（电气工程专业论文）反窃电实用技术的研究和应用.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e f e n ds t e a le l e c t r i c i t yp r a c t i c a l i t yt e c h n i c a l r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n a b s t r a c t e l e c t r i ce n e r g ys t o l e ni sg r e a t l yh a r m f u lt ot h eb e n e f i to fo u rc o u n t r y a n de l e c t r i ce n t e r p r i s e s ，e n d a n g e r st h en o r m a l o p e r a t i o no fe l e c t r i c n e t w o r ka n di m p e d e st h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c i n d u s t r y s o ，i ti s n e c e s s a r yt o i n s t a l lm u f t i f u n c t i o n a la n d r e l i a b l ed e v i c e sf o r a n t i s t e a l i n gi ne l e c t r i cn e t w o r k i nt h i sp a p e r ，a ni n t e l l i g e n td e v i c e f o ra n t i e l e c t r i ce n e r g ys t o l e ni sd e s i g n e d t h em a i nc o n t e n t so ft h e p a p e ra r ea sf o l l o w s ： i - an e wi d e at h a tt h ed e v i c ep o w e ri sa c q u i r e df r o mh i g hv o l t a g e p o w e r l i n ei sp u tf o r w a r da n dr e a l i z e s t h ed e v i c e p o w e r ，w h i c hi s s p e c i a l l yd e s i g n e d ，c a ns t a b l ya n dn o r m a l l yw o r kw i t hc h a n g i n gc u r r e n t i nt h eh i g h v o l t a g ep o w e r - t i n e 2 。 i ti sp r e s e n t e dt h a tt h es i g n a lo fe l e c t r i cc o n s u m p t i o no fu s e r s c a nb ea c q u i r e dd i r e c t l yf r o mt h eh i g h v o l t a g ep o w e r l i n e w h e t h e rt h e u s e rs t e a l se l e c t r i ce n e r g yo rn o tc a nb ed i s t i n g u i s h e db yt h es i g n a l i ti sp r o v e dt h a tt h ed e s i g nc a nc o r r e c t l yj u d g ew h e t h e rt h ee n e r g ys t o l e n a c t i o ne x i s t so rn o t 3 t h em i c r o p r o c e s s o ri su t i l i z e di nt h ed e v i c e d e p e n d i n go n t h e m i c r o p r e c e s s o r ，t h ed e v i c ec a ns e l f r e c o r d i n gi n f o r m a t i o no ft h ee n e r g y s t o l e na c t i o n 4 t w oc o m m u n i c a t i o nw a y s ，t h ei n f r a r e da n dt h e r s 一4 8 5 ，a r ed e s i g n e d f o rt h ed e v i c e t h ed e v i c ec a nc o m m u n i c a t ew i t hp o r t a b l ec o n t r o l l e ra n d l o a d c o n t r o l c e n t e rt h r o u g ht