基于电流互感器取电的故障指示器电源设计

康少波，杨小青，李俊奕，林威娜

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院,福建厦门361024; 2.厦门盛发电力科技有限公司,福建厦门361024; 3.厦门阳光恩耐照明有限公司,福建厦门361024; 4.亿创电力建设有限公司,福建厦门361024)

基于电流互感器取电的故障指示器电源设计

康少波1，杨小青2，李俊奕3，林威娜4

(1.厦门理工学院电气工程与自动化学院,福建厦门361024; 2.厦门盛发电力科技有限公司,福建厦门361024; 3.厦门阳光恩耐照明有限公司,福建厦门361024; 4.亿创电力建设有限公司,福建厦门361024)

设计了一种10～35 kV高压输电线上的故障指示器电源方案：将穿心式电流互感器套在高压输电线上，从高压输电线上获取电能，经过整流滤波等电路处理之后为二次侧的故障指示器供电.同时，设计了基于超级电容和锂亚电池的储能电路，保证故障指示器在高压线路停电或输电线路电流较低的情况下能正常工作。实验结果表明：在输电线路大电流和小电流情况下，该方案的输出波形良好，能够避免大电流对电流的冲击、解决供电死区的问题.

故障指示器；电流互感器取电；不间断供电

随着我国智能电网的发展,在线检测设备大规模地应用于配电网上［1］.故障指示器作为配电网络重要的检测设备,其通过检测配电线路故障电流指示故障所在的出线、分支和区段,为寻找故障提供了极大的方便［2］.目前,在线检测设备的供电方式主要有激光供电、太阳能供电和电流互感器(current transformer,CT)供电等.激光供电主要利用光纤把光能从接地端传送到高压端,再由光转换器将光能转换为电能,该方法难以应用于长期野外工作［3］.太阳能供电的实际输出功率主要受太阳辐射照度的影响［4］,而太阳辐射单位面积能量密度低,并且受到天气和季节的影响,因此该供电方式体积大并且供电不稳定.相比之下,电流互感器的供电方式具有安装简单、成本低、供电可靠等优点［5－11］.本文设计了基于电流互感器取电的故障指示器电源,完成了整个供电系统的结构设计、供电电流互感器选择、电能变换电路和储能电路的设计.

1 供电方案设计

电流互感器取电技术具有体积小,安装简便,绝缘要求低,结构简单,成本低等优点.但是,由于不同地区的负载不一样,日夜负载差异较大,母线的电流会处在一个较大的变化范围内,并且发生故障时会产生短路、开路等问题.目前电流互感器取电技术主要面临2个问题：一是当线路负载较小或者故障开路时,供电电流互感器不能获取足够的能量为负载供电,即存在供能死区；二是当线路负载较大或者短路故障时,供电电流互感器饱和,二次侧感应出高压尖脉冲对供电电流互感器及电路产生冲击和破坏.因此,为解决大电流冲击和供能死区的问题,本文提出新的设计方案：当一次母线电流较小时,由超级电容和锂亚电池为故障指示器供电；当一次母线电流过大或者短路时,通过TVS将尖脉冲电压抑制在一定范围以内,保护后续电路,从而保证故障指示器可以工作在一个较宽的电压范围.

电流互感器取电系统结构主要包括供电电流互感器、整流滤波保护电路、DC/DC降压电路、低压差线性稳压电路、后备电源以及欠压无压检测电路等.当一次母线电流较大时,供电电流互感器的取能线圈 (二次侧绕组)通过铁心从母线上获取电能,整流滤波保护电路将取得的交流电整流滤波成较平缓的直流电,并通过TVS将电压钳制在一定范围以内,保护后端设备,能量经DC/DC降压后一部分通过线性稳压电路为故障指示器提供一个高质量的直流电,另一部分储存在后备电源中；当一次母线电流较小无法为故障指示器提供足够的能量时,后备电源将为故障指示器供电.欠压无压检测电路通过检测电压判断能量是否足够为故障指示器供电,当无法为故障指示器提供足够能量时,欠压无压检测电路将向故障指示器中的微处理器发送一个进入低功耗模式的信号.是否进入低功耗模式还需要其他的判断条件,如是否通信结束等.电流互感器取电系统结构如图1所示.

图1 电流互感器取电系统结构图Fig.1 Diagram of power system base on the current transform

2 供电电流互感器设计

根据电磁感应定律,供电电流互感器通过一个闭合的铁心感应母线的交变电流产生一个交变的磁场,交变的磁场在二次回路感应出一个交变电压,通过整流滤波等电路为故障指示器提供一个稳定的直流电.供电电流互感器的设计主要是根据应用背景来选择铁心的材料和结构.

