要求，選用O型規(guī)格的硅鋼鐵芯。其規(guī)格參數(shù)如下： 外徑D=130mm，內(nèi)徑d=80mm，寬度a=45mm，氣隙，帶入式（3.12）即可求出，再將帶入式（3.7）的，即可求出功率線圈所需最小匝數(shù)匝?？紤]漏感和銅損，還需要額外增加5%余量的匝數(shù)，再經(jīng)過具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證調(diào)整，實(shí)驗(yàn)時(shí)取200匝。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 整體電路設(shè)計(jì)

自取電電源的工作原理圖見圖2。由電流互感器感應(yīng)電動勢先經(jīng)過壓過流保護(hù)電路，對后面的電源變換電路進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)，后經(jīng)過整流濾波電路及DCDC電路得到一個(gè)穩(wěn)定的5V直流電壓，供監(jiān)測設(shè)備工作。

圖2 自取電電源工作原理圖

3.2 浪涌抑制電路

輸電線路的電流出現(xiàn)短路故障或遭受雷擊時(shí)，會出現(xiàn)沖激電壓電流，成為浪涌。這些能量在極短時(shí)間內(nèi)通過CT向電源變換電路輸出，因此，必須在CT二次側(cè)設(shè)計(jì)保護(hù)電路，使電源變換電路免受瞬態(tài)高壓的破壞。

目前浪涌抑制的方法有氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管類和壓敏電阻/氣體放電管組合類，本文選擇抑制類二極管。

瞬態(tài)抑制二極管（TVS）技術(shù)利用的是半導(dǎo)體的鉗位原理，在經(jīng)受瞬時(shí)高壓時(shí)，會立即（最高可達(dá)到1×10-12 秒）將能量釋放出去，綜合電源整體架構(gòu)及以上分析，本文采用可耐受600W瞬時(shí)功率，擊穿電壓約43.5V的P6KE27CA型雙向TVS。

3.3 DC-DC電路

3.3.1 Buck電路原理與參數(shù)計(jì)算

在BUCK變換器的設(shè)計(jì)中，首先研究了開關(guān)頻率的選擇、制約開關(guān)頻率的因素和開關(guān)頻率引起的功率損耗。其次分析BUCK變換器的調(diào)制方式、控制方式及環(huán)路補(bǔ)償方式。

圖3 Buck電路原理圖

3.3.2 電路數(shù)學(xué)模型與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

閉環(huán)Buck變換器主要包括主電路，控制器和反饋網(wǎng)絡(luò)。Buck變換器的負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 Buck變換器

不加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖中無補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)相位裕PM=9deg，幅值增益DC gain=12.5dB，系統(tǒng)轉(zhuǎn)折頻率fp=460HZ,可見系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

本文在對已有供電電源進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種感應(yīng)取能裝置，該裝置利用法拉第電磁感應(yīng)原理，從輸電線路電流產(chǎn)生的電磁場感應(yīng)得到電勢，經(jīng)過電源變換電路給監(jiān)測設(shè)備供電。分析了感應(yīng)電勢與電流互感器鐵芯結(jié)構(gòu)、材料、氣隙等參數(shù)的關(guān)系。電源變換電路主要包括斬波器、過壓過流保護(hù)電路及泄放電路，其中斬波器的作用是將在一定范圍內(nèi)變化的電壓變換成滿足監(jiān)測設(shè)備精度等需求的直流電壓。斬波器采用BUCK變換器，在BUCK變換器的設(shè)計(jì)中，首先研究了開關(guān)頻率的選擇、制約開關(guān)頻率的因素和開關(guān)頻率引起的功率損耗。其次分析了BUCK變換器的調(diào)制方式、控制方式及環(huán)路補(bǔ)償方式。實(shí)現(xiàn)了在輸電線路電流大范圍變化時(shí)電壓及功率指標(biāo)滿足監(jiān)測設(shè)備需求。