技术交流 高压线自取电电源的研究与设计 西安航空职业技术学院 摘要：本文介绍了一种应用于高压线监测装置的非接触式自取电电源。电源利用高压母线周围的磁场获取感应电动势，所设计的感应取能装置 主要包括两个部分，感应取能电路与电源变换电路。通过对电压变换器、滤波电路、控制电路以及保护电路等的分析、比较，进行了高压输电线路在 线监测设备自取电装置总体方案设计，研究和设计了感应取能电路和电源变换电路。同时后端变换电路主要研究了宽输入开关电源，基于电压控制型 Ｂｕｃｋ电路提出了一种双极点双零点补偿网络控制器，用一对零点来抵消输出滤波器双重极点的谐振增益，提高输出电压精度，并根据理论完成方针 与实验。 关键词：非接触式互感器Ｂｕｃｋ变换器 引言：输电线路的安全可靠运行是电网安全的根本保障。对工 业生产和居民生活造成了巨大的影响。输电线路状态在线监测是提 高输电线路运行安全的有效方法，监测设备的供电方式及供电技术 是其可靠运行的关键之一。由于在线监测设备安装环境的特殊性，对 供电电源的设计提出了很高的要求，主要应考虑以下几个方面：一是 整个电源系统本身必须高效率、低耗能，从而延长系统连续工作时间； 能指标；三是增加抗干扰功能和安全保护设计。 １电源工作原理 Ｅ＝√２ ＾ （３） 电源输出电压的大小将由二次侧线圈匝数Ｎ，铁芯磁感应强度Ｂ 以及铁芯有效截面积Ｓ共同决定。为了充分利用母线周围环形分布的 磁通量，并综合考虑便于安装的要求，选用０型规格的硅钢铁芯。其 规格参数如下： 外径Ｄ＝Ｉ３０ｒａｍ，内径ｄ＝８０ｍｍ，宽度ａ＝４５ｒａｍ， 气隙 ＝ｌ＿７ｍｍ，带人式（３．１２）即可求出 ，再将 、 ＝５．６Ｖ带 ７）的 ，即可求出功率线圈所需最小匝数Ⅳ１＝１９２匝。考虑漏 二是提高系统的稳定性及可靠性，也就是说尽可能提高供电系统的性 入式（３．感和铜损还需要额外增加５％余量的匝数再经过具体实验验证调整， 实验时Ⅳ 取２００匝。 ３电路设计 感应取能原理图如图１所示，输电线路交变电流产生磁场，电流 互感器的取能线圈从磁场感应得到感应电电势，为了满足输电线路监 测设备对电源的要求，还需要设计电源变换电路，将感应的交变电势 ５．１整体电路设计 自取电电源的工作原理图见图２。由电流互感器感应电动势先经 过压过流保护电路，对后面的电源变换电路进行瞬态保护，后经过整 流滤波电路及ＤＣＤＣ电路得到一个稳定的５Ｖ直流电压，供监测设 备工作。 变换成符合监测设备需求的稳定直流电压。 堍焉譬 勰 拣镢 龇 魄 ； Ｄ虻 憩《 魄 孰 ｌ 圈２自取电电源工作原理圈 ５．２浪涌抑制电路 本文的研究内容是设计一套使用电流互感器从高压单相工频交 流输电线路取电的电源装置为一台输电线路实时在线测温设备供电， 输电线路的电流出现短路故障或遭受雷击时，会出现冲激电压 电流威为浪涌 ：些能量在极短时间内通过ＣＴ向电源变换电路输出， 并对其中的关键技术问题展开研究 般监测设备的功耗Ｏ．７５ ３．５ｗ， 因此，必须在ＣＴ二次侧设计保护电路，使电源变换电路免受瞬态高 平均功耗为２．５Ｗ 根据某供电网１０ＫＶ线路曰负荷曲线知：输电线 压的破坏。 路的电流是时刻变化的，其大小受用电区负荷影响，所以本文选择输 电线路电流变化范围为１２０￣６００Ａ，输电线路监测设备功耗为２．５Ｗ （＋５Ｖ、５００ｍＡ）作为研究对象。 ２电流互感嚣参数设计 目前浪涌抑制的方法有气体放电管、压敏电阻、抑制二极管类和 压敏电阻／气体放电管组合类，本文选择抑制类二极管。 瞬态抑制二极管（ＴＶＳ）技术利用的是半导体的钳位原理，在经 受瞬时高压时，会立即（最高可达到１×１０－１２秒）将能量释放出去， ２．１感应取电 综合电源整体架构及以上分析，本文采用可耐受６００Ｗ瞬时功率，击 根据电机学理论，一次侧为正弦输入时，取能线圈由铁芯中变化 穿电压约４３．５Ｖ的Ｐ６ＫＥ２７ＣＡ型双向ＴＶＳ。 的磁场感应到的二次侧电势为 ５．５ ＤＣ－ＤＣ电路 ３．３．