电子式互感器工作电源的研制-本科毕业论文.doc

本科毕业设计（论文）电子式互感器工作电源的研制 学 院 专 业 年级班别 学 号 学生姓名 指导教师 1 绪 论电力工业是国家经济建设的基础工业，在国民经济建设中有举足轻重的地位，现代工业、农业、交通、国防以及人民生活的许多方面都离不开电。输变电设备是电力设备的重要组成部分，电站发出的强大电能，只有通过输变电设备才能输送到各个用户。互感器是输电线路中不可缺少的重要设备，其作用就是按一定的比例关系将输电线路上的高电压和大电流数值降到可以用仪表直接测量的标准数值，以便于用仪表直接进行测量。互感器除用作测量外，还可作为各种继电保护的信号源。近年来随着各国经济的迅速发展，对电力的需求日益增大，电力系统的额定电压等级和额定电流都有大幅度的提高和增加。由于提高输电电压可以减少电能在电网传输中的损耗，中国由80年代的220 kV骨干电网发展提高到目前500 kV骨干电网，预计进入21世纪后随着金沙江等大容量梯级电站的建设，中国将出现由特高压1200 kV的输电线路进行电力的输送。与之相应的电力系统中的输变电设备的额定电压和额定电流都要随之提高，为了保证系统的安全运行，提高电力生产的质量，对电流、电压等参数的传感和测量技术提出了更高的要求，因此电流互感器(Current Transformer CT) 的研究和发展势在必行。1.1 课题背景及目的电流互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的重要设备，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。随着电力工业的发展，电力传输系统容量不断增加，运行电压等级也越来越高，目前我国电网的最高电压等级已达500kV，下一个电压等级也许是750 kV或更高。比如，北京由于特殊的政治地位和密集的人员居住，是一个毋庸质疑的用电中心，但是市区内的电厂所发电量和整座城市总体所需用电量相比却只占很小一部分。大部分电能都是来自山西、内蒙、天津等自然资源较丰富的地区，通过远距离输电的方式把电能送到城市边缘四座500kV变电站，再依靠输电线路向市区220kV, 110kV等变电站降压，直至10kV配网到380V用户。可见，500kV主网就是首都的生命线，它的稳定直接关系到首都的安全供电。而随着电压等级的提高，传统的电磁式电流互感器越来越呈现出由于工作原理所决定的技术上难以解决的困难。现在我国电力系统中一直用电磁式CT（电流互感器)和PT(电硬度互感器)测量一次侧电流和电压，为二次计量及保护等设备提供电流及电压信号。电磁式互感器的工作基于电磁感应原理。电磁式互感器的缺点是：1、绝缘难度大，特别是500KV以上，因绝缘而使得互感器的体积、质量及价格均提高；2、动态范围小，电流较大时，CT会出现饱和现象，饱和会影响二次保护设备正确识别故障；3、互感器的输出信号不能直接与微机化计量及保护设备各接口；4、易产生铁磁谐振等。 电子式互感器指输出为小电压模拟信号或数字信号的电流电压互感器。由于模拟输出的电子式互感器仍存在传统互感器的一些固有缺点，现在发展的高电压等级用电子式互感器一般都用光纤输出数字信号(以下的电子式互感器均指此类电子式互感器)。电子式电流、电压互感器是无铁芯、绝缘结构简单可靠、体积小、质量小、线性度好、无饱和现象、输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口的电力互感器，而且信号输出采用比电缆廉价的光缆（目前光缆价格已降至1000元/芯/千米)降低了综合成本。现代光学技术、微电子学技术的发展使得电子式互感器的发展及实用化成为现实。 由于电子式互感器的诸多优点，电子式互感器取代传统互感器将只是一个时间问题。国际上，电子式互感器已逐步成熟，正以越来越快的速度推广运用。其中ABB、西门子等公司生产的电子式互感器已有十几年的成功运行业绩。采用电子式互感器的数字化变电站在欧洲也已经投入运行。我国电子式互感器的研制和运用相对比较落后，仅有为数不多的变电站使用了一些进口的电子式互感器。国内有二十余家企业和高校涉足了电子式互感器的开发，经过多年的努力，已有若干套设备在现场试运行。1.2 国内外研究状况1.2.1 国内的研究情况目前我国有清华大学、电力科学研究院、武汉高压研究所、华中科技大学、上海互感器厂、沈阳变压器制造有限公司、顺德特种变压器厂、西安高压开关厂及南瑞继保电气有限公司等单位在从事电子式互感器的研制工作,且已有多种样机研制出来,但绝大多数仅限于实验室阶段,还没有实用化产品投入运行。我国的电子式互感器的研究还处于跟踪国外大公司(如ABB 、ALSTOM 等公司) 的水平。前几年,国内各单位的研究重点主要是无源光电式互感器,如华中科技大学1998年曾研制出110 kV光学电流、电压互感器,并在广东新会挂网试运行。