基于CT取电和超级电容储能的配电设备电源系统2

基于CT取电和超级电容储能的配电设备电源系统ApowersupplysystembasedoncurrenttransformerfeedingandsupercapacitystorageAbstract:Thispaperfirstanalyzesthetheorymodelofthefeedingcoil.Andthenputforwardthecorrespondingsolvingmethodstosolvetheexistingdifficultproblemsof,anddesignapowersupplysystemsuitablefordistributionnetworkmonitoringequipmentbasedoncurrenttransformer(CT)feedingandsupercapacitystorage;Theexperimentsprovedthattheeffectivenessandfeasibilityofthepowersupplysystem.KEYWORDS:feedingcoilpowersupplydistributionnetworkmonitoringsupercapacity摘要：文章首先分析了取电线圈的理论模型；然后根据感应取电存在的难点问题提出了相应的解决方法，并设计了一套基于CT取电和超级电容储能的配电网监测设备电源系统；最后实验证明了电源系统的有效性与可行性。关键字：取电线圈电源配电网监测超级电容0引言随着智能配电网的发展，工作在导线上的电力监测与指示设备越来越多。传统的PT供电方式，由于户外电压互感器价格昂贵，工作性能受环境因素影响较大；很大程度上影响了农网配网自动化改造的进程[1-2]。CT取电是在导线上套装取能线圈，将导线产生的交变磁场转换成电能，实现隔离式供电。由于电流互感器较电压互感器价格便宜，且可方便的安装在配电开关箱体内部或制成开口形式直接挂在配电线路上，所以对于架空线路的电力监测与指示设备CT取电法是一种极具应用前景的供电方式[3-5]。目前CT取电存在的难点问题：（1）在导线电流波动范围内提供稳定的电源输出，且需尽量降低工作死区电流；（2）能够防止大电流的冲击；（3）能够长期低热耗运行；文献[6]对感应取电原理进行了详细的分析，给出了感应取电的理论模型；文献[7]提出功率控制法通过控制法拉电容的充电电流来调节CT的输出功率和控制发热，但控制方式过于复杂，同时继电器寿命有限，影响取电电源正常工作时间。文献[8]提出增加磁芯气隙的方式能够有效地防止磁芯饱和，控制铁芯发热，但该方法只适用于电流较大的输电线路；对于电流在几安到几十安波动的配电分支线路上此方法显然不适用。本文在分析取电线圈的理论模型基础上，以实际应用为目的设计完成了一套基于CT取电和超级电容储能的电源系统，并成功将其应用在配电线路监测设备中。1取电线圈模型[6]取电铁心的工作原理可等效于变压器负载模型。线路导线从铁心穿过，原边匝数，如图1所示：图1取电线圈等效模型Fig.1Equivalentmodeloffeedingcoil根据电机学理论可知：由上式推导可得：（1）式中：、为原、副边电流，为励磁电流；为次级输出电压；f为电流频率；为取电线圈磁芯内通过的磁通有效值；为磁感应强度有效值；为铁芯内磁场强度有效值；S为铁芯截面积；为磁导率；为铁芯磁路长度；为铁芯磁化电流。CT的二次输出电压与电流频率、铁芯的截面积、磁导率、铁芯磁化电流、副边匝数成正比，与铁芯磁路长度成反比。励磁电流可分为两部分：和；忽略原副边漏感、线圈内阻后,取电线圈负载模型相量图如图2所示：图2取电线圈负载模型相量图Fig.2Loadmodelequivalentvectoroffeedingcoil忽略，取电线圈输出功率（2）在磁化电流小于饱和电流时，输出功率与磁芯的磁导率、磁路长度及截面积、一次侧电流、副边负载有关，与副边线圈匝数无关。由此我们可以根据式（1）式（2）并结合实际应用中所需要的功率和电压来选择取电线圈的尺寸和参数。2取电电源系统设计取电电源系统拓扑图如下：取电CT整流滤波前端冲击保护、晶闸管斩波超级电容充电电源模块超级电容及其均压电路主电源模块通讯模块TVS管限流电路导线图3取电电源系统拓扑图Fig.3Powersupplysystemstructurediagram2.1取电线圈的选择配电网分支线路电流通常在5A到120A范围内波动；配电监测设备的功耗在0.3W左右；即要求取电CT在线路电流为5A的情况下能够输出不小于0.3W的功率。根据第1节的分析,并结合工程的实际情况本文选用的CT尺寸为，，选择高磁导率的微晶合金材料作为磁芯材料，在5A最小工作电流下，理论最大取电功率为0.36W2.2电压和功率调节由于空间和尺寸的限制，取电CT副边匝数不能过多，由式(1)可知在线路电流只有几安的情况下，CT的输出电压较小，而常规的桥式整流电路输出电压的平均值，整流后的电压平均值可能低于电源芯片的工作范围，导致电源不能建立。利用滤波电容的储能作用，由多个电容和二极管组成倍压电路，可以获得几倍于变压器副边电压的输出电压，有效地降低取电电源的工作死区。由于负载的功率恒定，取电线圈多余的能量只能通过发热的方式消耗掉。为了限制发热，当电流较大时需要对取电功率进行限制，在整流电路之前加入一个由稳压管和晶闸管组成的斩波电路，将副边电压限制在电源芯片工作电压范围内，线路有大电流流过时绝大部分能量通过晶闸管流回大地，较好的限制了取电功率，有效的控制了发热量。加入晶闸管斩波电路后CT二次输出电压波形如图4：图4CT输出电压波形Fig.4OutputewaveformofCT2.3电源管理由于配电设备一般都带有通讯和停电后故障指示功能，电源系统还需加入储能单元。超级电容是近年来新型能源器件的一个研究热点。它是一种电容器件，但与常规电容器不同，其容量可达到法拉级，而且能在电极端电压超过额定电压的过充状态下不被击穿。