１ Ｂｕｃｋ电路原理与参数计算 在ＢＵＣＫ变换器的设计中，首先研究了开关频率的选择、制约 ｅ：一．Ⅳ 一．Ⅳ （ ｉｎｏｘ）＝ ２ｎ 模型确定。 ；ｓｉｎ（ｃａｔ一９０。）＝ ｓｉｎ（ｒｏｔ一９０。） … 开关频率的因素和开关频率引起的功率损耗。其次分析ＢＵＣＫ变换 有效值为 ＝√２， ：ｍ （２）式中 、Ｂ、 、 分别为铁芯磁 器的调制方式、控制方式及环路补偿方式。 通量、磁感应强度、二次侧匝数及横截面积。其中 、Ｓ、 由互感器 ２．２气隙与磁场的关系 传统ＣＴ的铁心多为闭环结构，但为了安装方便，目前多采用可 开启式的结构设计，其特点是在铁心中引入气隙，改变了铁心的励磁 Ｒ Ｖｏ 特性庙于存在铁心磁阻电磁式ＣＴ在工作时部分电流用于磁化铁芯， 使得二次侧产生感应电势和电流，若加入气隙，则磁化铁芯的电流变 大，一部分的能量就要损失在建立磁场上，相应的二次侧感应能量就 减少了。 圈３Ｂｕｃｋ电路原理圈 如图３所示，输入电源为 …当开关管Ｓ导通时，二极管Ｄ反向 ２．３线圈匝数的确定 根据变压器副边电压计算公式： 截止，电感Ｌ充电，电流‘Ｊ增加，负载电阻Ｒ上流过电流矗输出电压 ； 当开关管Ｓ关断时，电感电流 经过二级管Ｄ续流，电感放电，电流 数码世界ＲＩ４０ 术交流 减小。稳态输入输出关系为 － 其中Ｄ为占空ｂＥ。 ＰＭ＝９ｄｅｇ，幅值增益ＤＣ ｇａｉｎ＝１２．５ｄＢ，系统转折频率ｆ ｏ＝４６０ＨＺ ，可见系统稳定。 ４结束语 Ｂｕｃｋ变换器性能指标如下：输入电压吒为８—４ＯＶ，输出电压 为５Ｖ，纹波小于１ＯＯｍｖ＇开关频率 取２５ｋＨｚ，额定负载电流 为 ５００ｍＡ。取Ｌ＝ｌｍＨ，Ｃ＝１２０ｕＦｏ ３．３．２电路数学模型与补偿网络设计 本文在对已有供电电源进行总结的基础上，设计了一种感应取能 装置，该装置利用法拉第电磁感应原理，从输电线路电流产生的电磁 势与电流互感器铁芯结构、材料、气隙等参数的关系。电源变换电路 主要包括斩波器、过压过流保护电路及泄放电路，其中斩波器的作用 麓旃 闭环Ｂｕｃｋ变换器主要包括主电路，控制器和反馈网络。Ｂｕｃｋ 场感应得到电势，经过电源变换电路给监测设备供电。分析了感应电 变换器的负反馈闭环控制系统如图４所示。 魂簿赣＾§柏唪 捧燕登攘嚣 是将在一定范围内变化的电压变换成满足监测设备精度等需求的直 流电压。斩波器采用ＢＵＣＫ变换器，在ＢＵＣＫ变换器的设计中，首 先研究了开关频率的选择、制约开关频率的因素和开关频率引起的 功率损耗 其次分析了ＢＵＣＫ变换器的调制方式、控制方式及环路 补偿方式。实现了在输电线路电流大范围变化时电压及功率指标满 足监测设备需求。 参考文献 ［１】贾起民，郑永令，陈暨耀．电磁学［Ｍ】．北京高等教育出版社，２０Ｏ１． 【２】王玉蜂，赵敏，罗沛文．一种高压线非接触式自取电电源的设计［Ｊ］． 机械制造与自动化，２０１３，（６）： １７８－１８ｏ，１８５ 【３】卢健豪，聂一雄．高压在线监测系统工作电源的实验研究［Ｊ］．广东技 术师范学院学报，２０１５，３６（２）：８０－８５． （ａ）闭环系统框图 【４］宋磊，徐永进．任殿义，等．一种基于新型电子式电流互感器直流电 能表的研制［Ｊ］．电测与仪表，２０１８，５５（２）：１００－－１０４． 【５】刘超超，赵向阳．电流互感器二次侧回路状态检测装置研制［Ｊ］．电测 与仪表，２０１８，５５（１）：１２１－１２５． ［６］毕超，肖飞，谢桢，等．Ｄｃ—Ｄｃ开关电源的建模 与控制设计［Ｊ】．电源技术，２０１４（２）：３５９—０６３ （ｂ）闭环系统传递函数图 圈４ Ｂｕｃｋ变换器 【７】董海鹰，李晓青，李坦．单端反激式开关电源反 馈回路的补偿控制［Ｊ］．电源技术，２ｏ１３（４）：６２４—６２７ 其中 （ｓ）为Ｂｕｃｋ变换器的占空比ｄ（Ｓ）至输出 （ｓ）的传递函数， ８］王辉，印叶婷．电压模式降压型开关电源的仿真 ６：Ｉｓ）为ＰＷＭ脉宽调制器的传递函数， …示反馈分压网络的传递 【研究［Ｊ］．