數(shù)模轉(zhuǎn)換式電子電流互感器高壓側(cè)取能裝置的設(shè)計(jì)

數(shù)模轉(zhuǎn)換式電子電流互感器高壓側(cè)取能裝置的設(shè)計(jì)

0電子式電流目前，微型計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)中測量、保護(hù)信號的數(shù)字處理和傳輸。電力系統(tǒng)中新型電子式監(jiān)控設(shè)備得到了廣泛關(guān)注,傳統(tǒng)的電力控制技術(shù)面臨著新的變革。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中,電流/電壓互感器是監(jiān)測一次設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵設(shè)備。其中電子式電流互感器根據(jù)高壓側(cè)是否需要供電分為有源型和無源型2種。無源型電流互感器又分為磁光型、全光纖型及混合型3種。有源型電流互感器可分為調(diào)幅式、壓頻轉(zhuǎn)換采樣式和數(shù)模轉(zhuǎn)換式3種。無源型電子互感器是基于磁場對光纖中光量子的影響而設(shè)計(jì)的,造價高,易受外界因素干擾,穩(wěn)定性差,投入商業(yè)生產(chǎn)的條件還不成熟。在微電子技術(shù)和光纖技術(shù)的推動下,技術(shù)較為成熟、造價合理、穩(wěn)定性好的有源型電子互感器受到重視,并已有產(chǎn)品推向市場。有源型電子式電流互感器主要采用羅氏線圈作為傳感頭,利用光纖傳輸數(shù)據(jù),這種互感器需要考慮傳感頭電子電路工作電源的供給問題。本文針對有源型數(shù)模轉(zhuǎn)換式電流互感器,提出一種可靠且低成本的通過電磁耦合從母線上取能的供能設(shè)計(jì)方案,并通過實(shí)際取能裝置的試驗(yàn)結(jié)果對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。1利用電流器目前有源型電子電流互感器的供能方式主要有3種:1)通過電磁耦合利用一次側(cè)電流從母線上取能;2)由地面低壓系統(tǒng)取能并轉(zhuǎn)換為激光,通過光纖輸送至高壓平臺,然后再將光能轉(zhuǎn)化為電能;3)采用可充電蓄電池供能。在激光供能方式中,激光器本身的成本較高且輸送功率受到嚴(yán)格限制,若增加光纖數(shù)目必然要增加成本?？沙潆娦铍姵毓┠芊绞酱嬖诠怆姵剞D(zhuǎn)換效率、電池老化等問題,可靠性難以保證。某些電子式電流互感器產(chǎn)品采用從3種方式中選取2種相結(jié)合的供能模式,不但增加了成本而且要考慮2種方式切換時的可靠性問題。本文的設(shè)計(jì)方案采取從一次母線電流提取能量的方式,方法簡單可靠且易于實(shí)現(xiàn)。圖1給出了采用該方案的電子式電流互感器的結(jié)構(gòu)。2新能源裝置的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求與原則對于有源型電子電流互感器,如果電子電路的電源供應(yīng)不穩(wěn)定,系統(tǒng)工作的可靠性和精度會受到影響。各種供能方式所能提供的能量有限,所以電子電路的功耗不能太大,其設(shè)計(jì)要求是:1)滿足高壓端電路的功率需求;2)能夠無間斷地長時間穩(wěn)定工作;3)保證高、低壓系統(tǒng)之間的絕緣。相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則是:1)選用微功耗器件;2)采用單電源、低電壓供電;3)充分利用器件的節(jié)電工作方式,降低系統(tǒng)平均功率。遵循以上設(shè)計(jì)原則,通過實(shí)測和理論估算認(rèn)為,以目前的芯片技術(shù)采集傳送電路模塊(不包括電/光和光/電轉(zhuǎn)換器件)功耗可小于100mW。