有源式电子电流互感器高压侧供能电路的设计研究毕业设计说明书

1、有源式电子电流互感器高压侧供能电路的设计研究毕业设计说明书摘要摘要随着高压输电工程的开展，我国的电压等级向更高迈进。以及电力系统朝大机组、高电压、大电网、高自动化方向开展,系统的短路电流愈来愈大,传统的电磁式电流互感器的弊端日益凸现,而基于Rogowski线圈原理的有源型电子式电流互感器(ECT)因其测量精度高,响应速度快,无磁饱和等优点，于是电子式电流互感器已经成了国有源式 高压侧电源 供能方式IAbstractAbstractAlong with the development of hv-transmission project, our voltage rating to higher

2、 ahead. And power system toward large units, high voltage, power grid, high automation direction, system short circuit current, the traditional assolenoid style increasing the disadvantages of current transformer is the protruding, and based on the principle of the active Rogowski coil electronic cu

3、rrent transformer (annual autocatalyst output) because of its high measurement precision, fast response, without magnetic saturation, etc. So electronic current transformer has become the hotspot research at home and abroad, but active type of high pressure side annual autocatalyst output signal pro

4、cessing unit must have the power supply, and therefore active electronic instrument transformer of high voltage side circuit problem is powering the key technology research work.This paper firstly reviewed briefly the electronic current transformer is research status and development trend, then the

5、key introduction active electronic current transformer in high pressure side of the power supply circuit, the working principle of electronic current transformer is analyzed, and the research situation at home and abroad are discussed, based on the principle of the active type Rogowski coil the over

6、all design annual autocatalyst output, and some useful conclusion are obtained. Current transformer is the important equipment power system, this paper selects a kind of suitable for active electronic current transformer is powering the high-pressure side, the design of power by CT take the rectifie

7、r, filtering, voltage circuit, such as processing, subsequent to high voltage side provide stable 12V voltage. PCB design of the circuit is completed by protel. The experiment is done with the circuit, and the test results are quite well. Keywords：electronic current transformer; active; high voltage

8、 power supply ; supply methodII目录目录摘要 ···········································

9、3;·················································

10、3;································ I Abstract ···············

11、3;·················································

12、3;·················································

13、3;·· II1绪论 11.1引言 11.2电磁式电流互感器面临的主要问题11. 3电子式电流互感器的更高要求 .11.4电子式电流互感器的生产及影响 .21.5电子式电流互感器的主要特点 .31.5.1电子式电流互感器的优点31.5.2电子式电流互感器的缺点 .41.6电子式电流互感器的发现状及应用前景51.7电子式电流互感器的研发难点及解决途径 .71.8本论文研究的主要 .92.2常规电子式电流互感器原理概述 .92.3电子式电流互感器的简介 .102.4电子式电流互感器的工作原理 .112.4.1无源式电子电流互感器的分类 .122.4.2有源式电子电流互感器 .1

14、42.5电子式电流互感器的根本结构 .192.6本章小结 .203高压侧供能电路的研究 .223.1有源电子式电流互感器的根本原理 .223.2几种供能方法的分析比拟 233.3已有供能方法的改良 .273.4组合供能方式的探讨 . 273.5新技术应用的可能 .273.6高压侧供电电路电源方案探讨 .283.7电源具体实现方案 .303.8原理图设计.35III目录3.9本章小结 .36 结论 .37致谢 .38参考文献 .39 附录大图电路原理图 40 IV河北工程大学毕业设计说明书 1 绪论1.1 引言电流互感器是电力系统中较重要的高压设备之一，它被广泛地应用于继电保护、电流测量和电力系

15、统分析之中。然而，随着现代科学的开展，许多传统的电力电气设备都已被采用高新技术的新设备取代。作为这一趋势的一个崭新的例证，电子式电流互感器ECT将有可能成为传统的电流互感器CT的更新换代产品。1.2 电磁式电流互感器面临的主要问题传统的电流互感器是电磁感应式的，它的主要优点在于性能比拟稳定，适合长期运行。但随着输电线路电压升高到超高压与特高压，传统的充油式CT已暴露了出一系列内在的、致命的缺点，主要表现在：潜在的突然危险，例如，突然性爆炸及绝缘击穿引起单相对地短路等系统的不稳定因素；假设输出的二次测负荷开路将会产生高压，对配电设备甚至人身平安造成危害；随着电网电压等级的不断提高，绝缘问题的解决

