有源电子式电流互感器高压侧电源的研究

有源电子式电流互感器高压侧电源的研究摘要：电流互感器是电力系统中的重要设备，介绍一种适用于有源电子式电流互感器的悬浮式直流电源的设计原理。提出一种用补偿线圈和充电电池相结合的方法对母线电流取能方式进行改进的新方案，使电源在更宽的一次侧电流动态范围内满足电子式电流互感器对电源的要求。实验结果表明，该电源能够满足高压侧电子电路的供能要求。该方法是目前解决有源电子电流互感器高压侧电源问题的有效方法之一。关键词：电子式电流互感器；有源式；储能电池；高压侧电源中图分类号：TN710文献标识码：A文章编号：1004373X(2008)1802003ResearchoftheHighPotentialCircuitPowerSupplyforActiveElectronicCurrentTransformerGUOJiwei,LIANGKui,DONGLingkai(ElectricalInformationCollege,ThreeGorgesUniversity,Yichang,443002,China)Abstract：Thecurrenttransformerisanimportantequipmentinpowersystem.TheprincipleofafloatingtypeDCpowersupplyisintroduced,whichisusedintheactiveelectronicscurrenttransformerathighvoltageside.Thispaperproposesanewmethodcombiningcompensationcoilandrechargeablebatteries,toimprovethemethodthattakepowerfrombuscurrentandtomakethepowermeetelectroniccurrenttransformerrequirementsinawidercurrentofhighvoltageside.Theresultsshowthatitcansatisfytherequirementsofthehighpotentialcircuitpowersupply.Itisoneofeffectivemethodtosolveactiveelectroniccurrenttransformerhighpotentialcircuitpowersupply.Keywords：electroniccurrenttransformer;active;batterystoredenergy;highpotentialcircuitpowersupply1引言电流互感器是电力系统中的重要设备，随着电力工业的不断发展及电网电压等级的不断提高，对电流的测量要求也在不断提高，传统互感器的问题日益突出［1］。新式的电子式互感器应运而生，电子互感器可分为有源式和无源式2种。有源式是指传感头部分采用传统的传感原理，并利用光纤传输数据的电子式互感器，由于光纤只能够传输数字信号，所以必须在高压侧对传感头的输出信号进行模拟量与数字量的转换，这就势必要设计相应的电子电路，因而也就带来了电路的供能问题，这是有源式互感器研究中的难点和关键技术［2］。本文介绍一种用补偿线圈和充电电池相结合的方法对母线电流取能方式进行改进的新方案。2设计原理由法拉第电磁感应定律可知，电源二次侧的感应电动势为:E=2πfN2Φm×10－8式中：f为正弦波频率；N2为二次侧线圈绕组匝数；Фm=BmS为输电线传输电流在变压器铁心激磁产生的磁通量。设计主要应考虑以下2个问题：(1)在系统电流很小时能够提供足够大的功率，以驱动处于高压端的电子线路；(2)在系统出现短路大电流时，能吸收多余的能量，给电子线路提供一个稳定的电源，其本身也要保证不因电动力而损坏。为解决上面2个难题，这里设计图1为实际的电源设计原理性线路图［3,4］。图1中L1为主线圈；L2为补偿线圈。主线圈提供直流稳压工作电源，补偿线圈主要用于控制主线圈的电压应该在一定的范围。充电电池主要作用是在短期断电或小电流情况下充电电池投入供电。在电力系统正常运行的情况下，是主线圈提供直流电源。当输入电压超过8V时，检测电池温度和电压，如果温度正常，电压过低则充电电池进入充电状态，如果2个条件有一个不满足不能进行充电。当发生故障或其他原因使主线圈输入电压超过后续电路所能调节的某一个值时二极管VS会导通，电流会使磁控开关闭合，补偿线圈回路导通反向激磁，从而降低铁心中的磁通量，达到降低主线圈供电电压的目的。当发生断路器跳闸或小电流情况时，主线圈输入电压不能提供高压侧电路所需的能量时就切换到充电电池供电，这样就很好地解决了在小电流时不能正常供电的问题。在实际应用中如果大电流过大，可设计多个补偿电路，进一步降低激磁电流值。图1电源设计原理性线路图3设计的实现3.1铁心材料的选取铁心是取电的一个重要问题，现在主要用硅钢材料，非晶材料和莫坡合金作铁心。