電/光和光/電轉(zhuǎn)換器件的能耗較大,設(shè)計(jì)中除減少其數(shù)量之外,還可以通過提高傳輸速率等方法來降低系統(tǒng)功耗。2.2獨(dú)立裝置的全球設(shè)計(jì)2.2.1流織物的供電通過電磁線圈從一次電流取能是目前可行且較經(jīng)濟(jì)的互感器高壓側(cè)供電方案。其基本原理是利用電磁線圈從母線上接收一次側(cè)傳變的電流,通過整流、濾波、穩(wěn)壓等后續(xù)電路處理向電子式電流互感器高壓側(cè)供電。采用這種方法面臨2個困難:1)母線電流處于空載等小電流狀態(tài)時如何保證電源的正常供應(yīng);2)母線處于超過額定電流的大電流狀態(tài)甚至短路故障電流狀態(tài)時,如何確保電源系統(tǒng)足夠安全和不間斷供電。為改善小電流啟動狀態(tài)需要增大鐵心截面,降低二次側(cè)繞線匝數(shù),這就要求在一次側(cè)出現(xiàn)大電流時二次側(cè)必須能通過相應(yīng)的大電流,否則二次側(cè)就會出現(xiàn)過電壓;如果增加二次側(cè)繞線匝數(shù)則又會影響在一次側(cè)小電流狀態(tài)下工作電源的電流輸出能力。因此,如何協(xié)調(diào)母線小電流狀態(tài)和大電流狀態(tài)時的工作狀況是取能裝置最主要的技術(shù)難點(diǎn)。2.2.2鐵心設(shè)計(jì)及制作鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場強(qiáng)度H之間是非線性關(guān)系。對這些物質(zhì)來說,基本公式B=μH中的導(dǎo)磁率μ并非一個常數(shù),其大小不僅與鐵磁物質(zhì)的成份、材料的熱處理和機(jī)械加工及磁化過程中的磁狀態(tài)等有復(fù)雜的關(guān)系,而且與外施磁場強(qiáng)度有很大關(guān)系。幾種常見鐵心材料的磁化曲線見圖2。由圖2可見:1)在弱磁場(圖中0~H′段)作用下,磁感應(yīng)強(qiáng)度B的增量主要取決于材料的初始磁導(dǎo)率μ0;2)傳統(tǒng)導(dǎo)磁材料(如硅鋼片)的飽和磁通密度雖較高,但μ0較低,而現(xiàn)代納米晶磁材料的μ0提高了數(shù)十倍。實(shí)驗(yàn)表明:一個優(yōu)化設(shè)計(jì)的非晶材料自勵源可以在0.6A電流條件下獲得30mW以上的取能效果。然而要達(dá)到這樣的結(jié)果必須選擇較大的鐵心截面。據(jù)統(tǒng)計(jì),大多數(shù)高壓輸電線路即使在空載狀態(tài)也有約數(shù)個安培的容性電流。因此即使在空載線路上上述的電能供應(yīng)也可以得到保證,無需其他輔助供能措施。為使取能裝置能夠工作在一個比較大的電流變化范圍內(nèi),采用通過穩(wěn)壓管泄放二次側(cè)電流的方法,即當(dāng)供能直流電壓達(dá)到所需要的數(shù)值后,二次側(cè)電流剩余的部分通過穩(wěn)壓管對取能線圈形成去磁效果。設(shè)計(jì)方案中選取新型的非晶材料制作取能線圈的鐵心,采取雙鐵心并行工作方式,且應(yīng)用多重過流過壓保護(hù)模式以保證裝置在小電流啟動和大電流沖擊狀態(tài)下均能正常工作。與國家非晶微晶合金工程技術(shù)研究中心合作對取能線圈鐵心進(jìn)行設(shè)計(jì),選定的鐵心型號為ON—186144050(O表示環(huán)形鐵心,N代表納米晶)。納米晶鐵心與其他材料的磁性能比較見表1。由表1可以看出納米晶材料的鐵心具有很多優(yōu)點(diǎn):1)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度介于硅鋼片和坡莫合金之間;2)具有高導(dǎo)磁率;3)重量輕;4)成本低,價格明顯低于坡莫合金;5)穩(wěn)定性優(yōu)良,可在-55~130℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)長時間工作。納米晶材料特制鐵心的尺寸如圖3所示。