近年来,由于有源电子式互感器的技术较为成熟,且便于工业化生产,国内多家研制单位已开始注重有源电子式互感器的研究,如南瑞继保电气有限公司已研制出可用于110 kV 及220 kV GIS 的有源电子式电流互感器,实验表明在(4040) 范围内,其计量精度达到0.2 级。国内电压互感器的研究热点主要集中在光电式电压互感器和电容式电压互感器方面，华中理工大学研制的110kV光电式互感器于1998年已在广东三江变电站挂网运行。但光电式电压互感器要想真正步入实用化，取代传统的电压互感器，在制造工艺、技术普及上和稳定性、可靠性等各种基础性研究方面，还需要做深入的工作。电容式电压互感器具有绝缘性能好、价格便宜，其电容分压器与阻波器结合能兼作载波通讯的滤波装置，而且亦被电网所接受。我国110kv及我省220kv及以上变电站的415台电压互感器中占206台。1.2.2 国外的研究情况国外对互感器的专门研究进行的较早，对电磁式电流与电压互感器的研究和应用技术已比较成熟，虽然仍在努力进行提高传统互感器的性能和精度研究，但目前已将大部分技术力量投入到对全光型电力互感器、混和式互感器及组合式电压电流互感器的研究。由于受光学元件本身长期性能稳定性和可靠性以及温度、外界干扰等因素的影响，光电式互感器暂时难以推广应用，目前主要集中于基于Rogowski线圈的电子式电流互感器和精密电容分压式的电子式电压互感器的研究。由于Rogowski线圈具有线性度好、无饱和谐振现象、测量频带宽等特点成为国外电子式电流互感器的研究热点。ABB公司、德国RITZ公司都有一些电子式电流互感器产品的报道。至于电容式电压互感器(CVT)，由于它在许多方面的性能已达到甚至超过电磁式VT的各项指标，特别在高电压下有优良的性价比，同时还具有绝缘强度高、不会与系统发生铁磁谐振以及可兼作电容器用于载波通讯等优点，国外比较注重对CVT的研究，并致力于如何提高CVT的精度、提高电容器介质材料性能、分析暂态过程以及减小铁磁谐振等方面下功夫。产品已向难燃、防爆和更高电压等级发展，目前国外电容分压式电压互感器也已经问世。 目前，ABB公司已研制出多种无源光电式互感器及有源电子式互感器，如磁光电流互感器MOCT(Magneto Optic Current Transducer)、电光电压互感器EOVT(Electro Optic Voltage Transducer)、组合式光学测量单元OMU(Optical Metering Unit) ,数字光学仪用互感器DOIT(Digital Optical Instrument Transformer)等。其电子式互感器已在插接式智能组合电器(PASS)，气体绝缘开关(GIS)、高压直流(HVDC)及中低压开关柜中得到应用。ABB研制的用于PASS和GIS中的有源电子式电流电压组合互感器。电流的测量采用Rogowski线圈，电压的测量根据电容分压原理。信号处理单元将被测电流、电压信息转换为数字光信号进行传输，信号处理单元的工作电源由外部提供。ALSTOM 公司主要研究无源电子式互感器,目前已研制出123 kV 至756 kV 的光学电流互感器CTO(Current Transformer with Optical sensors)、光学电压互感器VTO(Voltage Transformer with Optical sensors)及组合式光学电流电压互感器CMO(Combined Measurement current-voltage transformer with Optical sensors)等电子式互感器。自1995 年以来,ALSTOM公司的电子式互感器已有多台在欧洲及北美运行。无源组合式光学电流电压互感器CMO ,其电流传感器的工作基于Faraday 磁光效应,电压传感器的工作基于横向调制Pockels电光效应。电流传感器和电压传感器均位于互感器的顶部,被测高压先经电容分压器分压,然后加至光学电压传感器上。1.2.3 应用前景目前电子式互感器已有国际标准IEC60044-7(电子式电压互感器)和IEC60044-8(电子式电流互感器)，标准对电子式互感器的构成、试验及输出接口等进行了规定。标准的制定将进一步规范并推进电子式互感器的研制及推广应用。国内外研究实践表明,电子式互感器具有明显的技术和价格优势,估计110 kV 电子式互感器每台成本约1 万元左右,220 kV 电子式互感器每台成本约2 万元左右。因绝缘结构简单,电压等级越高,电子式互感器的价格优势越明显。目前研究较为成熟并投入变电站运行的主要是有源电子式互感器,应用场合主要有高压直流输电、气体绝缘开关(GIS) 及中低压开关柜等。无源光电互感器因其一次侧光学电流、电压传感器无需工作电源, 具有较大的优势,但光学传感器的制作工艺复杂,稳定性及一致性不易控制,因此有源电子式互感器有望首先得以推广应用。