16、，必然使得电流互感器体积增大，本钱增高，设备变得极为笨重；由于电磁感应式电流互感器是用铁心制成，因此，对高频信号响应特性较差，这样，对高压线路上的暂态过程不能正确反响。它的二次侧输出对负荷要求很严格，假设二次负载较大，测量误差就增大，准确度下降；对于高压及特高压电厂站来说，占地面积较大，传输二次侧的电信号距离较远，故要求使用的二次侧电缆的横截面积增大，容易产生干扰；维护工作量大，如对于油浸式电流互感器还要定期对绝缘油进行化验、测介质损耗和解决渗漏油等问题；目前使用的电磁式电流互感器在正常工作时磁通密度很低，而在系统发生短路故障时，由于远方短路电流很大，使磁通密度大大增加，有时甚至远远超过饱和值

17、，从二次侧的电流与原电流相比，在大小和相角上不可防止地出现误差。13电子式电流互感器的更高要求我国超高压输电工程的开展，电压等级大幅增加，电网容量越来越大，对互感器提出了更高的要求，主要表达在以下几个反方面：1.向更高的电压等级迈进，要求绝缘平安可靠。对电压互感器而言，其绝缘应证在电网最高工作电压下长期工作，同时可以承受各种短时的过电压作用而不受损伤；1河北工程大学毕业设计说明书 2.当温度设计可靠，动热稳定性好。对电流互感器而言，在母线通过最大电流时，互感器各个局部的温升不允许超过设定值，以保证平安运行。同时在大电流下，一，二侧绕组要能够承受电动力的作用而不损坏。对电压互感器来说，要确保在一

18、次电压 下，二次侧发生短路并历时1S时间内，互感器无热效应和机械性损伤；3.小型化，维护方便，适应市场和用户需求。1.4 电子式电流互感器的产生及影响随着超高压输电网络的建设，冲击电流达10 A甚至更大的电力装备的应用，传统的电磁式电流互感器很难满足电力系统的进一步开展要求，需要更理想的新型电流互感器。一种基于现代光电、半导体技术和计算机技术成就而开展的电气测量的新方法应运而生。与的在高压侧装置的一次和二次回路之间利用磁的，电的，无线电的，热的，辐射的，光耦合为根底的电流测量方法一样，光电方法是最有开展前景的方法之一。光电测量的物理原理是将输入的电信号变换成为光信号，光信号沿光通道传输又重新变

19、换成为带有后级放大的电信号。这一电信号经过后级信号处理电路的处理后，将传送给计算机或继电保护等装置。利用光纤技术把高电位的电气信号传输到地面，可以很容易的解决绝缘问题。高压输电线上的电流测量问题完全可以用光纤技术来实现，利用光学和光纤通讯技术的研究成果，世界上的一些兴旺国家已经研制出了多台电子式电流互感器。这些新型的电流互感器具有高的测量精度，大的动态电流范围和宽的频率测量特性，能够满足表计和继电保护的数字化。这些电流互感器的根本测量局部与电压等级无关，应用于不同的电压等级时只要改变光纤的长度和绝缘套管的长度就可以了。电子式电流互感器对变电站自动化系统的影响主要有：(1) 简化了继保设备:目前

20、电力系统中广泛用以微机为根底的数字保护，不需要大功率驱动，只需弱电信号就可以了，因此采用光电互感器不必经过电量变送器就可以将高电压，大电流变换为微机保护所需的电压电流水平。光电互感器模拟输出省去了继保的小CT,PT,光电互感器的数字输出省去了继保的AD.(2) 促进了微机保护的精度和可靠性：光电互感器促进了微机保护的开展，提高了微机保护的精度和可靠性，例如纵差保护的可靠性大大提高。 62河北工程大学毕业设计说明书 (3)对电力系统的故障快速响应，灵敏性高：现有的保护装置由于受传统的互感器性能的限制，其保护原理根本上是基于工频量进行保护判断的。易受过渡电阻和系统振荡，磁饱和等影响，其保护性能难以

