汪世平，丁志剛，李 吉，張 吉，鄧 慶

（1.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司），南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的建設與發(fā)展，輸電線路電壓等級不斷提高，電網(wǎng)的分布越來越廣，輸電線路沿線氣候環(huán)境復雜，輸電線路的安全可靠運行面臨巨大挑戰(zhàn)，輸電線路的巡視維護工作量也越來越大，推廣輸電線路在線監(jiān)測與故障診斷技術是提高線路運行水平的必然趨勢[1]。

特高壓輸電線路監(jiān)測終端主要用于故障定位與診斷，通過高速采樣電路采集行波數(shù)據(jù)進行計算與分析，并將結果通過無線方式傳送至監(jiān)控主站或電力物聯(lián)網(wǎng)平臺，監(jiān)測終端本體直接安裝在一次線路的分裂導線上。特高壓輸電線路負載電流變化大，線路長，穿越不同的氣候環(huán)境地區(qū)，這些應用特點要求監(jiān)測終端能夠便捷取能且取能功率大、重量輕、體積小、易于安裝、免維護、有可靠后備電源供電等[2]。因此，能滿足這些技術需求的監(jiān)測終端供電系統(tǒng)是監(jiān)控終端長期可靠運行的重要基礎。

特高壓輸電線路監(jiān)測終端設備的取能設計主要采用電流互感器取能技術[3-6]。但是電流互感器取能技術難點在于一次電流變化范圍寬時如何有效取能、啟動電流如何降低、以及在一次側大電流時如何實現(xiàn)保護。針對該技術難點，文獻[7]提出采用雙線圈控制方法，限制其能量對后級的傳輸，但該方法復雜，且正常取能功率偏小，12 A 電流時只有0.2 W 左右；文獻[8]提出采用變換器式雙線圈控制方法，在2.5 W 負載時啟動電流偏高，需要大于30 A；文獻[9]中試驗數(shù)據(jù)表明，在電流99 A 時，才能輸出2.5 W，同樣存在啟動電流偏高的問題；文獻[10-12]中采用單線圈電路設計實現(xiàn)了取能，但由于后級電源采用降壓變換電路，其輸入輸出電壓比很大時，轉換效率低，限制了其取能電流范圍和對應的取能功率；文獻[13]中通過配置鋰電池解決小電流啟動問題，但存在鋰電池沒電時無法啟動的可能；文獻[14]主要對取能互感器的材料選型及設計進行了研究，并沒有對取能電路進行相關研究；文獻[15]采用太陽能、蓄電池方案，適合于直流輸電線路取能，用在交流輸電線路較為復雜。

本文采用單線圈取能電路，簡化了TA 取能部件的設計；采用雙門檻晶閘管閉環(huán)防護電路及高啟動電壓的反激變換電路，一方面提高了取能功率，并降低了啟動電流，同時在大電流條件下可靠取能；另一方面由于雙門檻觸發(fā)電路的存在，解決了鉗壓電路失效條件下的供電可靠性。這種取能技術很適合特高壓輸電線路監(jiān)測終端供電模塊可靠性高、重量輕、免維護等技術需求。

1 寬范圍TA 取能電路設計

交流特高壓輸電線路監(jiān)測終端設備的取能電流互感器輸出側通過采用閉環(huán)控制及保護動作雙觸發(fā)門檻晶閘管電路，在回路中引入大電流間隔性短路電路，確保大電流時變換器輸入電壓控制在一定的范圍內(nèi)，并結合后級高啟動電壓Flyback變換器降低啟動電流，該取能系統(tǒng)稱為寬范圍TA 取能電路。采用隔離的Flyback 變換器，可以提高系統(tǒng)的EMC（電磁兼容）特性。