国外大公司虽已研制出实用化电子式互感器,但并未广泛推广应用。现在几个主要生产厂家研制的电子式互感器的输出信号还不一致,电子式互感器的输出信号如何同步还未取得共识,适应电子式互感器的二次计量及保护设备还有待研究,这些均是推广应用电子式互感器需解决的问题。1.3工作电源的研究随着各种新式互感器实用化进程的加快，各种相关问题也逐步提上了日程，尤其是电源。不论是传光（混合)型或传感(全光)型电流互感器，都离不开光电转换和光的传输。而光电转换和光的传输离不了电源，区别在于电源所处的电位高低。电源处在高电位的互感器叫有源互感器，处在低电位的称为无源互感器。最早人们研究全光型互感器(无源互感器)，但是出于实用化的考虑，后来倾向于混合型的光电互感器(有源互感器)。但混合型必须考虑高电位电源问题，比全光型对电源的要求高得多。安全稳定的电源关系到新型电流传感器成功与否。鉴于此，学者们研制了各种原理的电源，如速饱和变流器、小型变压器、光电源等等。但都存在或多或少的问题，如成本高、容量小、运行不稳定等，影响混合型的光电互感器的实际应用。所以电源成为最近研究的热点问题之一。1.4 课题研究目标及主要解决的问题 1.4.1 课题研究目标 从理论上讲无源型电流互感器具有测量范围大、电绝缘性优良、结构简单灵敏度高等特点。但是实际的传感器还存在许多问题，它们的光源、光纤及信号的处理技术等要求比较高。最重要的是，系统所用光纤本身的双折射效应及费尔德常数随着环境因素(如温度压力震动等)的变化而变化，影响测量的精度。这给整个光路的调整、校准及防震等带来了很大的困难。我们权衡各方面的利弊，仍然采用有源型结构，因此必须解决高压侧的电源问题。该装置的高压侧电流采样电路与低压侧之间没有任何电磁联系，唯一的联系只有两根光纤。光纤使得高、低压之间完全隔离。因此如何向高压侧电路供电就成为一项关键技术。由于在高压母线上电压高，电流变化范围大，短路故障时母线暂态电流达到数十倍于额定电流。在这些情况下都要求能提供给高压侧电子线路所需的稳压电源(+5 V、5 V 、+18 V、18 V)。稳压电源可以为许多集成电路电子器件提供高质量稳定电源,使电路稳定工作。现在各种成形的稳压电源种类繁多，高性能电源也不少。但是现有电源对输入端电压或者电流变化范围只是额定值的20%。这就限制了在输入电压或电流大范围变化(甚至达到数千倍)时无法得到稳压输出。近年来高频开关电路发展很快，但是如果将此技术应用在这里，由于逆变电路的影响，传感头将无法输出规则的正弦波，所以在此也不能用。再对其它方案的研究，比如利用太阳能加上蓄电池来供电，虽然理论上是可行的，但是在实际中电流互感器一般都要用十年以上，很明显由于蓄电池的充放电次数的限制达不到要求。还有利用激光供能在理论上是比较好的方式，但是在实现上也存在许多限制，待其他一些技术成熟了可做进一步研究。从目前技术和成本上看，比较理想的方案就是能在高压的母线上取一部分能量下来给高压侧电路供电。那么怎样才能从母线上取部分电流而对母线电流波形没有太大影响？由于高压侧电子及光电器件用电量少，只要取一小部分电能即可，本课题就是采用一个补偿线圈来补偿多余的感应磁势，从而实现取出比较稳定的电流，并且通过补偿对被测电流波形没有太大影响。在电源领域是一个新课题，清华大学虽然做了一些理论研究，但在工程实际中还达不到要求。研制成功后该电源可以应用在诸多输入大范围变化而需要得到稳定输出的场合。用此原理还能降低普通稳压电源对输入电流电压变化范围的限制 。1.4.2 课题研究解决的主要问题 本课题主要研究设计光电式电流互感器高压侧的稳压电源。由于高压侧电压高、电流变化范围大，如何从高压母线上提取部分能量并且是稳压输出是研究的主要内容。需要解决的关键问题是：1、如何在母线上提取电流并且不影响传感器头的输出；2、根据磁势平衡原理，采用补偿线圈来平衡增加的多余磁势时，如何分别选择补偿线圈及用于稳压电源线圈的匝数； 3、如何才能使在母线电流尽可能小的情况下(母线侧功率至少达到稳压电源需要输出的功率)稳压电源就能有标准的输出； 4、如何选择补偿电路的起始工作点才比较合理 ；5、补偿电路一些重要器件的参数值的计算及试验调试，使补偿电路在母线电流大范围变化时，也能正常工作。本课题要完成对电源电路的设计，理论计算等工作，并且对电路进行试验，最终成形并用于光电式互感器，投入正式使用。2 电子式互感器的基本理论随着电力工业的不断发展及电网电压等级的不断提高，对高电压、大电流的测量要求也在不断提高，互感器的绝缘问题日益突出。由于传统的电压、电流互感器存在磁饱和、铁磁易爆及动态范围小等问题。于是，各种旨在解决超高压绝缘问题的测量方法应运而生，国际电工委员会通过对这些方法的统计分析，提出了电子式电压、电流互感器的概念。根据IEC标准，这类依赖于电子技术、关学技术、现代信号处理技术的电压 、电流变送器统称为电子式电压互感器（EVT）和电子式电流互感器（ECT）。