2.1 铁心材料选择

电流互感器常用的软磁铁心有超微晶铁心,坡莫合金铁心,硅钢片铁心.超微晶材料和坡莫合金材料成本高,具有较高的初始磁导率,故其作为供电CT铁芯具有较低的取能死区,但其磁饱和感应强度较低,在较低的电压下就会发生磁饱和并产生尖脉冲电压.而硅钢片的磁饱和感应强度在上述的3种材料中最高.由于制作这个CT的目的是为故障指示器提供电能,并非测量用,故选择饱和磁感应强度高,成本低的硅钢铁心［12］.

2.2 结构设计

图2 50W600 B-H曲线图Fig.2 Graph of 50W600 B-H

对于闭合铁心 (气隙非常小,忽略不计),在铁心处于线性段时,二次侧感应电压与母线电流成正比［12］.根据无取向硅钢片50W600的B－H曲线图,如图2所示,当磁感应强度为1.4 T时(1.4 T以下近似工作在线性区),无取向硅钢片铁心的H值为400 A·m－1.设母线电流的额定值为1 000 A,为避免产生尖脉冲电压使铁心工作在线性区,则铁心周长由磁路的计算方法推知：

周长2.5 m的铁心明显不适用于故障指示器,所以在大电流情况下,由于铁心磁饱和而产生的尖脉冲电压问题无法避免,只能在电路设计方面解决这一问题.

故障指示器的安装要求母线不断电,故该铁心必须开口,由于气隙越大,磁阻越大,磁导率越低,供能死区越大,故气隙应尽量小,结合故障指示器大小最终确定铁芯的结构如图3所示,上半部分长为6 cm,宽2 cm,高2.5 cm,下半部分长6 cm,宽2 cm,高5.5 cm.

图3 铁芯结构图Fig.3 Structure of transformer iron core

3 电能处理电路设计

电能处理电路的主要目的是将电流互感器获得的能量进行处理和分配,为故障指示器提供一个稳定的直流电源.电能处理电路结构框图如图4所示,本设计方案是先通过整流滤波电路将交流电转化成直流电,并将电压钳制在一定范围以内,再通过DC/DC降压电路输出稳定的直流电,该直流电能一部分通过储能电路给后备电源中的超级电容充电,另一部分通过低压线性稳压电路向故障指示器提供一个高质量的直流电.此外,还设有欠压无压检测电路检测供电CT的供电状态.

图4 电能处理电路结构框图Fig.4 Structure of power converter circurrent

3.1 整流滤波保护电路设计

电流互感器二次测感应的是一个交流电,为转换成平稳的直流电,需要设置一个整流滤波电路,并且选择合适的稳压器件保护后面的DC/DC芯片.电能处理电路如图5所示,本设计方案采用的是桥式整流电路,选择1N5819低压降的肖特基二极管.由于故障指示器的负载电流小,故采用简单的电容滤波电路.并且采用了P6KE20CA的TVS管,并联在桥式整流电路之后可以吸收由于铁心饱和产生的高压尖脉冲以及由于线路浪涌感应出来的高电压,保护后端电路.

3.2 DC/DC降压电路设计

由于母线电流根据线路负荷不断在变化,二次侧感应的能量也在变化,故整流滤波电路输出的是一个变化范围较大的直流电,为了给负载供电以及超级电容充电,须将电压降压并稳定.如图5所示,本设计中采用的是XL1509.5.0E1的芯片,该芯片是一个宽输入电压范围的BUCK降压芯片,内建频率补偿和固定频率振荡器.同时,在输出端加一个68 μH/1A的电感以及47 μF,0.1 μF的电容来减少噪声稳定输出电压.

3.3 储能电路设计

为解决供能死区问题,必须设计一个稳定的储能电路.如图5,储能电路分两部分,一部分是可充电的超级电容,另一部分是一次性锂亚电池.超级电容具有放电能力强,充放电次数多寿命长,充放电电路简单的优点,锂亚电池可适用于各种高低温恶劣环境.当一次线路故障发生时,供电电流互感器无法为故障指示器提供能量,这时超级电容将承担其供电的任务,并且直到其电压低于锂亚电池电压时由锂亚电池供电.

3.4 线性稳压电路设计

为了得到一个高质量的3V输出电压,并且尽可能地提高锂亚电池的利用率以提高故障指示器的使用寿命,如图5,设计采用了TI公司生产的TP5907低压差线性稳压芯片,该芯片输出3 V,具有超低压差,纹波小的特点.