寬范圍TA 取能電路由三個部分組成：取能線圈、整流鉗位、Flyback，如圖1 所示。

圖1 寬范圍TA 取能電路

圖1 中T 為鐵心，通常取能TA 是套在輸電線路上，一次側繞組匝數(shù)NP為1，取能線圈副邊繞組匝數(shù)為NS，Q1為晶閘管，Z1、Z2為TVS 管，B1為整流橋，D1、D2為防反灌二極管，R1、C1為延時防抖，Cin為儲能、濾波電容，F(xiàn)1為Flyback 變換器，電壓檢測和比較驅動電路用于Cin電壓鉗位控制，檢測驅動電路的供電直接采用高壓小電流BUCK 電路提供，驅動電路直接在檢測比較器的輸出采用推挽式電路實現(xiàn)。TVS 管Z1的動作值比F1設定的輸入穩(wěn)壓值VT高，其目的是當穩(wěn)壓檢測回路失效后，TA 輸出側電壓高于Z1的動作值時觸發(fā)晶閘管導通Q1，防止電壓過高損壞后級電路，同時還能持續(xù)取能，僅后級Flyback 變換器的輸入電壓從鉗位值上升到Z1的動作值，即存在兩個動作門檻。

Flyback 變換器F1輸入電壓范圍為（VS～VZ），啟動電壓VS的取值與互感器設計密切相關。VZ是考慮TVS 管Z1的動作電壓（如400 V），閉環(huán)控制的目標電壓VT在200 V 左右，原邊控制器采用QR（準諧振）控制器，減小原邊開關損耗。F1的輸出電壓設定在8 V，一方面給后備高低溫電池充電，同時通過后一級DC/DC 變換為5 V，給整個監(jiān)測終端系統(tǒng)供電。

電壓比較電路檢測Cin上的電壓，當超過設定值時驅動晶閘管導通，旁路二次側電流。晶閘管導通后，二次側電流全部流過晶閘管，晶閘管導通期間由Cin儲能向后級提供負載所需的能量。

對寬范圍TA 取能電路的工作原理進行分析。如圖2 所示，根據(jù)一次側的電流不同，寬范圍TA取能電路分為三個不同的工作階段及保護動作。圖2 中Vin為Flyback 變換器的輸入電壓，8 V 為Flyback 變換器的輸出電壓。

圖2 輸入電流與Flyback 輸入輸出電壓關系

1）Flyback 電路不工作（Flyback 不啟動或不斷重啟）

當一次側電流ip非常小的時候（ip遠小于IK），副邊電流is=ipcosθ，給電容Cin充電，電容電壓Vin逐步上升，取能線圈原、副邊的角差θ 越來越大，激磁電流增大，is越來越小，直到為零，此時，ip=im，Vin穩(wěn)定在一個恒定的值，但電壓仍沒有達到Flyback 的啟動電壓VS，F(xiàn)lyback 不啟動。一次側電流ip進一步增大后，is又由零逐漸增大，電容繼續(xù)充電，Vin達到Flyback 的啟動電壓VS，F(xiàn)lyback 開始工作，給負載提供能量。由于此時is較小，VSIS

圖3 Flyback 電路不工作等效電路

2）Flyback 電路啟動、鉗壓電路不工作

當一次側電流ip大到一定程度后（IKPo/η，Vin將繼續(xù)上升，激磁電流也隨之增大，is減小，當Vin上升到某個值VX時，滿足VXIS=Po/η，Vin將保持不變，此時Vin沒有達到設定VT，等效電路如圖4 所示。

圖4 Flyback 電路啟動等效電路

3）Flyback 電路、鉗壓電路均工作

當一次側電流ip較大后（ip>IT），Vin將繼續(xù)上升，激磁電流也隨之增大，但仍然滿足VSIS>Po/η，最后Vi達到設定VT，電壓比較檢測電路動作，向晶閘管發(fā)出驅動信號，晶閘管Q1動作，將Vin鉗位在VT，取能線圈相當于短路，后級F1模塊需要的能量由Cin提供。此時，副邊電流is經(jīng)過副邊整流器B1和晶閘管Q1形成短路電流。在此期間，電容Cin電壓逐漸下降，當下降到低于VT后，比較檢測電路關閉驅動信號，晶閘管反向關斷后，取能線圈輸出給電容Cin充電同時給F1供電，直到電容Cin電壓Vin再次高于VT，檢測電路再次發(fā)出驅動信號，周而復始，使電容電壓穩(wěn)定在VT。Q1動作后的等效電路如圖5 所示。