2.1 电子式互感器的分类与特点2.1.1 电子式互感器的分类几十年来，电子式互感器产品的种类已经被开发出很多，根据原理的不同，电子式互感器可分无源式和有源式二类。所谓无源式互感器是指高压侧传感器头部分不需要供电电源的电子式互感器，而有源式电子式互感器是指传感器部分需要供电电源的电子式互感器。2.1.2 电子式互感器的特点与电磁式电流互感器相比，电子式互感器具有如下的一系列的优点：1、绝缘性能优良，造价低。绝缘结构简单，随电压等级的升高，其造价优势愈加明显。2、在不含铁芯的电子式互感器中，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。3、电子式互感器的高压侧与低压侧之间只存在光纤联系，抗电磁干扰性能好。4、电子式互感器低压侧的输出为弱电信号，不存在互感器在低压侧会产生的危险，如电磁式电流互感器在低压侧开路会产生高压的危险。5、动态范围大，测量精度高。电磁感应式电流互感器因存在饱和问题，难以实现大范围测量，同时满足高精度计量和继电保护的需要。电子式电流互感器有很宽的动态范围，额定电流可测到几十安至几千安培，过电流范围可达几万安培。6、频率响应范围宽。电子式电流互感器已被证明可以测出高压电力线上的谐波，还可进行暂态电流、高频大电流与直流的测量。7、没有因充油而产生的易燃、易爆等危险。电子式互感器一般不采用油绝缘解决绝缘问题，避免了易燃、易爆等危险。8、体积小、重量轻。电子式互感器传感头本身的重量一般比较小。据前美国西屋公司公布的345kV的光学电流互感器（OCT），其高度为2.7m，重量为109kg。而同电压等级的充油电磁式电流互感器高为6.1m，重达7718kg，这给运输与安装带来了很大的方便。9、可以和计算机连接，实现多功能，智能化的要求，适应了电力系统大容量、高电压，现代电网小型化、紧凑化和计量与输配电系统数字化、微机化和自动化发展的潮流。22 电子式互感器的工作原理 根据传感方式的不同,电子式CT 、PT 可分为无源光电式CT 、PT 和有源电子式CT 、PT 两类。2.2.1 无源光电式CT 、PT 图2.1所示为无源组合式电压、电流互感器的结构框图。光学电流传感器是利用Faraday 磁光效应测量电流的,如图2.2 所示。LED (发光二极管) 发出的光经起偏器后为一线偏振光,线偏振光在磁光材料(如重火石玻璃) 中绕载流导体一周后其偏振面将发生旋转。据法拉第磁光效应及安培环路定律可知,线偏振光旋转的角度与载流导体中流过的电流有如下关系: （2.1）式中,V为磁光材料的Verde常数。角度与被测电流成正比,利用检偏器将角度的变化转换为输出光强的变化,经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电流。 图2.1 无源电流和电压组合式互感器框图 图2.2 光学电流传感器原理图光学电压传感器是利用Pockels电光效应测量电压的,如图2.3所示。LED 发出的光经起偏器后为一线偏振光,在外加电压作用下,线偏振光经电光晶体(如BGO晶体)后发生双折射,双折射两光束的相位差与外加电压V有如下关系: （2.2）式中，为BGO的折射率; 为BGO 的电光系数; 为BGO中光路长度；为施加电压方向的BGO 厚度;为入射光波长; 为晶体的半波电压。相位差与外加电压V成正比,利用检偏器将相位差的变化转换为输出光强的变化，经光电变换及相应的信号处理便可求得被测电压。图2.3 光学电压传感器原理图2.2.2 有源电子式CT和PT图2.4所示为有源电子式CT 的结构示意图。感应被测电流的线圈通常采用Rogowski线圈, Rogowski线圈的骨架为非磁性材料,如图2.5 所示。若线圈的匝数密度n及截面积S均匀，Rogowski线圈输出的信号e与被测电流有如下关系: （2.3）e(t)经积分变换及A/ D转换后,由LED转换为数字光信号输出,控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理,便可输出供微机保护和计量用的电信号。 图2.4 有源电子式CT结构示意图 图2.5 Rogowski线圈图2.6所示为有源电子式PT 的结构示意图。被测高压经分压器分压后, 经信号预处理、A/D变换及LED转换,以数字光信号的形式送至控制室,控制室的PIN及信号处理电路对其进行光电变换及相应的信号处理,便可输出供微机保护和计量用的电信号。图2.6 有源电子式PT的结构示意图有源电子式CT 、PT 的一次高压侧有电子电路, 其电源的供给方式主要有两类,一类是光供电,即控制室内LD 发出的光由光纤送至高压侧,再经光电变换转换为电能供电电路工作；另一类是利用一小CT从高压线路上获取电能供电路工作。2.3 电子式互感器的输出特性电子式互感器的输出分数字和模拟2 种。国际电工委员会制定了电子式互感器标准文件。