h et w ow a y s 5 t h ep r o b l e mo fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yi s d i s c u s s e d ，t h e p r o b l e mo fa n t i i n t e r f e r e n c ei sc o n c e r n e di nd e v i c ed e s i g n i 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 6 b a s e do nt h ei t e m s a b o v e i n t e g r a t i o n o ft h ew h o l es y s t e mi s r e a l i z e d b yu s i n gt h i ss t r u c t u r e ，m a n m a d ed a m a g et ot h ed e v i e ec a nb e a v o id e d t h ee x p e r i m e n t si nl a b o r a t o r ya n df i e l ds h o wt h a tt h ed e v i c eh a s c o m p l e t ef u n c t i o n s ，r e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，a n dp o w e r f u l c a p a c i t yo f s e l f p r o t e c t i o n k e yw o r d s d e f e n ds t e a l e l e c t r i c i t y ，h i g hv o l t a g ep o w e r - l i n e ， m i c r o p r o c e s s o r ，s e l f r e c o r d i n g ，a n t i j a m m i n g ，r e l i a b l e s t a b i l i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：f 习爽一 日 期：。护。，。岔上 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：司交 日 期： 加b i 8 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 同意。 学位论文作者签名：f 钥蕤 签字日期：汕f 。器 c r j 导师签名：了 锡；毛 签字日期： 土伽；， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 l - 1 反窃电技术研究的意义 在现代化的建设与人民生活中谁都离不开电，电力的建设发展与国民经济和 人民生活质量提高息息相关。电是商品，我国电力法的颁布，明确了供用电双方 的权利和义务，使电力市场走上规范化、法制化的道路。用户用电必须按照国家 核准的电价和计量装置的记录按时交纳电费。窃电是一种违法犯罪行为，禁止任 何单位和个人非法侵占、使用电能。然而，由于主观和客观上的种种原因，窃 电现象却仍然长期困扰着我国供电企业，在现实生活中一些企业和个人受非法获 利思想的驱使进行窃电以达到少缴纳电费甚至不缴纳电费的目的，国家和电力经 营企业因此蒙受了巨大的经济损失。辽宁省电力有限公司2 0 0 4 年累计检查各类 电力用户2 4 8 1 万户，查处窃电和违章用户9 5 0 7 户，追补电量5 3 2 4 3 万千瓦时， 收缴追补电费及违约使用电费7 0 6 4 9 万元；沈阳供电公司2 0 0 4 年累计检查各类 电力用户3 5 5 万户，查处窃电和违章用户1 3 5 8 户，追补电量8 7 7 9 万千瓦时， 收缴追补电费及违约使用电费1 0 5 8 6 万元。 窃电行为不仅损害了国家和电力经营企业的经济利益，还危及电网正常运 行，阻碍电力工业正常发展。个别用户的私拉乱挂极易引发电网事故，使合法用 户的权益无辜受害，影响地区经济的健康发展。近年来从已经发现和处理的各种 窃电案件来看，不但窃电的手法越来越狡诈，窃电的数额越来越大；而且有些窃 电者还专门钻法律空子，想方设法逃避应有的惩罚。窃电行为不但严重损害了供 电企业的利益，而且扰乱了供用电的秩序。 随着供电部门对窃电行为的严肃查处，窃电用户的窃电行为越来越隐蔽。而 电力部门仅能对一些具有窃电嫌疑的电力用户实行突击检查，不可能对所有用户 进行全天监察。查电者在明处，窃电者在暗处，一些用户在电力部门检查之前恢 复正常计量，在稽查人员离开之后又开始窃电，还有的用户的窃电行为非常隐蔽， 稽查人员无法发现。另外由于科技知识的普及发展，窃电行为的手段、窃电的方 法也在发生变化。对此，作为供电行业的用电管理人员一定要时刻警惕和高度重 视，针对各种窃电行为进行深入的调查研究和分析，同时应采取相应的对策。