3.5 欠压无压检测电路

当母线电流较小无法为负载提供足够的能量时,或者线路故障分闸之后母线长时间没有电流通过,设备已完成翻牌和通信时,设备可能需要进入低功耗模式,以节约锂亚电池的能量.为此,本文设计了一种检测母线状态的电路,作为是否进入低功耗模式的一个判据.

如图5,无压检测电路通过检测整流滤波之后的电压,判断母线是否有电流,若母线有电流则输出低电平,母线无电流则输出高电平；欠压检测电路通过检测整流滤波之后的电压,判断二次侧感应出来的能量是否足够为负载供电,若检测电压高于设定电压则输出低电平,若检测电压低于设定的电压则输出高电平.

图5 电能处理电路Fig.5 Power converter circuit

4 实验与分析

为验证本设计方案的可行性,搭建了一个实验样机试验平台.由于故障指示器仅需要μA级别的电流维持低功耗模式,在线路发生故障时,故障指示器需要做翻牌,通信等动作,时间大概为3～10 s,电流大小在10 mA左右.因此,实验中,负载采用300 Ω电阻 (输出10 mA),同时将CT铁心套在升流器上,调节升流器输出电流模拟母线电流,分别进行小电流 (10 A)和大电流 (500 A)实验以验证该电源设计方案无供电死区并可以在大电流情况下保护好后端电路.

4.1 小电流实验

通过小电流试验,检验电路是否存在供电死区,在母线通过小电流情况下 (10 A),分别测试带后备电源以及不带后备电源的输出波形,通过对比判断是否解决供电死区问题,测试结果波形如图6所示.

图6 小电流实验波形图Fig.6 Small current waveform in experiment

由图6可以看出,小电流情况下,输入波形类似为矩形波 (铁心未饱和),当不带后备电源时输出电压为1.6 V,无法为负载提供足够的能量,带后备电源时输出一个平稳的3 V电压,说明小电流情况下由超级电容和锂亚电池为负载提供一个稳定的直流电源.

4.2 大电流实验

为检验设计的电路在大电流时的工作情况,在母线大电流 (500 A)下,分别进行带后备电源和不带后备电源实验.测试结果波形如图7所示.

由图7可以看出,大电流情况下,输入波形为尖脉冲 (铁心饱和),无论是否带后备电源都能输出一个3V电压,说明本设计在大电流的情况下可以保护后端电路不受大电流冲击,并且由供电CT为故障指示器提供一个稳定的直流电源.

图7 大电流实验波形图Fig.7 Large current waveform in experiment

5 结语

故障指示器作为配电系统中的重要检测器件,为保证其长期不断电工作,设计了电流互感器供电并采用超级电容和锂亚电池作为后备电源的供电方式.经搭建的实验样机试验平台测试,实验结果表明该取电电路可以稳定地为故障指示器供电,良好的保护电路设计也避免了大电流对电路的冲击问题,并且采用锂亚电池和超级电容作为后备电源的供电方式很好的解决供电死区的问题.

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Power Supply to Fault Indicator by Current Transformer

KANG Shao-bo1，YANG Xiao-qing2，LI Jun-yi3，LIN Wei-na4
（1.School of Electric Engineering＆Automation，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Xiamen Shengfa Power Technology Co.，Ltd.，Xiamen 361024，China；3.Xiamen Yankon Energetic Lighting Co.，Ltd.，Xiamen 361024，China；；4.Xiamen Yichuang Electric Power Construction Co.，Ltd.Xiamen 361024，China）

A plan for fault indicator power supply on 10—35 kV high-voltage power lines was presented in this paper.A feedthrough current transformer（CT）was set on the high-voltage transmission lines so that it could get power from the high voltage power line.After rectifying and filtering，the power was supplied to the fault indicator on the secondary side.A tank circuit based on ultra-capacitor and lithium batteries was also set to work to ensure the uninterrupted power supply to the fault indicator for its normal work even at times of power failure or low current.The results show that the power supply design has good waveform either with large or small current that can avoid the impact from large current effectively and therefore make a good solution to the dead spot for power supply.

fault indicator；power supply by current transformer；uninterrupted power supply

TM452;TM919

A

1673－4432（2015）05－0022－07

（责任编辑 李 宁）

2015－05－29

2015－10－20

国家自然科学基金项目 (51407151)；厦门理工学院高层次人才项目 (YKJ4005R)

康少波 (1985－),男,讲师,博士,研究方向为电力电子技术.E-mail：kang_shaobo＠126.com