电子式互感器定义了一个新的物理元件合并单元,它将来自二次转换的电流电压数据连续时间合成:主要是将接受到的二次端信号转化为标准输出,使接受到的同一协议的信号同步。合并单元将7只(3只测量,3只保护,1只备用) 以上的电流互感器和5只(3只测量,1只保护,1只备用) 以上的电压互感器合并为一个单元组,并将输出的瞬时数字信号添入同一数据帧中,体现了数字信号的优越性。电子式互感器二次转换器与变电站二次设备通过合并单元连接,数字输出的电子式互感器与外部通讯也是通过合并单元实现。2.4 电子式互感器的发展前景无源式电子式互感器一次侧不需要供电电源，具有较大的优势，但光学装置制作工艺复杂，稳定性不易控制，而有源式电子式互感器目前研究较为成熟，实际投入运行比较多，获得了大量的现场运行经验，有望首先得以推广应用。国际电工委员会关于电子式互感器的标准已经出台，我国的电子式互感器国家标准已算基本完成，近期将公布，国家电子式互感器的检测中心已经建立于武汉高压研究所，这预示着电子式互感器的产品化应用已经具备了行业规范，为其市场化提供了基础平台。国内外的研究结构和生产厂家经过30多年的研究和探索，不少企业投资电子式互感器制造领域，在实验室和现场挂网都积累了一定的经验，推动了产品化、市场化的进程。电网改造及数字化自动化的需求，在未来的几年内，会在各种电网等级中将会大量安装和使用；由于电子式互感器的优点，电子式互感器全面代替传统的互感器是不可避免的。2.5 电子式互感器有待研究的问题电子式互感器是满足电网动态客观测性、提高继电保护可靠性和数字电力系统建设的基础设备。电子式互感器以其特有的技术特点和价格优势将在未来的电力系统中发挥越来越重要的作用，它的推广和应用，将对电力系统特别是变电站的二次设备产生极其深远的影响，加速变电站全数字化、自动化的进程。1、对于无源式互感器，要减少磁光材料或者晶体自身的双折射以及环境气候等的影响，必须对造成传感头误差的各种因素进行分析并研究减小其影响的办法。2、电子式互感器虽然具有绝缘等方面的优点，但在可靠性、稳定性及准确度等方面与传统的电磁测量方法相比还存在着一定差距，有待提高。3、电子式互感器在变电站属于一次设备，必须要为二次设备服务，但是现在国内外厂商把目光放在了互感器本身，而很少顾及到与二次设备的兼容。如何解决电子式互感器与现有二次设备的兼容问题，是决定今后几年电子式互感器推广速度的重要课题。2.6 本章小结电子式互感器具有抗电磁干扰,不饱和,测量范围大,体积小,重量轻等优点,能够满足现代电力系统发展的要求。电子式互感器已有国际标准IEC60044-7(电子式电压互感器) 和IEC60044-8(电子式电流互感器) ,标准对电子式互感器的构成、试验及输出接口等进行了规定。标准的制定将进一步规范并推进电子式互感器的研制及推广应用。国内外研究实践表明,电子式互感器具有明显的技术和价格优势,估计110 kV电子式互感器每台成本1万元左右,220 kV电子式互感器每台成本2万元左右。因绝缘结构简单,电压等级越高,电子式互感器的价格优势越明显。由此可见,电子式互感器应用于电力系统前景广阔。为下一章电子式互感器工作电源的研制打下基础。3 电子式互感器工作电源的设计随着光纤传感技术、光纤通信技术的快速发展，光纤技术在电力系统中的应用越来越广泛有源光电式互感器以其结构简单、加工方便、互换性强、可靠性高、易于实现批量化生产等一系列优点而在近几年成为研究开发的重点，并已有产品应用于中低压电力系统的测控设备中。有源光电式互感器实现过程中必须解决的一个重要问题是高压侧信号处理的工作电源设计。为了实现高低压侧电信号的完全隔离!高压侧电源必须是悬浮式的。通常有2个途径解决这个问题：1、从低压侧通过光电转换的方式将能量传送到高压侧提供电源；2、直接从高压线路上取得能量。采用低压侧光供电方法的优点是电源稳定、可靠性高、不受母线电流的影响。但是由于激光器件提供的功率有限，且光电转换效率不高，因此对高压侧的电子线路设计的功率要求较高，同时，光电池在长期负荷工作条件下的寿命也难以保证。本章介绍一种直接从高压线路上取能的宽动态范围的悬浮式直流电源的设计过程。3.1 设计原理高压侧信号处理工作电源包括信号处理必须的5V电源和供A/D转换的5V基准电源。直接从高压线路上取得能量，利用带铁芯的感应线圈从一次线路上获取电能供给高压侧电子装置工作电压的电源设计方案的特点在于，由于铁芯线圈处在高压端，绝缘要求低，极大地简化了装置地复杂程度。由法拉第电磁感应定律可知，工作在磁导率线性段的电磁感应线圈在输电线传输工频电流的激励下，电源变压器二次侧的感应电动势为 （3.1）式中为正弦波频率；为线圈绕组匝数；为输电传输电流在变压器铁芯激磁产生的磁通量。设计时主要应考虑以下2个问题： 1、在系统电流很小的时候提供足够大的功率，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。