就 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 像公安人员研究犯罪分子的作案手法一样，只有掌握了犯罪分子的作案规律、共 性案例和特殊性案例及其手法才能做好如何防范，而且要比窃电者棋高一着，掌 握工作的主动权，使国家的财产损失减少到最小。从2 0 0 0 年开始，中国电力企 业联合会科技服务中心每年都召开全国性防治窃电技术研讨暨经验交流会，全国 各地也纷纷召开防治窃电研讨会和举办防治窃电培训班。防治窃电问题已成为一 个不容忽视的、迫切需要解决的重要课题，引起了各级供电企业和有关部门的重 视。 1 2反窃电技术研究的现状 窃电行为给国家、社会造成了巨大的危害，许多研究部门开发了各种反窃 电装置，有的已经制成产品挂网使用。针对使用不同类型电能表的电力用户，有 不同结构的反窃电装置。下面介绍一种适用于居民单相电能表反窃电监控器和两 种典型的专门用于大型电力用户高压高供型电能表的反窃电装置。 1 2 1 s y l 型用电监控器 沈阳供电公司铁西供电分公司研制的s y l 型用电监控器是针对最常见、最 典型的两种窃电方式，火零对调( 在电能表前端将火线和零线对调，使火线不走 电流线圈，然后在火线和保护地线之间接入负载进行窃电) 和偷火借零( 在电能表 前端暗接一根火线，将其与电能表后端的零线合用，使其间的负载电流不走电能 表的电流线圈进行窃电) 。首先，它有相位识别电路，是由相位采集电路、整流 和n 形滤波电路、集成电压比较器及输出驱动电路等组成。相位识别电路能对电 能表的输入电压比较器及输出驱动电路等组成。相位识别电路能对电能表的输入 回路的相位进行实时监控。当发生“火零对调”时，该电路能自动反应进行报 警；剩余电流检测电路能对电能表输出回路的剩余电流进行自动检测，当通过“偷 火借零”或其它任何方式不走电能表的电流线圈，从而导致供电回路的剩余电流 超标时( 剩余电流门限值为2 0 0 m a ) ，该电路都能自动反应并报警。报警系统由超 高节能，压电讯响器及限网络等组成，可以同时以强光和强声向外界发出情报， 5 分钟后自动断电，只有恢复正常后可自动送电，让窃电行为无法进行。该装置 具有体积小，功耗低、稳定、抗干扰能力强等优点，可在4 0 。c 的高温下连续工 作。本人也作为此项研制的主要参与人，该项目获得专利，可有效的防治本论文 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第三章第二节提出的居民单相电能表电压法和电流法窃电举例问题。 1 2 2 三相防窃电器”1 该仪器属于国家实用新型专利。图1 1 是该装置的原理图。在该三相防窃电 仪的外壳内，设置三相检测电流互感器c t z 。c n 为外加的三相检流互感器，c t 。 为原有的计量电流互感器，c t h 和c t c 的电流均穿过三相c t z 进行半波比较。c t 2 的三个输出线圈又与运放m ，比较电路n ，延时电路t 和执行机构g 相连，实现 对窃电次数的累计。通过选择c t h 的初级次级电流匝数之比，在用户正常用电 的情况下，c t h 和c t c 的输出电流相等，由于二者方向相反，相当于c t 2 的初级 输入电流为零，这样c t z 的输出电流为零，表示用户没有窃电。当用户跨表接线 进行窃电时，c t c 的次级输出电流减小，c t h 和c t 。的输出电流不相等，c t ：的次 级将有感应电流输出，c t z 的输出信号经m 、n 、t 驱动g 工作，由计数器和计 时器记录窃电次数和窃电时间。 n c 图1 1 三相防窃电器原理框图 f i g 1 1t h r e em u t u a l l yd e v i c e sf o ra n t i s t e a l i n ge l e c t r i c i t yp r i n c i p l ef r a m e d i a g r a m 经过分析，该装置能判断短路c t 。的窃电行为，但判断这种窃电行为有一 个前提条件，就是在短路c 1 c 次级输出的同时不短路c t h 的次级输出。但是c t 。 的次级输出直接暴露在低压侧，容易被用户做手脚。如果用户在短路c t 。的同时 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第三章第二节提出的居民单相电能表电压法和电流法窃电举例问题。 l - 2 2三相防窃电器“1 该仪器属于国家实用新型专利。图1 1 是该装置的原理图。在该三相防窃电 仪的外壳内，设置三相检测电流互感器c t t 。c n 为外加的三相检流互感器，c t 。 为原有的计量电流互感器，c t “和c t c 的电流均穿过三相c t e 进行半波比较。c t 2 的三个输出线圈又与运放m ，比较电路n ，延时电路t 和执行机构g 相连，实现 对窃电次数的累计。通过选择c t 日的初级次级电流匝数之比，在用户正常用电 的情况下，c t 和c t g 的输出电流相等，由于二者方向相反，相当于c l 的初级 输入电流为零，这样c t z 的输出电流为零，表示用户没有窃电。当用户跨表接线 进行窃电时，c t c 的次级输出电流减小，c t h 和c t g 的输出电流不相等，c t 。的次 级将有感应电流输出，c t 2 的输出信号经m 、n 、t 驱动g 工作，由计数器和计 时器记录窃电次数和窃电时间。 