超级电容作为一种理想的新型能源器件，它的比功率和比能量介于常规电容器和充电电池之间，在众多的应用领域弥补了常规储能器件单方面缺陷，除此外，它还有内阻小，充电速度快，充电效率高，循环寿命长，无污染等独特的优点[9]。在超级电容充电模块前面串入一个TVS管，以保证优先建立5V主电源，在取电功率大于配电设备工作功率时才会对超级电容充电。由于超级电容从0V开始充电时相当于短路状态，为了防止电源模块输出电流过大，需加入限流电路；同时考虑超级电容单体容量的不一致性，通常需加入均压电路。采用主动泄放式均压电路，当超级电容储能满后，取电系统多余的能量也可从此泄放。限流电阻电压检测芯片超级电容泄放电阻PMOS管图5超级电容均压电路图Fig.5Balancingcircuitforsupercap3实验结果实验样机选用Linear公司的高效率宽范围DC-DC电源芯片作为主电源模块和超级电容充电电源模块，选用2只220F额定电压2.7V的超级电容串连作为储能单元，以满足停电后通讯和故障指示的需要。图6线路电流5A下电源建立波形Fig.5Powerbuildingwaveformunder5Acircuitcurrent图6为线路电流5A下电源建立波形，电源建立时间需要2.5S，其中主要的原因是由于取电功率限制，倍压电路电容充电缓慢。在电源电压上升至5V后又出现了一段时间的抖动，这是由于超级电容充电回路开启造成的。图7线路电流30A下电源建立波形Fig.5Powerbuildingwaveformunder30Acircuitcurrent图7为线路电流30A下电源建立波形，电源建立时间仅为3.625ms，电压纹波小于20mV表1超级电容充电时间Table1Chargingtimeofsupercap线路电流（A）电容充电时间（h）515108.5205.5304405.6605.7805.7由表1可知，超级电容充电时间在线路电流为30A下达到最小值，这是因为此时设定的晶闸管限压电路刚好处于临界工作状态，此时电源系统取电功率达到最大值，线路电流超过30A后电源系统取电功率将基本维持恒定，随着电流增大略有下降。这样以来无论线路电流如何波动，总可以将电源系统的发热情况限制在允许的范围内。4结论基于CT取电和超级电容储能的电源系统具有成本低、隔离性能好、绿色环保的优势，采用倍压电路能够大大降低取电CT的工作死区，同时晶闸管斩波方式能够很好的控制发热情况。本文介绍的取电方案控制简单，且能够为电力在线监测设备提供稳定可靠的工作电源。参考文献[1]钱政.有源电子式电流互感器中高压侧电路的供能方法.高压电器，2004，40(2):135-139.QianZheng,PowerSupplyforHighVoltageCircuitofActiveElectronicCurrentTransformer[J].HighVoltageApparatus.2004,40(2):135-139.[2]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):55-57.LIUZhongzhan,ResearchonSelf-excitationPowerSupplyfromHighVoltagesideofElectronicCurrentTransformers[J].HighVoltageApparatus,2006,42(1):55-57.[3]李澎,蔡志斌,罗承沐.光电电流互感器的供能电路的研究[J].电工电能新技术,2003,22(4):44247.LIPeng,CAIZhibin,LUOChengmu.Studyonpowersuppliesforhybridopticalcurrenttransformer.AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy,2003,22(4):44247.[4]戚栋.一种适应母线电流动态范围宽的光电式电流互感器供电电源[J].中国电机工程学报,2006,26(19):1602164.QIDong.Akindofpowersupplyofoptic2electriccurrenttransformerforaccommodatingwidebusdynamiccurrent.ProceedingsoftheCSEE,2006,26(19):1602164.[5]任晓东，陈树勇，姜涛．电子式电流互感器高压侧取能装置的设计[J]．电网技术，2008，32（18）：67-71．RENXiaodong,CHENShunyong,JIANGtao.Designofahighsideenergyextractingdeviceforactiveelectroniccurrenttransformer[J].PowerSystemTechnology,2008,32(18):67-71.[6]刘亚东，盛戈嗥，江秀臣，等.输电线路监测装置取电电源设计[J].电工技术，2009，40（2）：70-74.LiuYadong,ShengGehao,JiangXiucheng,etal.DesignandDevelopmentofPowerSupplyforTransmissionLineOnlineMonitorDevice[J].ElectricEngineering,2009，40（2）：70-74.[7]刘亚东，盛戈皞，王又佳，等．基于功率控制法的电流互感器取电电源设计［Ｊ］．电力系统自动化，2010,34(3):70-74.LiuYadong,ShengGehao,WangYoujia,etal.Currenttransformerdraw-outpowersupplydesignbasedonpowercontrolledmethod[J].AutomationofElectricPowerSystems,2010,34(3);70-