图3.1为实际的电路设计原理性线路图（图中为主线圈，为补偿线圈）。图3.1 电源设计原理性线原理图3.1中，主线圈提供直流稳压工作用电源，补偿线圈的目的在于控制主线圈感应电压在适合的工作范围。当主线圈感应电压达到一定值后，稳压二极管导通，电流使磁控开关K闭合，补偿线圈回路导通反向激磁，从而降低铁芯中的磁通量，达到降低主线圈感应电压的目的。经过稳压和DC-DC变换集成电路处理，获得必需的工作电源。若实际应用情况需要，随着电流的进一步升高，可设计多个补偿线圈回路，以便在感应电压进一步升高时分别投入，进一步降低激磁电流值。3.2 实际设计考虑问题1、变换器铁芯尺寸的确定：依据有关公式可计算在1kA传输电流的情况下，变压器的最小内径为25mm，考虑到高压线路实际运行时可能传输的输电电流值，实际采用内径40mm、外径65mm、厚25mm的O型铁芯，材料型号为DQ4（0.35mm冷轧硅钢片）。2、主线圈绕组匝数的确定：由公式3.1根据实际所需最小输出交流电压，选取适当的磁感应强度起始工作点可计算出主线组所需匝数。实际制作主绕组为62匝。3、补偿线圈匝数的确定：由电磁感应定律可知，补偿线圈的匝数越多，在补偿线圈连接相同负载或通过相同补偿电流的情况下，二次整流侧在保证稳压模块承受同样数值的整流滤波后的直流电压条件下，容许通过的一次侧交流电流值越大。但绕组匝数应根据实际需要适当选择，因为绕组匝数越多，感应电压越大，对绝缘要求越高。设计制作的绕组匝数约为330匝，实验证明已能保证满足实际需要。4、负载电阻R1的确定：负载电阻的大小直接与补偿绕组的线径有关。图3.2为在保证图3.1中整流侧电压恒为20V的情况下，实际测得的补偿电流、负载电阻与原方输入电流的关系曲线图。从图中可看出负载电阻的大小对于保证整流电压维持在一个适当的范围非常重要。实际制作时选择线径为0.55mm的漆包线接上=100的负载。图3.2 补偿电流、补偿线圈负载电阻与原方输入电流关系曲线3.3 在线供能理论分析从以上原理分析可知在目前的技术情况下光电池供能方案要实现实用化还存在一些问题，而且成本很高，本节采用的方案是从高压母线上提取能量的悬浮式电源，即在线供能。在线供能是从高压母线获得能量，这样电源部分与传感部分同位于高压端，低电位点悬浮，这样就不存在高压绝缘的问题。这种方案虽然电子线路上稍微复杂一些，但是可靠性高，成本也比较低。但是母线电流变化范围大，而且暂态电流在达到数十倍的额定电流时还要保持电源稳定，比如在110kV母线上额定电流1000A，就要保证电流在达到100kA时电源还能正常工作。关键就是如何将母线电流增大引起的多余的磁势补偿掉，确保母线上提取能量而不影响互感器地正常工作。其供能框图如图3.3所示，基本结构如图3.4所示。 图3.3 一次侧电源功能框图 图3.4 一次侧电源结构图图3.4中，在一个铁心上缠绕两个绕组，用细的漆包线作为电源绕组。根据电磁感应原理，当高压母线上有交变电流通过时，缠在铁心上的绕组会在输出端产生电动势，当电动势足够大时，可以用来给高压端的工作电路供电。用粗的漆包线作为补偿绕组，来保证铁心不会饱和。虽然在线供能方案易于实现且成本低，但由于是从电网上获取能量，因此电源工作肯定会受电网电流的影响。当电网电流很小、获取能量过小时，传感部分的电子线路将无法工作，因此设计中要尽可能的使电源在小电流的情况下就能工作并且通过选用低功耗的元器件和尽可能的优化电路使元器件尽可能的少，减少工作死区的范围，这是采用此方法不可避免的弱点；当电网电流过大、获取能量过多时，必须采取补偿的方式，将过多的能量通过电磁场返还给电力线；还有可能在补偿跟不上的情况下，要确保电源和传感部分的电子线路受到安全保护。3.3.1 供能理论分析 我们这里的能量获取是通过类似变压器结构的器件获得的，即Rogowski线圈，也是通过一个铁芯将母线(即变压器的初级侧)通过磁场跟电源、控制及补偿线圈(即变压器的次级侧)联系的。在原理上跟变压器工作原理还正好相反。但是在此之前可以先了解变压器的工作原理，并且变压器的所有公式都可以用到补偿电路中，只是其中的常量变量有些需要交换一下，从而方便分析本文中电源补偿电路的工作原理。先分析最简单情况下，二次侧开路时可以推导得到的一些公式，再将这些公式加以反推就能深入理解补偿原理，如图3.5。 图3.5 变压器空载示意图 图3.6 变压器空载运行的电磁关系初级、次级侧绕组的匝数分别为、，次级侧开路即0。为外施于初级绕组上的交流电压，在外施电压作用下，初级绕组流通交流电流。这里次级侧开路，初级侧电流即空载电流，用表示。空载电流全部用以激磁，故空载电流就是激磁电流，用表示，因此有。激磁电流产生交变磁势，这个磁场可以分为主磁通和漏磁通两部分，主磁通，即图中的同时交链初级、次级绕组，因此又称互磁通，它是传递功率的，它所行经的路径为沿着铁芯的闭合磁路，磁阻小；漏磁通只交链初级绕组，所行径的路径大部分为非磁性物质，磁阻较大，漏磁通只占一小部分。 