窿蘸零霪季i ： ：c 融 。t 描 1 ；一 堰 十1i c t c jf 1“；| | 图1 i 三相防窃电器原理框图 f i g 1 1t h r e em u t u a l l yd e v i c e sf o ra n t is t e a l i n ge l e c t r i c i t yp r i n c i p l ef r a m e d i a g r a m 经过分析，该装置能判断短路c t 。的窃电行为，但判断这种窃电行为有一 个前提条件，就是在短路吼次级输出的同时不短路c t 。的次级输出。但是c t 。 的次级输出直接暴露在低压侧，容易被用户做手脚。如果用户在短路c t 。的同时 的次级输出直接暴露在低压侧，容易被用户做手脚。如果用户在短路c r 的同时 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 短路c t h ，这样c t g 和c t h 的电流都为零或者成比例减少，检流互感器c t z 次级 没有信号输出，装置判断不出窃电，不能起到记录窃电行为的作用。除此之外， 这种反窃电装置的自我保护功能也比较差，其判断机构裸露在外，容易被用户做 手脚，并且整个系统的电源直接采自低压2 2 0 9 电网，很容易被用户切断电源使 整个装置无法工作。 1 2 3 电能表电压、电流回路实时检测器 这种装置判断电流型窃电的基本原理是检测电能表的电流线圈所流过的三 相电流之和，当电流线圈上的三相电流之和不为零时，认为用户存在着电流型窃 电。具体作法是把将要进入电能表的三相电流线穿过防窃电装置的测量c t ，根 据三相平衡原理，在用户正常用电( 无窃电) 的情况下，穿过检测c t 的电流之和 为零，这样其输出为零，当用户将进入电能表的电流信号断接或跨检测c t 短接 会造成三相电流不平衡，使检测c t 有输出，c t 的输出驱动执行机构，再进行窃 电次数和窃电时间的累加。电压型窃电的检测原理与电流型窃电检测的原理相 似。 分析这种防窃电装置，在用户断路或短路三相电流中的一相或两相时，由于 穿过检测电流互感器的三相电流出现不平衡，检测电流互感器将有信号输出，此 时系统能正常工作记录用户的窃电行为。但是当用户同时全部短路三相电流，会 使穿过检测c t 的三相电流消失或仍然会维持穿过检测c t 的三相电流相等，此时 由于c t 没有信号输出系统不能识别这种窃电手段。同样，这种装置的执行机构 也裸露在低压空间中，电源取自低压电网，容易受人为破坏。 综合以上两种高压反窃电装置和其它反窃电措施”，经仔细分析，现存的反 窃电装置主要存在着以下几方面的不足： 1 、在检测比较手段上存在着“自己比自己”的弱点，也就是说用作比较基 准的信号或者是直接是要检测的信号，或者是通过相同位置上的c t 取过来的信 号，在用户的某些窃电方式下容易失去比较基准，不能进行正确判断，造成功能 上的缺陷。 2 、检测仪安装在低压侧，这无疑给电力部门带来了保护反窃电装置的新课 题，并且其电源取自低压电网或电能表的测量p t ，容易受到人为破坏或者在用 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 户断路p t 时失去工作电源。 3 、功能单一，仅能记录用户的总窃电次数和总窃电时间，无法记录用户每 次窃电的具体窃电情况，包括起始时间、窃电方式、结束时间等，不能给电力部 门进行处理时提供比较详细的依据。 4 、现存的反窃电装置的用户窃电信息使用手工抄录方式”1 ，有以下缺点： ( 1 ) 工作量大并极易出现手误。 ( 2 ) 易受人为因素( 如人情关系等) 影响，造成记录信息与客观实际不符。 ( 3 ) 不利于电力部门进行信息汇总、备案，无法适应信息技术快速发展的要 求。 可见，开发具有自动进行窃电信息抄录的反窃电装置是十分必要的。并且， 随着电力负荷控制系统的推广，要求有一种带有实时总线的反窃电装置，使电力 部门能及时了解用户的用电状态，以便做出反应。 1 - 3 论文的选题和主要内容 要同窃电行为做斗争，迫切需要一种功能齐全的反窃电装置本论文选题于 辽宁省自然科学基金项目，论文中的主要工作是大型电力用户反窃电系统主机的 设计( 相关的手持机部分由实验室的其他人员完成) 。 在论文中分7 部分对反窃电装置的研制作详细阐述： 第一章绪论介绍了反窃电技术研究的重要性、发展现状，提出了论文的技术 路线和装置的总体结构。 第二章电源设计的主要内容是电源c t 、电源电路的设计和电源性能的测试。 第三章用户窃电的判断在简述电能计量装置，介绍常见窃电手法的基础上给 出了电流型窃电和电压型窃电的判断方法。 第四章微处理器部分设计从硬件和软件两方面介绍了微处理器部分的设计。 第五章系统电磁兼容设计分析了现场存在的干扰源，阐述了装置设计中所采 用的系统抗干扰设计。 第六章为装置的耐压试验结果和功能测试结果。 第七章为总结。 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 _ 4 论文的技术路线 根据以上的分析和现场情况，本论文研究的反窃电装置采用以下的技术路 线： ( 1 ) 同时在高压侧和低压电表侧采集用户用电的真实信号和电表记录的用 户用电信号，二者进行比较判断用户是否窃电。 ( 2 ) 供电电源从高压母线获取。只要用户用电，母线中有电流，系统电源便 可为系统供电使系统正常工作，用户不用电，系统失去电源，此时用户也不存在 窃电情况。 ( 3 ) 窃电仪使用两种数据通讯方式：一种是红外数据传送方式，使用这种方 式进行通讯的反窃电仪为i 型机，安装在没有负控终端的配电室内；另外一种是 r s 4 8 5 通讯方式，采用这种通讯方式的反窃电仪为i i 型机，安装在已经配备负控 终端的配电室内，可以通过负控终端与负控中，t h , 进行通讯。考虑到现场使用情况， i 型机分为主机与分机两部分，主机挂在用户高压侧用于检测记录用户的窃电情 况，分机为手持式、汉字显示，主机和分机可以通过红外线进行数据传输。通过 地址编码，一台分机可以读取多台主机的数据，以降低单机平均成本。i i 型机的 通讯部分和监测用户用电情况的主机固化在一起，通过双绞线与负控终端连接。 ( 4 ) 一体化模块式结构。为了防止人为破坏和确保安全可靠，将主机部分用高 绝缘性能的树脂( 3 0 k v m m ) 固化为一体安装在用户的高压侧，使用户无法对主 机做手脚。 1 5 系统的总体设计 图1 2 是反窃电系统主机的原理结构框图 系统的工作原理可以阐述为：利用电源c t 从高压母线感应出电流，通过电 源变换电路为系统的其余部分提供+ 5 v 的工作电源。同时通过采样c t 从高压母 线上获取用户用电的真实电流信号，以这个信号作为基准，与从用户电能表侧取 得的电能表记录的用户的电流信号进行比较，当从电能表侧取得的信号小于从母 线上取得的信号时，认为用户正在进行电流型窃电；系统对用户是否进行电压型 窃电的判别是通过从用户电能表侧取得的电压信号与基准电压比较，当用户电能 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表侧的信号小于基准电压时，认为用户正在电压型窃电。当判断用户有窃电时， 微处理器根据系统的实时时钟的时间记录用户的窃电开始时间和窃电方式，根据 采样c t 的信号计算用户窃电时的参考用电量，在用户窃电结束时记录用户窃电 的结束时间，并随时响应手持机或负控中心发出的指令，将用户的窃电信息发送 给手持机或负控中心。 豳1 - 2 f i g 1 2 a n t i s t e a l i n gh o s tc o m p u t e rp r i n c i p l es t r u c t u r a ld i a g r a m 7 东北大学硕士学位论文 第二章电源设计 第二章电源设计 系统电源要保证在母线电流变化时，能正常提供后续电路工作所需要的+ 5 v 电源。本章 共分四部分对电源的设计进行叙述，第一部分是整体概述，第二部分是电源c t 的设计，第 三部分是电源变换电路的设计，最后是电源工作情况的测试结果。 2 1 概述 系统的电源主要由两部分组成：电源c t 和电源变换电路。这两部分是和后面 的检测处理电路固化在一起，安装在高压母线侧，这样可以提高电源的自我保护 能力，使用户难以对电源进行破坏。系统电源的结构框图如图2 1 示，电路原理 图如图2 2 示。 赣 出 患瓣c t 趣蠢变换宣路 图2 1 电源电路结构框图 f i g 2 1 e l e c t r i c a ls d u t c ec i r c u i ts t r u c t u r a lf r a m ed i a g r a m d 2 图2 2电源电路图 f i g 2 2 e l e c t r i c a ls o u r c ec i r c u i td i a g r a m 系统电源设计中要解决两个问题，一是在母线电流较低的情况下，保证电源 能够提供系统工作所需要的最低电压、电流，这要求电源c t 的变比要小、损耗 要小，但是满足了这个条件，母线电流增大时，电流互感器的次级输出电流成比 例增大，对于同样的二次负载，功耗将增大很多，这就要求解决母线电流较大时 8 - 嫠母“筑 东北大学硕士学位论文 第二章电源设计 能量的旁路和散热等问题。 2 2电源c t 的设计 电源c t 为母线式电流互感器，在结构上包括带二次绕组的铁芯及一次( 母线 排) 与二次绕组之间的绝缘。在绝缘内有为通过一次绕组( 母线) 的窗口( 通道) m 。 2 2 1 电流互感器的基本电磁关系 x rhr tx t k 鬈 图2 3 电流互感器的等效电路 f i g 2 3 t h ee l e c t r i ec u r r e n ti sw i t he a c ho t h e re t c o ft h ef e e l i n gm a c h i n ee f f e c t e l e c t r i cc i r c u i t 电流互感器的等效电路图如图2 3 示，r ，是初级线圈的铜阻，x ，是初级线圈 的漏感，将初级线圈的铜阻和漏感划出之后，就剩下一个理想铁芯线圈电路，但 铁芯中仍然有能量的损耗和储放，可用等效的电阻r m 和电感) ( m 表示：r z 是折合 到初级的次级铜阻，x 2 是折合到初级的次级漏感，z r 是折合到初级的次级负载。 