圖中:D為鐵心外徑;d為鐵心內(nèi)徑;L為側(cè)面寬度;l為氣隙寬度。在制作過程中加工2塊具有相同內(nèi)外徑的O型鐵心,其中一塊留有l(wèi)=2mm的氣隙,線圈銅線同時纏繞在這2塊并行的鐵心上,外徑D=186mm,內(nèi)徑d=144mm,側(cè)面寬度L=50mm。雙鐵心并行工作的原理是:母線在小電流狀態(tài)時一次電流交變量產(chǎn)生的磁通主要通過無氣隙鐵心單片傳遞到二次側(cè);當(dāng)一次電流逐漸增大到一定數(shù)值時在二次側(cè)會產(chǎn)生高電壓,鐵心中無氣隙單片的磁通會達(dá)到飽和值,磁通不再變化就難以向二次側(cè)傳遞能量,此時帶有氣隙的鐵心能起到繼續(xù)工作的作用。當(dāng)經(jīng)受短路大電流沖擊時,取能線圈的鐵心將在極短時間內(nèi)達(dá)到飽和,根據(jù)線圈二次側(cè)供能電路的工作原理和瞬態(tài)浪涌電壓抑制管(transientvoltagesuppressor,TVS)對電路的保護(hù)作用,取能線圈二次側(cè)短接,形成較大電流,并對鐵心中的整個磁路形成去磁效果,從而使線圈的鐵心退出飽和。與此同時繼電保護(hù)迅速動作切斷故障線路。2.2.3tvs阻值的確定供能電路如圖4所示,取能線圈二次側(cè)電流經(jīng)整流濾波,在大功率穩(wěn)壓管D0上形成一個10V的電壓,通過三端穩(wěn)壓管向后續(xù)電路提供一個5V的工作電源。TVS可以在大電流沖擊二次側(cè)產(chǎn)生高電壓時起到抑制作用,從而保護(hù)電子元件免受過電壓的損害。由于電路中限流分壓電阻R的阻值會影響到二次側(cè)電路的壓降,需要對其阻值的選取進(jìn)行討論,并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。電路中取TVS1為40V,TVS2為25V,在大電流沖擊時對整個供能線路起到保護(hù)作用。3在不同的場景下，考慮到電源的改善和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，3.1安全磁通密度s對于這種從一次電流取能的供電結(jié)構(gòu),電源變壓器輸出的交流電經(jīng)由橋式整流和電容濾波電路后得到直流電壓平均值為式中:2E為取能線圈二次側(cè)電壓;ω為角頻率;0.9為單相橋式整流交直變換系數(shù),在估算初始啟動電流數(shù)值時必須予以考慮。根據(jù)設(shè)計(jì)方案選取的特制鐵心型號,其并行鐵心中單片鐵心的機(jī)械面積為5.25×10-4m2,取鐵心疊片系數(shù)為0.7,那么單片鐵心的實(shí)際有效面積S=3.68×10-4m2,磁路平均周長為0.518m。取E2=10V,工作磁通密度B為6000Gs,在f=50Hz的工頻下,將S代入式(2)可估算出二次側(cè)匝數(shù)約為200匝,即式中:N2為取能線圈二次側(cè)匝數(shù);φm為取能線圈最大磁通量。為保證電流互感器高壓端電子元件30mA的工作電流,要求一次側(cè)激發(fā)電流值至少在6A以上。對于本裝置運(yùn)行的220kV輸電線路,由于其電納與幾何均距、導(dǎo)線半徑之間有對數(shù)關(guān)系,架空線路的電納變化不大,其值一般在2.85×10-6S/km左右,由此可以估算出距離為20km的空載線路通電時初始電流值可達(dá)7.2A,這說明本設(shè)計(jì)方案是可行的。3.2感器部位的冷卻設(shè)計(jì)為保證在大電流沖擊時整個供能電路能夠安全工作,考慮到大功率穩(wěn)壓管D0的發(fā)熱問題,設(shè)定在大功率穩(wěn)壓管回路電流達(dá)到其額定值的60%時無氣隙鐵心單片開始飽和,通過式(2)就可以確定限流分壓電阻R的阻值。在電阻參數(shù)和線圈匝數(shù)確定后,便可進(jìn)行實(shí)際的現(xiàn)場測試。