和都是交变的，根据电磁感应定律，将在其所交链的绕组中感应电势。此外，空载电流还在初级绕组中产生电阻压降。综上所述，可把空载运行所发生的电磁现象汇总，如图3.6所示，虚线框内为磁路性质，以外为电路性质。由于磁势与电流关联，磁通与电势关联，因而可以把全部电磁现象用电路方程描述。在变压器中的电压、电流、电势、磁势和磁通都是时间函数，是正负交替变化的量。因此必须规定出一个正方向，并用箭头表示方向，在电机理论中，习惯上规定电流的正方向与该电流所产生的磁通正方向符合“右手螺旋”定则，规定磁通方向与其感应电势的正方向也符合“右手螺旋”定则。这意味着在电路理论中常把电流的正方向与电势的正方向取得一致。图3.5里的箭头方向就是按照这一规定画的，从图中可以得到变压器空载时的电压平衡式 （3.2） （3.3） 式中、和分别为初级、次级电势和初级漏磁电势，为次级空载电压，为初级电阻压降，为外施电压 。空载时，和都非常小，为分析方便忽略不计，则有。一般外施电压都是正弦波，则、和 都是正弦波。设，则 （3.4） （3.5）式中，为主磁通最大值；为正弦波角频率；、分别是初级、次级绕组电势最大值，将其化为有效值有： （3.6） （3.7） 和在相位上滞后磁通比较式(3.6)和式(3.7)可得 （3.8）就是我们称的电压变比，它决定于初级、次级绕组匝数之比 。如果略去电阻压降和漏磁电势，则有 （3.9）从式(3.4) 和(3.9)可得到，对于一个结构材料一定的变压器，其主磁通跟初级侧提供的电压成正比，而主磁通是由激磁电流产生的。那么就有必要了解一下激磁电流，总的来说激磁电流的大小和波形将受到磁路饱和、磁滞及涡流的影响。在这里，磁滞以及涡流因占比例比较小，对激磁电流影响不大，可以忽略不计。下面主要分析一下磁路饱和与否对主磁通的影响 。磁性材料饱和程度决定于铁芯磁通密度。一般0.8T时，磁路开始饱和，呈非线性随激磁电流的增大，导磁率逐渐变小。 具体在补偿电路中磁通与激磁电流的关系我们将在后面详细分析。图3.7为磁化曲线图。 图3.7 磁化曲线 图3.8 变压器负载运行图 从以上对空载变压器工作原理的分析我们知道了磁通与初级、次级绕组的函数关系，还有激磁电流与磁通的函数关系。空载时，次级电流及其磁势为零，次级电路的存在对初级电路毫无影响。 但是带载后，次级绕组便流通电流，次级电流的存在，建立起次级磁势，它也作用在铁芯磁路上。因此改变了原有的磁势平衡，迫使主磁通变化，导致电势也随之改变，电势的改变又破坏了原有的电压平衡，迫使原电流随之改变，直到建立新平衡。变压器带载运行如图3.8所示次级电流为,由次级电流所建立的磁势为。初级电流所建立的磁势为 ，负载后作用在磁路上的总磁势为。根据安培环路定律应该满足 （3.10）即负载时作用在主磁路上的全部磁势应等于产生磁通所需的激磁磁势，称为磁势平衡式。由磁势平衡式可以求得初级、次级电流间的约束关系，这对我们以后的分析是很有用的。将式(3.10)除以并移项得 （3.11）式中，称为初级电流的负载分量。 有了以上的理论就可以针对要实现的电源进行分析了，电源就是要达到有稳定的 5V、18V直流电压输出给高压侧的电子电路。因为处于高压侧，母线对地电压上万伏，不可能从地面提供只能从高压母线上直接取得，获得低电位悬浮的电源。要得到稳定的直流电源，就要通过电磁感应从母线上提取电流，经过整流滤波再经稳压电源模块输出。但是电源模块的输入电压有范围限制。因此必须使从母线上提取的输入电压不能过高，以免烧毁电源模块。如图3.9所示为类似变压器结构(我们就称它为电源互感器)，在现在条件下二次侧只有电源绕组时的运行图。图中跟变压器负载运行图只是一次侧多了一个负载。这个负载就是母线的负载,在用电高峰时，负载就大，在用电低谷时，负载就小，因此它是变化的，而且我们只是在其中取少量能量，因此加载在初级侧的电压跟变压器所加的已知电压值并不一样。变压器电压是正弦恒定的，这样磁通也是正弦波。而这里的母线电流是恒定的正弦波，所以激磁电流也是正弦波，这是与变压器根本的不同之处。因此根据式(3.6)和式(3.10)可知，它的磁通并不是由初级电压决定的磁通是随着母线电流变化的，因为在互感器用到的母线电流的额定值达到了1 kA，那么很显然在这么大电流作用下，对于一般的铁芯，磁通肯定会达到饱和，而且次级侧的电流值也会不断增大。 图3.9 电源绕组的运行图下面定性地分析一下图3.10中各曲线之间的关系，并可以在分析中得到我们将会遇到的问题和可以采取的解决方案。如图3.10中是铁芯未饱和时的正弦波激磁电流，根据磁化曲线，我们可以得到磁通量的波形图中，因为未饱和时，磁通跟激磁电流是线性关系，所以得到的磁通量也是正弦波，再根据式(3.4)磁通跟感应电势关系可以推出分别在初级和次级侧感应电势的波形，它也是正弦波，这个波形幅值不是很大，对我们提取能量很方便，而且不会对母线上的电流波形产生畸变影响，不影响传感头的波形。