圖5 Q1 導通時等效電路

4）檢測電路失效時保護電路工作

由于正常工作時，Cin承受比較高的電壓，并且要具備一定的容量，因此通常采用電解電容，為了防止閉環(huán)電路異常導致Cin承受的電壓過高而爆炸，需要采取保護措施，即雙觸發(fā)門檻晶閘管電路。當一次側電流遠大于IT，電壓檢測電路工作異常時，不能可靠將目標電壓鉗位，Vin將繼續(xù)上升，直到達到保護動作電壓VZ，穩(wěn)壓管Z1動作，晶閘管Q1門極驅動開通，取能線圈輸出側短路，從而避免輸出電壓進一步上升，其等效電路如圖6 所示。Z1動作后，Vin將會逐漸下降，直到低于Z1的動作值，在下一個過零點時晶閘管再次關閉，Vin再次上升直到穩(wěn)壓管Z1動作，重復下一個周期。

圖6 保護電路動作等效電路

2 取能電路參數(shù)計算

監(jiān)測終端設備直接安裝在特高壓輸電線路上，結構設計時要考慮避免電暈放電引起的無線電干擾，外部表面曲率半徑要足夠大，需采用圓柱體結構；另外，結構設計時要考慮冰雪覆蓋以及風擺對終端設備的機械振動沖擊影響，需減小整體質量以及可靠緊固。在此技術要求下，特高壓輸電線路監(jiān)測終端設備取能互感器的設計要考慮以下幾個因素：

1）一次電流取能范圍在15～1 500 A。

2）終端總重量<5 kg，以便于工人安裝及減小機械振動沖擊影響。

3）取能TA 安裝在輸電導線上，磁芯必須能開合，線圈只能繞在一半磁芯上面。

4）適合于分裂導線最大線徑場合安裝，要求磁芯內(nèi)徑要大于40 mm。

5）能夠取能3 W 以上，并在大電流下有額外的能量可以給后備電池充電。

根據(jù)上述要求，設計一款合適的取能電路?？紤]到最惡劣情況，Cin容值應滿足：

式中：Tl為工頻周期。綜合體積、成本等因素，選擇溫度范圍為-40 ℃～+105 ℃、長壽命的鋁電解電容。

根據(jù)上文的分析，寬范圍TA 取能電路在不同的工作模式下，取能線圈工作特性有些差異，工作在穩(wěn)壓VT時，取能線圈類似TV 運行。由于自感和內(nèi)阻的存在，一次側繞組NP和二次側繞組NS間存在角差θ，即存在激磁電流im。圖7 給出了TA 的等效電路和相量圖。

圖7 CT 取能電路的等效電路和相量圖

圖7 中R1是等效到TA 原邊的負載電阻；μ0為真空中的磁導率（μ0＝4π×10-7），μr為鐵心的相對磁導率，鐵心的截面積為A，等效磁路長度為l，TA 原邊匝數(shù)NP=1。一次側激磁電感L1為：

取能線圈的輸出功率即為等效電阻R1上的功率P1：

勵磁電流im的大小為：

鐵心選定好了后，在要求的最小啟動電流下，取能線圈的輸出功率大小就取決于等效電阻R1了。例如，采用硅鋼片，鐵心截面積為24×10-4m2，等效磁路0.24 m，相對磁導率15 000。依據(jù)式（3），取能線圈在一次側15 A 電流時輸出功率P1與R1的關系曲線如圖8 所示。