稳态运行时电势平衡和磁势平衡方程式为： 岛= u 2 + 厶( ，2 + 工r 2 ) = l z ，+ 1 2 ( + 工r 2 ) ( 2 1 ) 流过x 。的电流在铁芯内产生磁通，称此电流为励磁电流。电流互感器在正 常运行时，其次级阻抗z f 较小，绕组电势很小，磁通密度较低。随着负载阻抗 增加，感应铁芯磁通密度相应增大，增大到一定程度，铁芯出现饱和。此时电流 互感器的次级输出电流除了基波外有一系列的奇次谐波。图2 4 a 为实测的电流 互感器饱和时输出电流波形，2 4 b 为2 4 a 的傅立叶变换频谱。 一9 东北大学硕士学位论文第二章电源设计 在测量过程中发现其奇次谐波所占的能量比重随着饱和程度的增加而增 大。电流互感器饱和后，铁芯耗损和温升提高，影响铁芯的正常工作，甚至有可 能破坏高压绝缘，同时谐波的产生也对电子器件的正常工作产生影响。在高饱和 后铁芯会残留较大的剩磁，使测量用互感器的精度降低。 3 蓑 篓叼 垂 纂 6 。i 口 f 一且j ij l， 5 l f = 。社。鞋。 l ll f1 冉hj i 0 4 口l i l t 、，l i j l ；l j 饥 越h f 一一。可 j 棚z 图2 4 铁芯饱和时电流互感器输出电流波形及频谱 f i g 2 4 t h ee l e c t r i cc u r r e n to fh o u ro ft h ei r o ns a t u r a t i o nw i t he a c ho t h e rt h e f e e l i n gm a c h i n eo u t p u t st h ee l e c t r i cc u r r e n taf o r m “df r e q u e n c yc h a r t s 2 2 2 电流互感器铁芯的选择 电源的设计是要保证反窃电主机能适应母线电流变化较大的情况。当母线电 流较低时，要保证系统能正常工作，互感器的次级必须要有足够的输出，根据式 ( 2 i ) ，互感器铁芯的损耗应该越小越好。系统中的电流互感器铁芯是选用r ( r o u n d ) 型铁芯。r 型铁芯是由一条硅钢带连续卷绕成梯形截面的二柱式铁芯， 无切割、圆形截面，具有以下特点： 1 、铁芯体积小，重量轻，体积比同等功率的e - i 型铁芯小3 0 ，重量低4 0 。 2 、铁芯无气隙，漏磁低，低于e - i 型铁芯的1 1 0 。 3 、铁芯无切割，损耗低，效率高，产热小于e i 型铁芯的一半。 4 、无切割结构和圆形截面使得铁芯噪声极低。 r 型铁芯适用于小型变压器和互感器“。由于具有以上优良的品质，在电子 产品中的应用越来越广。这种铁芯的励磁电流小，损耗低，符合要求。另外，r 型铁芯没有切割，其固化和安装要比e - i 型或c 型铁芯简便。 铁芯几何尺寸的确定是根据基本电磁公式 最* 2 铆丸1 。a 冉岸凰1 岛；如z ：l j ( 2 2 ) 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章电潭设计 其中， 巨为互感器二次输出电压 ，为工频5 0 胁。 ，：。为二次输出电流。 z ：为二次回路总阻抗。 j 为铁芯叠片系数，可以取0 9 6 。 为绕组匝数1 4 0 匝。 通过方程组( 2 2 ) 可得铁芯面积( c m 2 1 _ 两。瓣 ( 2 3 ) 吼为额定磁通密度，因为本电流互感器只是为后继电路提供电流，不需要考 虑精度问题，其额定磁通密度只要保证铁芯不深度饱和即可，可以选1 3 t ”。 二次回路的电压有一个最大值，可以确定为1 5 v ，即1 ：。x z ：为1 5 矿。 根据上面的数据，由公式( 2 3 ) 可得出铁芯的面积一。= 2 5 c m 2 。在选择互 感器铁芯时保证其截面积大于这个数值即可。 为了使电流互感器能被高压母线穿过，要考虑铁芯的窗口要大于母线截面 积、绝缘层、固化骨架以及二次绕线厚度四者之和。实际测量沈阳宝船面粉厂变 电所和沈阳电磁线厂变电所的母线宽度均为6 o c m ，厚度均为0 5 c m 。系统选用的 树脂的介电常数为3 0 k w m m ，而g 1 3 1 2 0 8 1 9 9 7 中规定i o k v 电流互感器的工频耐 受电压为4 5 k v ，考虑到固化的工艺，为了保证电网安全，实际绝缘厚度为2 o c m , 而固化所用的骨架厚度为0 5 m m ，根据以上数据，互感器的窗口宽要大于3 o c m ， 长度要大于8 5 c m 。 综合铁芯截面积和窗口的要求，选择了e - 1 6 0 铁芯。实测这种铁芯的窗口面 积为2 7 5 c m 2 ( 8 6 c m x3 2 c m ) ，截面积为7 1 绷2 ，符合要求。 2 2 3 互感器二次线圈的设计 互感器二次线圈的设计主要是线圈匝数的确定和绕线类型的选择。 线圈匝数的确定： 系统在正常工作时需要的是5 v 电压提供3 0 m a 电流，这要求互感器的输出电 东北大学硕士学位论文 第二章电源设计 流不能低于3 0 m a 。考虑到集成稳压器的输入输出压差，互感器的输出电压不能低 于9 v 。同时，互感器的输出电流、电压不能过大，否则后继处理电路功耗增加，影 响电路的正常工作。 线圈匝数的计算公式为： w 。