电气自动化，２ｏ１２（３）：３１—３３ 函数，ａ ｆ ，为补偿网络的传递函数。闭环系统传递函数如下 一 翁 （４） （５） 被控对象为。 ∽－Ｇ 如 《 “，，由电路参数可得 作者姓名 ） 由 币 不加补偿网络，系统开环传递函数波特图中无补偿网络时相位裕 ，性别：女，（１９９０－－），民族：汉，籍贯：陕西西安，单位：西安航空职 业技术学院，学历学位：硕士研究生．职称：助教 电力电子器件及其应用的现状和发展 张生学 宜城市职业商级中学 摘要：电力电子器件经历了传统型电力电子器件和现代电力电子器件两个过渡阶段．现已进入第三代 传统阶段的电力电子器件晶闸管诞生于 ｌ０５７年，至今仍在许多场合广泛使用；第二代电力电子器件是微电子及电力电子两种技术的结合体，有多种产品，其中，以绝缘栅双极晶体管和Ｍ０Ｓ 门板晶闸管为主，属于场控复合器件，其发展前途非常广阔。本文简介了电力电子器件，对它的应用作为介绍，并分析其发展前景，加以展望。 关■翊：电力屯子器件应用发展 １概述 近年来，各种较大功率的半导体器件发展非常迅速，其应用也越 件应用于固态变压器中，可使它的结构更加简化，工作性能变得更好。 来越广泛，并具有变流变频功能，响应速度快，可以方便地实现小电 流控制大电流，低电压控制高电压。以碳化硅材料为例，用它制造的电 技术。电力电子器件应用于柔性交流式输电系统，可以更加科学高效 力电子器件物理特性和电特性十分突出，所以应用范围很大，受到业 地控制系统电压，系统功率和系统的输电品质，并使输电损耗得到有 界普遍性欢迎。 效降低。采用碳化硅材料制作的器件，其击利民场强度远高于普通硅 材料（是其８倍），且其电子饱和的漂移速度是普通硅材料漂移速度 ２主要应用于电力系统 在电力系统中碳化硅电力电子器件在以下几个方面得到了广泛的 的２倍。该特性使其通态电阻远低于普通电阻，而且工作效率也在到 应用： 了普通硅材料的１０倍以上，可以长期工作于高温环境下且十分稳定。 ２．５静止无功率补偿器件 ２．１固态式变压器 近年来，发展较快的是分布式发电系统，还有智能电网技术 碳 对于电力系统来说，静止无功率补偿器主要是在潮流控制以及无 以碳化硅为材料制作的电力电子器件，可以使系统的 化硅因其突出的性能特性广泛应用于固态变压器中。特别是宽禁带（第 功率补偿方面。三代半导体）材料应用方面，主要是使器件在工作时可以很好的适应 稳定性更好，响应速度更快。目前，最基本的半导体器件制备工艺是 Ｏ２中同 其温度方面要求如以６Ｈ—ＳｉＣ它的为３．Ｏ Ｖ萁本征温度超过８０００度。 掺杂。对于扩散系数这一指标来说，杂质在碳化硅器件和Ｓｉ以碳化硅为材料，进行电力系统器件，其工作温度能达到６０ＯＯ℃以上。 样处于较低水平，所以，当扩散温度条件与碳化硅的有效杂质相适应 ＳｉＯ２将不再具有“杂质掩蔽”方面的作用，而且碳化硅材料，在 对电力系统来说，可以采用碳化硅作为材料，来制作“高压功率开关控 时，制器”，其优点是，器件在通态状态下，可使电阻值明显出现降低并大 处于同样高温条件下时，性能未能实现稳定，所以不适合采用扩散掺 幅度提高工作频率。固态变压器是一个非常重要的关键性装置，其作 杂的制作技术，而且需要采用“离子注／＾ 或是在材料制备过程中采 用是进行能量转换。固态变压器比传统的变压器体积更小，供电质量 取伴随掺杂方式来制备。从其晶片制备技术方法来说，包括物理法和 更高供电效率更高，工作性能更加稳定，可以使传统变压器存在的问 化学合成法两种。目前应用较多的是化学合成法中的碳热还原法。因 题能更好的解决有效解决当前传统变压器所存在的问题。电力电子器 其开关频率得到大幅度提高，它使得电力系统中提供的电能质量得到 ２．２柔性交流式输电系统。 柔性交流式输电系统，对当前交流电网来说，是较为先进的一项 Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｐａｃｅ Ｒ１４１