圖8 取能功率與原邊等效負載電阻關系

由曲線可以看出，一次電流為15 A，等效電阻在60 mΩ 時，輸出功率達到最大3.3 W。

等效電阻R1由副邊電阻等效R2和匝數(shù)NS決定：

取能互感器另外一個重要參數(shù)為輸出側的繞組匝數(shù)NS，匝數(shù)決定著flyback 啟動電壓VS的高低。當一次側電流達到最小啟動電流15 A 時，取能繞組儲能電容上的電壓Vin達到啟動電壓VS以上，F(xiàn)lyback 輸出系統(tǒng)所需的功率。

此時，取能線圈輸出電壓與匝數(shù)關系如下：

啟動電壓VS應低于目標電壓VT，取130 V。根據(jù)式（2）、（4）、（5）、（7）計算出匝數(shù)NS為407匝，實際取400 匝。

目標電壓VT同樣按輸出最大功率設計：

根據(jù)式（8）計算出VT約為180 V，實際設置為200 V。

另一個需要計算的參數(shù)是鐵心進入飽和時一次側電流值。設一次側電流幅值達到IPM時鐵心進入飽和狀態(tài)，鐵心的飽和磁感應強度為Bm，當一次側電流很大時，取能繞組上電流工作時間很短，可以忽略，副邊基本處于短路狀態(tài)，此時輸出電阻為繞組內(nèi)阻，等效到原邊側的電阻為R1，則飽和電流：

考慮正常最大1 500 A 工作電流時，取能線圈副邊電流為3.75 A，電流密度取8 A/mm2，線徑取0.5 mm，并且只能繞制在半副磁芯上，計算出的導線內(nèi)阻為6.7 Ω，等效到原邊的電阻為4.2×10-5Ω，飽和磁感應強度取2T，計算出飽和時的一次側電流約為12 000 A。原邊大電流時，晶閘管Q1導通、TA 副邊繞組短路時間均增加，副邊繞組、整流橋B1、晶閘管Q1的損耗增加，這幾個部分的熱量通過導熱部件傳導至監(jiān)測終端的金屬內(nèi)壁，實現(xiàn)散熱，能通過高溫85 ℃烤機試驗。此時整個取能回路效率較低，但消耗的是多余的能量，不影響監(jiān)測終端正常的工作。

最終設計完成的帶有塑料外殼取能互感器尺寸為：112 mm（寬）×115 mm（高）×80 mm（厚），內(nèi)徑41 mm?；谠摶ジ衅鞯娜∧茈娐吩谝淮坞娏鞔笥?5 A 時即可輸出3 W 功率，在一次電流為60 A 時，可以輸出近15 W 功率，此時可以對后備電池進行充電。

采用上述電路原理和參數(shù)設計的寬范圍TA取能電路尤其適合特高壓輸電線路監(jiān)測終端設備的供電，既能可靠監(jiān)視線路輕載下工況，又能保證故障電流下終端設備能將故障信息正確上傳。同時，由于該電路取能功率大，能滿足故障診斷設備配置各種無線模塊的功率需求。

3 仿真分析與試驗驗證

3.1 仿真分析

為驗證上文分析的正確性，采用PSIM 軟件建立TA 取能電路和Flyback 的仿真模型進行仿真驗證。

圖9 是工作階段1 正常啟動前的仿真波形：is為0.025 A，F(xiàn)lyback 輸出電阻Ro=21 Ω 時（等效負載功率約3 W），F(xiàn)lyback 在不停地重啟。

圖9 Flyback 電路不啟動時輸入輸出仿真波形

圖10 是工作階段2 的仿真波形：is為0.053 A，F(xiàn)lyback 輸出電阻Ro=21 Ω，F(xiàn)lyback 正常工作，此時Vin約為135 V。