生 狲 ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中，为工频5 0 h z ，由= b s 为磁通量。对于冷轧硅钢片，其铁芯磁通 密度可以取1 o t ，铁芯的截面积为7 1 硎2 ，若e 取9 v ，由( 2 4 ) 可得w = 5 9 匝。 这说明要在次级产生9 v 电压，互感器的次级线圈不能低于5 9 匝。对于输出电流， 假设要求互感器在初级电流为5 a 时输出3 0 m a 电流，根据互感器的初级、次级电 流之比可以算出互感器的次级线圈最多为1 6 6 匝，考虑到互感器的漏感、利用效 率等因素，实际匝数要比这个匝数少。系统中选用的电流互感器二次线圈的匝数 为1 4 0 匝。 电源互感器的二次线圈铜芯截面积的确定主要取决于热计算，铜导线长期工 作的电流密度应限制在2 3 a m m 2 之内 1 2 1 。本装置工作现场，一次电压比较高， 电流比也比较大，铜线的工作电流密度应该取低值。在实际设计时，采用的是巾 1 6 2 m m 漆包线，其铜心截面积为2 0 6 肌肌2 ，额定工作电流可以达到4 a ，因为电流 互感器的次级线圈匝数为1 4 0 匝，这种漆包线圈可以在母线电流5 6 0 a 以下正常工 作。在应用中根据不同的用户，线圈的匝数和钢线的型号可以适当变化。 图2 5 的电路是为了测试互感器的二次输出电流随母线电流的变化。实测电 阻r 为6 7 f 2 。表2 1 是电阻两端电压随母线电流变化的数据，图2 6 是电阻两 r 图2 5 电流互感器输出特性测试电路 f i g 2 5 e l e c t r i cc u r r e n tw i t h e a c ho t h e rt h ef e e l i n gm a c h i n eo u t p u t st h e c h a r a c t e r i s t i ct e s te l e c t r i ce i r c u i t 端电压随母线电流变化的关系曲线，其中的方程是表2 1 中数据的直线拟合。 图2 6 中直线方程的截距是因为实验用的整流桥的两个二极管有o 6 v 的电 压降。从图中可以看出，电阻两端电压与初级母线电流之间有比较好的的线性关 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章电源设计 系，也就是说电流互感器的次级输出与初级电流之间线形关系比较好。线性拟合 得到系数除以电阻得到次级电流随初级电流变化的关系式，因为次级电流经过全 波整流，其有效值要比整流之前提高大约1 1 倍。由此可以得到电流互感器的次 级、初级线圈之比， 。：丛塑：1 4 5 0 5 【 这个数值与电流互感器次级线圈的匝数非常接近。 十注；本论文中所有的实测电压波形、电压数据都是利用美国h e w l e t t p a c k a r d 5 4 8 0 i a 数字存储示波器测得的，所有实测电流波形、电流数据都是利用上述示波器配合上 t e k t r o n i xt m 6 3 0 3 电流探头和t e k t r o n i x 哺i s o i a 电流增幅器测得的。 表2 1 互感器输出回路电阻电压与母线电流的关系 t a b l e2 1w i t he a c ho t h e rt h ef e e l i n gm a c h i n eo u t p u t st h er e l a t i o nb e t w e e nt h eb a c k t r a c ke l e c t r i cr e s i s t a n c ee l e c t r i cv o l t a g ea n df e m a l eli n ee l e c t r i cc u r r e n t 镰号 l2 j45 67s9 母竣毫麓l a l s t6 0 6 。98 ，o9 3 1 q 。i 垃1 1 4 1 i 乱l 电阻嗷压j 2 ，62 t s3 j3 ，84 54 95 ，9缸87 8 号 l o1 1 1 2 1 3 1 41 51 61 7 l s 母娥电赢f a l 1 8 , 3 2 0 o2 4 42 8 13 1 23 s 94 0 14 3 9稍，6 氅熙呶愿n - 8 + 9 9 7盹9 1 3 9 坻91 7 5 1 9 - 6 2 1 ，65 3 0 嚣2 5 躲2 蟹- ! 羽5 o j 二 厂 ，r n 图2 6电流互感器输出回路电阻两端电压随一次电流之间的变化 f i g 2 6 e l e c t r i cc u r r e n tw i t h e a c ho t h e rt h ef e e l i n gm a c h i n eo u t p u t st h eb a c k t r a c ke l e c t r i cr e s i s t a n c eb o t he n d se l e c t r i cv o l t a g ew i t ht h ev a r i e t y b e t w e e na ne l e c t r i cc u r r e n t 2 3电源电路设计 电源电路要保证在互感器电流变化时，特别是在互感器二次电流较大时，电 源能为系统提供稳定的5 v 电压。