21、满足当今电力系统向着超高压，大容量，远距离方向的开展要求。利用故障时的暂态信号量作为保护判断，是微机保护的开展方向。它对互感器的线性度，动态特性都有较高的要求，光电互感器能满足这一要求，而传统互感器那么不能。(4) 促进变电站自动化的开展：光电互感器与 微机保护接口的标准化将大大促进光电互感器和变电站自动化的开展。(5) 满足电力系统精确计量的要求：光电互感器的测量精度高，可以到达0.2级，测量范围宽；输出数字信号，更方便与数字电能表接口；可动态显示和存储电能，有功无功功率等参数。(6) 可方便实现电力系统自动化功能：将电压电流传感器集于同一绝缘结构中，构成组合型光电互感器，大大提高性价比；光

22、电互感器不仅可以做成独立式的互感器，而且可以装在GIS,PASS等高压开关和变压器的电流套管中，与其他光纤传感器一起使一次设备智能化和多功能化。(7) 有利于实现变电站数字化，光纤化和智能化：光电互感器的信号和传输形式都可以采用光缆实现，而光信号的突出优点和光纤通信技术的广泛采用使得变电站内部以及和上级站之间的数据传输更加可靠和迅速 。开创了未来光纤化变电站的美好前景。1.5 电子式电流互感器的主要特点1.5.1 电子式电流互感器的优点(1) 电子式电流互感器没有磁饱和，铁磁振荡等问题。由于电磁式电流互感器使用了铁芯，不可防止的存在磁饱和，铁磁共振和磁滞效应等问题，而电子式电流互感器采用的是磁

23、光玻璃，光纤或电子线路，不存在这方面的问题。(2) 电子式电流互感器绝缘结构简单，绝缘性能好。电磁式电流互感器的绝缘结构非常复杂，尤其是对于电压等级比拟高的电流互感器来说，绝缘局部要消耗大量的电工材料，体积也非常庞大；而电子式电流互感器由于采用了光纤和比拟轻便的绝缘子支柱，其绝缘结构比拟简单，绝缘性能也比拟好。3河北工程大学毕业设计说明书 (3) 动态测量范围大，精度高： 电网正常运行时，流过电流互感器的电流并不大，但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路故障时的电流越来越大。电磁式电流互感器因为磁饱和问题，难以实现大范围测量，不能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

24、很宽的动态范围，额定电流可测到几十安培至几千安培，过电流范围可达几万安培，一个电子式电流互感器可同时满足计量和继电保护的需要。从而防止多个CT的冗余问题。(4) 抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险：根据电磁式电流互感器的测量原理，它的二次回路不能开路，低压侧存在开路高压危险。由于光电式电流互感器的高压侧与地压侧之间只存在光纤的联系，而光纤具有良好的绝缘性能，保证高压回路与二次回路在电气上完全隔离，低压侧没有因开路而产生高压的危险，从而防止了电磁干扰的影响。(5) 频率响应范围宽：电子式电流互感器实际能测量的频率范围主要取决于电子线路局部，这种电流互感器已被证明可以测出高压电力线上的谐波，还

25、可以进行暂态电流，高频大电流与直流电流的测量。而电磁式电流电流互感器那么难以进行这诸多方面的工作。(6) 体积小，重量轻，运输与安装方便，节省空间：它可以用来测量电网中不同地点的电流。据美国西屋公司公布的345KV的光学电流互感器，其高度为2.7米，重量为109公斤。而同电压等级的充油电磁式电流互感器高为5.1米，重达2300公斤，这给运输与安装带来了很大的方便。因其重量轻，可以将其做成便携式的产品，用来测量电网不同地点的电流。(7) 没有因充油而产生的易燃，易爆炸等危险：电磁式电流互感器一般采用充油的方法来解决绝缘问题，这样不可防止的存在易燃，易爆炸等危险；而电子式电流互感器绝缘结构简单，可

26、以不采用油绝缘，在结构设计上就可以防止这方面的危险。(8) 适应了电力计量与保护数字化，微机化和自动化开展的潮流：根据目前的数字化继电保护的需要，电流互感器应该能够提供数字化的电流信号，电子式电流互感器与电磁式电流互感器相比更容易实现这些功能。可以广泛的应用于电流测量，继电保护，高频分析等各个方面。1.5.2 电子式电流互感器的缺点：(1) 由于电子式电流互感器运行温度在较大范围内变动，传感头对温度和振动比拟敏感。为了保证高精确度，稳定性和可靠性，电子信号处理局部的线路将比拟复杂特别是低电位侧的电子线路尤为突出。4河北工程大学毕业设计说明书 (2) 对于有源式电子电流互感器而言，传感头主要由电