圖10 Flyback 電路啟動后輸入輸出仿真波形

圖11 是工作階段3 的仿真波形：is為0.3 A，F(xiàn)lyback 輸出電阻Ro=21 Ω，F(xiàn)lyback 正常工作。

圖11 Flyback 電路工作在鉗位電壓時輸入輸出仿真波形

圖12 是晶閘管穩(wěn)壓電路仿真波形（Flyback工作、鉗位電路工作）：Cin上電壓Vin和TA 副邊電壓VP。

圖12 Vin 波形和TA 副邊電壓波形

3.2 試驗驗證

根據(jù)本文提出的寬范圍TA 取能電路，設計了一款取能TA 和對應的DC/DC 電路模塊進行試驗驗證。試驗數(shù)據(jù)表明，在模擬線路電流>15 A時，取能電路即可3 W 負載下啟動工作；在模擬線路電流=1 500 A 時，取能電路還可以正常工作。各種工況下，TA 副邊側電壓和系統(tǒng)供電電源電壓（5 V）的波形如圖13 所示。

圖13 不同線路電流下，TA 副邊電壓（CH1）和系統(tǒng)電源電壓（CH2）

從上述波形可以看出，在一次側電流為10 A時，取能不足，導致后級Flyback 變換器不斷重啟，監(jiān)測終端設備無法正常工作；在一次電流大于啟動電流（15 A）時，后級Flyback 變換器正常輸出，后級DC/DC 變換出的5 V 系統(tǒng)電壓帶載正常，監(jiān)測終端設備正常工作；當一次側電流進一步增大后，鉗壓閉環(huán)電路投入工作，實現(xiàn)間歇性取能，此時TA 副邊脈沖電壓約220 V DC，在后級Flyback 輸入電壓范圍內(nèi)，電路正常工作，監(jiān)測終端設備正常工作。經(jīng)試驗證明，在各種工況下，經(jīng)過整流橋的DC/DC 輸入電壓均小于220 V，遠低于DC/DC 電路主功率器件的允許值600 V，電壓應力裕量大，有利于提高可靠性。

本文研制的取能模塊在電力工業(yè)電氣設備質量檢驗測試中心進行了第三方測試，在取能范圍和抗大電流沖擊方面的測試結果如下：

1）在15～1 500 A 范圍內(nèi)調節(jié)一次電流，取能模塊正常工作。

2）能承受40 kA/0.12 s、31.5 kA/0.3 s、15 kA/2 s 的工頻短路電流沖擊。

3）能承受20 kA 的8/20 μs 雷電流沖擊。

4 實際應用

采用上述供電技術的交流特高壓輸電線路監(jiān)測終端設備已經(jīng)應用在實際線路上，共安裝36個監(jiān)測終端，已運行近2 年，在線率100%，終端運行正常。工程現(xiàn)場照片如圖14 所示。

圖14 監(jiān)測終端設備NSR-391A 現(xiàn)場照片

陜西線路某日部分運行數(shù)據(jù)如表1 所示，監(jiān)測終端能正常取能與工作，并能將相關監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線供送到監(jiān)控主站。

表1 監(jiān)測終端設備現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)

某110 kV 變電站近期某日部分運行數(shù)據(jù)如表2 所示，線路負載電流很小，監(jiān)測終端設備也能正常取能、運行與監(jiān)控。

表2 監(jiān)測終端設備現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)

目前工程應用現(xiàn)場的線路負荷電流大小不同，可以驗證本文提出的寬范圍取能電路的電流適應性。長期kA 級的大電流取能能力暫時無法在工程現(xiàn)場驗證，但在測試驗證平臺上進行了1 500 A 電流1 000 h 烤機的測試（包括高低溫環(huán)境下），監(jiān)測終端設備均正常取能與工作。

5 結語

本文提出的低啟動電流、寬工作電流范圍的TA 取能電路，采用單線圈設計，由晶閘管穩(wěn)壓電路與高啟動電壓Flyback 電路共同作用，降低取能電路的啟動電流；利用Flyback 電路寬范圍輸入特點和晶閘管穩(wěn)壓電路，提升取能電路的電流范圍。該取能方法簡化了特高壓輸電線路監(jiān)測終端取能模塊的設計，提高了監(jiān)測終端的供電可靠性。同時，這些技術原理與方法也可以應用在低壓輸電線路監(jiān)測終端、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)邊緣終端的取能與監(jiān)控等場合。