电源电路图已经在图2 - 2 中给出。 1 3 - 东北大学硕士学位论文 g _ - 章电源设计 电流互感器( c t ) 的二次电流经过整流桥b l 整流、电容c l 、c 2 、c 3 滤波后 送入后面的稳压电路。主机在与手持机或负控终端进行通讯时，瞬时功耗将增加 一倍多，电容c 1 、c 2 主要起储能作用，使系统在母线电流较低时( 5 a 左右) 主 机能正常进行与手持机或负控终端进行通讯。d 是多个二极管串联，可以起到限 压的作用，在母线上的电流较大时保护整个电路，此时d 为电路中的主要耗能部 分，在封装时d 与系统的线路板分开，单独散热，系统中的其它部分不受影响。 电容c 3 、c 4 、c 5 的作用是抑制电源的纹波。在大电容c 5 存在的情况下，必须使 用二极管d 2 以保护稳压块7 8 0 5 。 t v s s 为瞬时电压浪涌抑制器，当受到瞬态高能量冲击时，能吸收能量高达 数千瓦的浪涌，响应时间1 0 。2 秒，将两极之间的电压钳位于一个定值”“。这个 器件在电路中的主要作用是防止电网瞬间过压或受到雷击对后面电路的危害。 串联二极管的保护作用 电流互感器的次级输出电流变化比较大，在电源c t 大电流输出时，d 必须能 消耗掉多余的能量，提供给后面电路正常工作所需的电压。 对于沈阳宝船面粉厂的1 0 k v 、2 0 0 0 k v a 变电所，其母线电流通常在1 5 a 8 0 a 之间变化。为了保证系统电源能正常提供，其d 的稳压数值要为1 0 v 左右，当母 线电流为8 0 a 时，这一部分的功耗为5 7 w 。如果采用稳压二极管，必须采用多 只稳压管并联，但是每只稳压管的特性稍有不同，在大电流时所有稳压管不会同 时导通，导通后每一个稳压管的导通特性也不完全一样，这样先导通成导通电阻 小的管子会烧毁，导致电路不能正常工作；将d 换为大功率电阻，如果在母线低 电流的情况下保证了7 8 0 5 的所需最低输入电压9 v ，当母线上的电流增加时，互 感器次级的输出电流增加，电阻两端的电压就成倍增加，这样很快会高于7 8 0 5 允许的最高输入电压3 2 v ，且随着次级输出电压的升高，铁芯会出现深度饱和， 随之产生的铁芯功耗增加，输出电压纹波增大等问题也给系统正常工作带来影 响。 图2 7 的实验电路是为了验证二极管的作用而设计的。由于实验室中很难得 到2 0 0 a 的电流，所以在验证二极管的保护作用时没有使用电流互感器，而是直接 使用稳压电源给二极管供电，这样也可以得到与主机挂网运行时同样的效果。 1 4 东北大学硕士学位论文 第二章电源设计 图2 7串联二极管的输出电压随电流变化的侧试电路 f i g 2 7 t h e s i d et h a te s t a b l i s h e st h ee x p o r t a t i o ne l e c t r i cv o l t a g eo ft h e d i o d et oc h a n g ew i t ht h ee l e c t r i cc u r r e n tt r i e st h ee l e c t r i cc i r c u i t 图2 7 中的r l 、r 2 、r 3 、r 4 是四只5 1 q 、5 w 的电阻。实验中，调节电压 源的输出，控制回路中的电流，表2 2 和图2 。8 显示了串联二极管d 两端电压随 回路中的电流变化的关系。 表2 2二极管两端电压随电流的变化 t a b l e2 2t h ed i o d eb o t he n d se l e c t r i cv o l t a g ew i t ht h ev a r i e t yo ft h ee l e c t r i c c a r r e n t 蘑号 l 23456 圈奄奄觚 l o l o 0 4 0 o ，o 鞠l 瑚t 2 0 d 筒毫压f l o ji i 2 i l 41 1 6 1 1 6i i 。， 号 7b9l oi i1 ： 匮路电流 1 4 0l 。6 0l 鼬：o o2 0 02 ，d 0 d 两趣压f n n ，u 7i i 7i i 。6i l ju 。o 1 2 v 矗 1 0 5 ； 9 ， rli i l lji ：lljjj oo 2 0 4 0 , 6o ，8ll 21 4i 61 822 22 4 ，a 图2 8 二极管两端电压随电流的变化 f i g 2 8 t h ed i o d eb o t he n d se l e c t r i cv o l t a g ew i t ht h ev a r i e t yo f t h ee l e c t r i c c u r r e n t 从图2 8 可以看出，回路电流由0 2 a 增加时，串联二极管两端的电压增大， 达到1 1 6 v 时趋于稳定，当回路电流大于1 8 a 时串联二极管两端电压开始节降。 这是因为在回路电流较低时，二极管没有完全导通，其两端电压会随着回路电流 的增加而增大；二极管完全导通后，其两端电压基本保持不变；随着通电时间的 增加和回路电流的增大，二极管自身产生热量使二极管的p n 结结温度升高，结 压降减少致使整个串联二极管的两端的电压降低。需要说明的