根据高压侧电流的特点选取铁心，数据证明，非晶材料和其他2种相比有更多优点［5,6］。同时注意选取合适的BH曲线工作点，使电源能够在大的原方电流波动范围内正常供电。3.2主线圈和补偿线圈匝数的选取为了在小电流的情况下感应出所需电压，根据公式:P=EI=2πfBSN2I其中S为铁心截面积；I为一次侧电流幅值。这里需要加大铁心截面积或增加线圈匝数，当匝数太少时感应电压下降，太多时负载能力又会下降，所以实际制作时主绕组为62匝。由电磁感应定律可知，补偿线圈的匝数越多越好，但制作时一定要根据自己需要。因为匝数越多感应电压越高对绝缘的要求就越高，所以制作时补偿线圈的匝数为300匝。3.3充电控制过程充电状态流程BQ2057的充电曲线如图2所示，BQ2057的充电分为3个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。预充阶段在安装好电池并加上电源后，BQ2057首先检查工作电压VCC，当工作电压过低时充电器进入休眠模式，若工作电压正常，则检查电池温度是否在设定范围；若不正常则进入温度故障模式；否则检测电池电压VBAT。当电池电压VBAT低于低压门限Vmin时，BQ2057以恒流IREG10%的电流IPRE对电池预充电。恒流充电在完成对电池预充或电池电压VBAT低于恒压VREG时，BQ2057进入恒流充电状态，此时由外部的感测电阻RSNS上的压降监控充电电流，通过SNS引脚获得充电电流的反馈，感测电阻由下式计算：RSNS=VSNS/IREG，其中IREG为预期的充电电流。图2BQ2075对电池充电的曲线恒压充电当充电电压达到恒压VREG时进入恒压充电状态。在整个工作温度和工作电压范围内，BQ2057通过BAT和VSS引脚监测电池组电压，当充电电流达到终止门限I(TERM)时停止充电，当电池电压低于重新充电门限电压V(RCH)时自动开始重新充电。电池温度监测BQ2057通过测量TS与VSS引脚间的电压实现对电池组温度的连续监测，常用热敏电阻作为温度传感器，并通过分压电阻实现，如图1所示。分压电阻的阻值可根据参数计算。BQ2057将该电压与内部的V(TS1)和V(TS2)门限电压比较以决定是否允许充电。4实验结果在实验时R＝60Ω选取稳压二极管的稳压值为20V。实验结果表明。原方电流在0~900A范围内变化时，电源能够提供所需的电压。在原方电流小于20A时，启用充电电池供电，补偿线圈能够使整流侧输出电压维持在25V以下，保证各稳压模块可靠工作。当原方电流大于900A时，整流侧输出电压缓慢上升，超过DC/DC模块的最大输入电压，采取一定的散热措施（如增大散热片的尺寸等）可以使电源在更大范围内工作。表1线路电流与输出电压的关系线路电流/A0430150750900整流输出/V01.83.59.117.823.1DC/DC输出/V555555.25结语采用充电电池和补偿线圈相结合的方法解决母线电流取能方式的小电流死区问题同时在大电流时可以降低原方电流的激磁作用，有效地降低了原方电流对电子式电流互感器工作电源工作特性的影响。实验结果证明该方法是切实可行的，它解决了在线路电流过低或断路器跳闸时无法供电的问题，同时能使电源在宽的一次侧电流动态范围内满足电子电流互感器对工作电源的长期工作要求。其是目前解决有源电子电流互感器高压侧电源问题的有效方案。参考文献［1］徐雁,朱明均,郭晓华,等．空心线圈作为保护作用电流互感器的理论分析和实验［J］．电子系统自动化,2002,26(16):5255.［2］钱政．有源电子式电流互感器中高压侧电路的供能方法［J］．高压电器,2004,40(2):135138．［3］聂一雄,尹项根,李伟,等．有源光电式互感器工作电源设计［J］．电力自动化设备,2003，23(12):4951.［4］付烈,郑绳楦.光电混合式电流互感器电源的研究［J］.现代电子技术，2004，27(18):1011.［5］刘忠战.电子式电流互感器高压侧自励源供能方法研究［J］.高压电器,2006,42(1):5557.［6］胡彬,周有庆,钟选书,等．电子式电流互感器高压侧电源的研究与实现［J］．电气应用,2006,25(5):99102.［7］高迎霞,郑绳楦.有源光电式电流互感器的研究.现代电子技术,2006，28（18）:134136,141.［8］张华伟,孙越强.几种非侵入式电流测量技术.现代电子技术,2005,29(21):8992,97.作者简介郭吉伟男，1981年出生，硕士。主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。梁魁男，1982年出生，硕士。主要研究方向为电力系统故障诊断。董凌凯男，1983年出生，硕士。主要研究方向为电力系统信息及其自动化技术。注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文