試驗(yàn)證明其工作效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,具有電路簡單、不易受干擾影響、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。然而也存在一些不足,主要是大電流狀態(tài)時在穩(wěn)壓管上消耗功率較多并引起發(fā)熱,工作元件(穩(wěn)壓管和限流分壓電阻)溫升較高,應(yīng)用在電子式電流互感器高壓端會造成傳感器部位的散熱負(fù)擔(dān)。為此對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn),如圖5所示。圖中:SSR為固態(tài)繼電器;OC為光耦;R′為分壓電阻;D5為穩(wěn)壓管。此改進(jìn)方案主要考慮到固態(tài)繼電器(solidstaterelay,SSR)工作可靠,開關(guān)速度快,抗干擾能力強(qiáng),且體積小,耐沖擊,能以微小的控制信號直接驅(qū)動大電流負(fù)載。其電流的額定值選擇取能線圈鐵心飽和時的二次側(cè)的電流值,按照IZS=ES/R計(jì)算求得,其中R為線圈電阻值,SE為鐵心飽和時二次側(cè)電勢。在這種框架下,供能電路中穩(wěn)壓管D5的容量可以選取為1W,解決了大功率穩(wěn)壓管工作中產(chǎn)生大量熱能的問題。根據(jù)對SSR的使用經(jīng)驗(yàn),可靠性是有保證的。為了對固態(tài)繼電器導(dǎo)流側(cè)電壓變化率加以限制,避免發(fā)生誤導(dǎo)通現(xiàn)象,可在其交流側(cè)并聯(lián)一個電容器C1。改進(jìn)方案中在穩(wěn)壓管電路中加入光耦(opticalcoupler,OC)控制SSR的通斷?？紤]其負(fù)載側(cè)工作電流的范圍,固態(tài)繼電器選用一次側(cè)可通過40A的隨機(jī)增強(qiáng)型產(chǎn)品。圖5所示的改進(jìn)方案在初始啟動小電流狀態(tài)下由穩(wěn)壓管D5提供給后續(xù)穩(wěn)壓回路10V的電壓,與此同時給電容C2充電。隨著一次電流的不斷增大,當(dāng)穩(wěn)壓管與光耦串聯(lián)線路兩端電壓達(dá)到導(dǎo)通電壓時,光耦導(dǎo)通,三極管E、C兩極間有約15mA的電流流過,SSR開始工作,整流橋交流側(cè)導(dǎo)通,二次線圈形成一個回路。當(dāng)取能線圈二次側(cè)短接后,裝置的供能電路側(cè)電容C2放電,當(dāng)其兩端電壓降到一定程度時,光耦停止導(dǎo)通,SSR交流側(cè)在電流瞬時值過零時斷開。如此以每個半波時間為周期攝取一次側(cè)電流傳變來的電能。若供能電路受到大電流沖擊,在TVS起到過電壓保護(hù)作用的前提下,通過SSR的控制使取能線圈二次側(cè)形成回路,泄放二次側(cè)產(chǎn)生的大電流。3.3交流側(cè)電流狀態(tài)對改進(jìn)的取能裝置進(jìn)行試驗(yàn)來驗(yàn)證其工作性能的可靠性。試驗(yàn)中取能裝置在一次側(cè)電流達(dá)到9.6A時進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),C2取680μF,圖6顯示了在一次側(cè)小電流狀況下圖5中1、2兩端點(diǎn)間電壓的變化情況,此時整流橋的交流側(cè)電流很小(約為200mA,采用鉗形電流表測得),電容C2兩端電壓保持10V恒定。圖7、8給出了一次側(cè)大電流狀態(tài)下SSR交流側(cè)的電壓波形。圖中顯示了SSR導(dǎo)通的時間,對應(yīng)的整流橋交流側(cè)電流分別為2.1A和4.6A,SSR導(dǎo)通時改進(jìn)電路中1、2兩端點(diǎn)間的電壓幅值突然減小。從這些示波器的截圖可知,在交流電壓的每半個周期之始,電容C2有一小段時間處于充電狀態(tài),并且以周期性的充電–放電模式工作,其電壓波動幅值取決于C2的電容值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示C2兩端電壓波幅變化