但是随着母线电流的增大，铁芯就会饱和，所以磁通的增加就会变小，而且次级侧的电势幅度必然增加，这对电源模块也是有害的。而且随着激磁电流的增加，如图3.10因为进入磁化曲线非线性区，磁通变成了一个近似平顶波，再根据式(3.4)对磁通求导得到的感应电势变成了类似脉冲波，而且其幅值很大。再根据次级侧的电路平衡关系(为分析简便,这里忽略了次级绕组的漏抗压降)，这样的波形对我们电源的实现是不利的。所以我们必须避免铁芯进入饱和状态，使感应电势趋向正弦波，并且在达到一定幅值之后不能增大，有利于电源电路的整流滤波和稳压输出 。图3.10 激磁电流、磁通、感应电势关系图第一种方法：为了使感应电势能基本按正弦波输出，根据式(3.10)就是为了保持不变，我们可以使激磁电流增加，但是这样铁芯会进入饱和非线性区，我们可以采取改变磁化曲线斜率来增加线性区。我们可以采取给铁芯环路增加空气隙的方法使起始磁导率不断减少，因为在磁通量不变的情况下，磁导率跟激磁电流成反比，从图3.11我们可以看到空气隙逐渐变大的磁化曲线图 。图3.11中曲线1到曲线3分别是无空气隙到空气隙逐渐变大。这一个方法不仅结构简单，无发热源，而且线性度好，但是母线电流大小是随机变化的，因此对空气隙大小无法灵活控制，因此我们没有采用这一方法。 第二种就是根据式(3.10)，我们可以把等式进行改造，把二次侧绕组电流分成三部分：电源绕组电流、控制绕组电流和补偿绕组电流。因此式(3.10)变成如下等式，这里将矢量化成标量了。 (3.12)图3.11 不同空气隙磁化曲线图式中、和分别是对应绕组匝数。为了保持磁通量不变，现在在铁芯不变的情况下如果母线电流增加，激磁电流也不能变，只能是二次绕组中电流增加。但是想要的电源绕组的电流不能增加才能保持电压的稳定，所以加了另一个补偿绕组，让增加的母线电流由补偿绕组电流平衡掉。电源上用到的电流只是很小的一部分，大部分二次侧电流都在补偿绕组。电流中为了能使补偿电流随母线电流线性变化，增加了一个控制绕组在实际方案中就是采取该方案，而且在理论上是可行的，接下来就要用具体电路去实现。3.3.2 绕组匝数 首先要选定合适的铁芯，铁芯的选择必须考虑电源的启动点，尽可能的使稳压电源在尽可能小的母线电流下就能稳定输出5V和18V，减少互感器盲区。因此必须使稳压模块输入电压能随母线电流的增加尽快能达到8V和20V，这样就要求激磁电流要小。但是激磁电流也不能太小，必须能提供足够的感应电势。还有一个因素是，补偿绕组起始工作点不能太接近非线性区；否则，补偿绕组如果不能及时跟上，铁芯很容易进入非线性区。在现有能买到的铁芯型号中，我们选用了激磁电流时，处于线性区，即主磁通和感应电势都为正弦波的环型铁芯。铁芯内径4cm，外径7cm，宽3cm。各绕组示意图如图3.12，为了分析简化，我们假设二次侧各绕组都开路估算一下电源绕组需要的匝数，二次侧开路电压满足式(3.9)再根据式(3.10)要得到8伏感应电势必须满足 （3.13）图3.12 各绕组示意图又因为，我们的电流为工频电流。在前面章节曾提到一般磁性材料在的情况下处于线性区，因为磁通密度在实际中测量难度很大，在这里要求铁芯不能进入饱和区，但是为了有足够的电源模块输入电压，又得使激磁电流足够大，使铁芯接近饱和，此时，将以上各参数代入式(3.13)可得 （3.14）同理，我们能推导得到在要求输出20伏特感应电势时，匝。以上是在二次侧开路下的估算结果，而电源电路要求分别提供电流、，在理论上这个二次电流本身也起到了补偿作用，因此根据式(3.13)在不变的情况下，感应电压减小，因此为了得到8伏特输出必须增大。精确取二次侧匝数多少在理论上很难计算，但是根据分析和反复的实验，我们最终取100、260、260。在接上补偿电路后，实验数据表明这一参数能满足我们的要求。 这里的控制线圈匝数我们取了300匝，提取大约1毫安电流作为补偿电路的控制信号。 将以上参数、，代入式(3.12)，则有 （3.15）这里的铁芯在时，即激磁电流的幅值时，处于线性区。二次侧电压波形和主磁通均为正弦波。而在激磁电流超出22 A时，将进入非线性区，主磁通波形进似圆顶波而二次电压波形为尖峰波。为了使各电源输入电压基本保持不变而且不影响传感头波形需要让激磁电流工作在线性区。而且，如果我们取补偿线圈匝数式(3.15)可化简为 （3.16） （3.17）根据式(4-17)我们可以得到与的关系，如表3.1 表3.1 时与的对应关系100200300400500600700800900100012000.3660.4760.8660.9761.3661.4761.8661.9762.3662.4762.8662.9763.3663.4763.8663.9764.3664.4764.8664.9765.8665.976 同理，我们可以得到时，与的关系，见表3.2。表3.2 时与的关系10020030