27、子线路组成，必须要对电子线路提供可靠的供电电源。如果电源供给不稳定，将大大影响到系统的精确度。此外，供电电源所能提供的能量有限，所以电子电路的功耗不能太大，这样，如何简化传感头的电子线路成为另一个棘手的问题。但是，这些缺点被认为是暂时的，随着光电子技术和计算机技术的进步，这些缺点是可以消除的。1.6 电子式电流互感器的研究现状及应用前景早在20世纪60年代，一些科技兴旺国家就开始着手研究电子式电流互感器，而到80年代末期就已具运行价值。目前，全世界已投入运行的电子式电流互感器已有不少，有些公司已经形成正规产品投放市场，如ABB公司，在1991年就宣布生产了用于计量和继电保护用的345KV电压等

28、级的新型电流互感器。美国于 1988年左右就研制出用于 161KV 的电子式电流互感器，1992年又研制成功了345KV的电子式电流互感器。该互感器的最大测量值达2KA，准确等级为0.3级。此外，前苏联和日本也较早组织有关研究院和电力公司进行电子式电流互感器的研究，前苏联研制出电压等级达750KV的频率脉冲调制式的电子式电流互感器，而日本已研制成功300KV的电子式电流互感器及 1000KV的电子式电流互感器测量系统样品。在 2002 年国际大电网会议涉及保护与就地控制研究委员会的会议上，几个跨国公司介绍了他们研制和运用电子式电流互感器的成功经验。ABB 公司介绍了混合输入既有模拟量输入，又有

29、数字量输入的条件下误差保护的成功经验。西门子公司认为，采用电子式电流互感器、电压互感器的关键在于同步采样。解决的途径是：过采样，用极高的速率采样；在间隔层内实现同步；。由此引起的相角误差比拟大，大约相当于23度的角差。系统的角差并不能够满足一般电力系统的要求。有源式电子电流互感器的研制过程中面临的主要问题是高电位侧传感头的电源供给问题和电磁兼容问题。由于传感头完全采用了电子线路，而它的电源供给是通过光电池等光电转换器件得到的，如果传感头电子线路消耗能量过大，那么也必将要求能量提供单元提供更高的能量输出，这会将整个系统的结构复杂化。因此，应该尽量减少电子线路的功率消耗。以有限的能量实现较为完整的

30、功能。此外，由于传感头安装在高压输电线附近，电流流过母线将会造成空间强大的电磁辐射，这些辐射将对传感头电子线路产生比拟强的电磁干扰，影响系统的可靠性。因此，对传感头采用适当的抗干扰措施和电磁屏蔽方法也是非常必要的。(4) 有源组合式光电电流互感器有源组合式光电电流互感器的电路工作原理如图2-6所示,它同时可以实现电流和电压的测量。传感头的电源采用串级变压器供能。根据电路所处的电压环境可以分为高压端电路和低压端电路。高压端电路主要由电压电流传感器，信号放大电路，A/D采样电路与编码电路组成。电流传感器采用Rogowski线圈。由于是空心线圈，它具有以下优点：二次电压与一次电流，频率成正比：不存在

31、直流偏流和过电流的饱和问题，频率范围宽，响应快等。采用电容分压器提取电压信号，测量仅存在幅值误差而不存在角差问题。幅值误差完全可由CPU进行计算修正。为了提高测量精度以满足实际需要，测量电路设置8个档位，可测量40倍的额定电流与10倍的额定电压。电路可根据输入情况自动换档，并将档位状况送至A/D与编码电路，以便A/D选取模拟通道与对档位进行编码。编码的作用如下：方便提取时钟；提供桢的起始与终止序列；可采用前向过失控制纠错FEC编码后的信号经光纤传至低压端电路进行处理。在低压端电路中，信号经信号放大电路去噪整形后送至同步与解码电路。同步与解码电路的作用是产生时钟信号，转换结束信号与恢复原始A/D

32、信号。根据转化结束信号CPU对Rogowski线圈的测量结果进行积分计算，并对积分结果与电压采样信号进行幅值与相位角修正。为了便于使用，互感器提供了数字信号输出与模拟信号输出端口。数字信号输出端口为系统的自动化控制提供了方便，模拟信号输出端口为用户的改型提供方便。 18河北工程大学毕业设计说明书 图2-7 数字组合式光电互感器的电路原理结构2.5 电子式电流互感器的根本结构系统组成如图2-8给出了电子式电流互感器的整体结构图.系统分为高压端和低压端两局部,高压局部包括传感头,转换器,电压和温度的监视电路,电源局部,低压局部包括时序控制发生器,数据存取以及与机接口电路,模拟量输出局部.系统中的高

33、压局部和低压局部用既能传输光信号有能起绝缘作用的光纤连接起来.19河北工程大学毕业设计说明书 2.6 本章小结本章主要介绍了几种电子式电流互感器的根本工作原理。总体上讲，这几种光电电流互感器的可行性都比拟高，但各有其优缺点。 图2-8 系统组成结构图20河北工程大学毕业设计说明书 无源式电子电流互感器的优点在于其传感头在设计上没有电源供给的问题，但是这种互感器在技术上与磁光材料的选择有密切的关系，而且，磁光材料在外界环境的温度压力等参数变换的情况下的稳定性也是一个技术上难以解决的问题。有源式电子电流互感器的优点在于采样精度比拟高，结构更加简单，比拟容易和计算机实现直接通信，但是它的缺点在于传感

34、头的电源供给和传感头的工作稳定性的问题，存在精度低，电子线路工作不稳定以及抗干扰能力差等缺点。综合以上情况， 21河北工程大学毕业设计说明书 3高压侧供能电路的研究3.1 有源电子式电流互感器的根本原理典型的有源式电子电流互感器的根本原理见图3-1，它分为高压侧电路，低压侧电路以及光纤传输3个模块。 其中，高压侧电路的作用是将传感元件的输出信号进行模拟量与数字量的转换，以方便利用光纤进行信号的传输，而低压侧电路的作用那么是将光纤传送下来的信号进行处理，并将结果送入相应的测量与继电保护设备。可见，为了确保高压侧电子电路的正常工作，必须提供稳定，可靠的工作电源。图中的虚线给出了几种可能的供电方式，

35、这里采用虚线的目的是说明可能的供电方式有很多种，而在实际应用当中通常是在众多方式中选取某一种。 传感元件 取能元件22河北工程大学毕业设计说明书 图3-1 有源式电子电流互感器的原理图3.2 几种供能方法的分析比拟目前常用的供能方式主要有利用电流互感器CT或电容分压器从母线上取电能,激光供能,太阳能供电及蓄电池供电等,下面就对这些方法的优缺点进行详细的分析比拟.(1)利用CT从母线上取电能利用CT从母线上取电能的典型电路见图3-2。其根本工作原理是高压侧电路的供电由特制取能CT二次侧的感应电压变换得到,通过整流,滤波,稳压等后续电路处理后,提供给高压侧电子电路所必需的电源. 采用这种方法面临两

36、个困难:当母线电流处于空载等小电流状态时,如何保证电源的正常供给;而当母线处于超过额定电流的大电流状态,甚至是短路故障电流时,又要给予电源板足够的保护。 铁心 控制线圈 高压母线 电源线圈 供电图3-2 利用CT供电的典型电路示意图为了解决这些问题,采取了多种措施:一是对CT铁心材料进行筛选, 选择坡莫合金构造特制CT;二是设计了相应的控制方案,确保在母线电流变化比拟大,尤其是出现大电流的情况下,能够有稳定可靠的电源输出。采取这些措施后,在31000A的电流变化范围内,取得了5V的稳定电压输出。另外，选取铁基纳米晶材料构造CT铁心，并在过电压防护，能量泄放电路，电磁兼容设计等方面进行了深入研究

37、，能够提供两路5V和一路±12V电源。各路电源的纹波均小于20mV提供的总功率为200mW确保了高压侧电23河北工程大学毕业设计说明书 路的正常工作.基于这种供能方式设计出了相应的电子式互感器样机,取得的效果还是令人满意的。(2) 利用电容分压器从母线上取电能利用高压电容分压器取电能的思想类似于CT取电能,都是就近取材的想法.其根本电路见图3-3。高压电容分压器从母线上取得电能后，也要经整流，滤波，稳压等处理措施，然后才能够给高压侧电路供能。在这方面进行了细致的研究，通过调整电容C的大小来获取不同的电流输出,从而到达设计的功率要求。 图3-3 电容分压取电能电路示意图采用该方法面临着

38、比CT取电能更大的困难，首先是如何保证取能电路和后续工作电路之间的电气隔离问题，这要求更为严格的过电压防护和电磁兼容设计；其次就是这种方法有着更多的误差来源，温度，杂散电容等多种因素都将影响该方法的性能。因此获取电源的稳定性和可靠性较CT取电能方法为差；另外就是采用这种方法得到的功率有限，虽然可以通过改变电容C的大小来调整功率输出，但过大的电容将会带来更多的问题。(3)激光供能激光供能的根本原理见图3-4。该方法采用激光或其他光源从低电位侧通过光纤将光能量传送到高电位侧，再由光电转换器件光电池将光能量转换为电能量，经过DC-DC变换后提供稳定的电源输出。由于激光二极管的工作原理可以确保光供率在

39、一定24 r河北工程大学毕业设计说明书 温度条件下的稳定，所以通过光电池转换后得到的电源也相比照拟稳定，且电源的纹波也比拟小，噪声低，不易受到外界其他因素的干扰。当然，这种方法也存在缺乏，由于受激光输出功率的限制，特别是光电池转换效率的影响，该方法提供的能量有限，因此对高压侧电路提出了微功耗设计的要求，加大了电路设计的难度。由于该方法的优点突出，因此在诸多供能方法中得到了最为广泛的重视。ABB公司研制的激光供能电子式电流互感器从350kV到 500kV乃至直流都已经在现场运行,激光管的输出功率1.5W寿命10万小时。而在我国那么只有西门子公司生产的激光 图3-4 激光供能方法的根本原理供能式的

40、电子式互感器得到了成功的现场应用，在广州某变流站里已经平安可靠地运行了几年。美国Photonic Power Systems 公司研制成功的激光供能电子式电流传感器,激光管输出功率为250mW光电池光电转换效率高于40%。而在激光供能结构的设计上，经过细致深入的研究，提出了3种设计方案：1采用波分技术WDW在一根小芯径光纤上同时传输能量和数据。2采用一条单模通信光纤传输数据，同时使用另一条大芯径光芯传输能量。3采用一条单模通信光纤传输数据，同时使用多跟大芯径光纤传输更多的能量。目前普遍采用的是利用不同的光纤分别传输数据和能量，而传送能量的光纤数目那么可根据求灵活选取。 25河北工程大学毕业设计

41、说明书 (4) 太阳能供电太阳能电池的多年研究与开展积累下来的经验使得其在有源电子式互感器中的应用成为可能。图3-5就是其应用示意图，由于太阳能电池SB的输出易受光强，外界环境温度变化，季节变化等因素的影响，所以为了获得稳定的电源输出，必须与二次电池B构成组合电源系统，防反二极管 D的作用是防止二次电池对太阳能电池的反向充电。基于这样的设计实现了对电力系统中大电流的测量，被测电流在227500A之间时，测量结果的准确度为1.5%。 图3-5 太阳能电池供电电路 R1 但是采用该方法的缺乏之处在于：1. 本钱比拟高;2. 存在太阳能电池和蓄电池的功率配合问题，而且蓄电池的储能容量有限；3.受温度

42、影响比拟大，由于光吸收系数与温度有光，环境温度的变化对光电池的响应度和暗电流有较大的影响；4输出功率受负载影响大；5使用寿命受蓄电池寿命的影响，由于处于高压侧，变换不容易。5 蓄电池供电该方法采用蓄电池对高压侧的电子线路进行供电，电池的能量来自高压母线电流，接在母线上的经过特殊设计的电流互感器或电容分压器构成蓄电池的交流充电电源，经过稳压和整流后对电池进行充电。采用这种方法的优点是结构简单，实现起来比拟26河北工程大学毕业设计说明书 容易，但是蓄电池的寿命比拟短，且由于放在高压侧，更换起来比拟困难，因此在实际应用当中很少被采用。一般情况下，该供能方式都被用作辅助式电源，将该方式和CT供能相结合

43、对高压侧电路进行供电，在母线电流比拟小的情况下启动蓄电池进行供能，两者取长补短，取得了满意的效果。但是采用这样的方法在制造本钱及可靠性方面还存在不少问题，因此不应该成为将来的开展方向。3.3 已有供能方法的改良这里主要讨论有实用化前途方法的改良,也就是说对CT供能方法，激光供能以及太阳能供电方法的改良。对于CT供能方法来讲，努力的方向是确保该方法有尽可能宽的工作电流变化范围，为此将研究重点放在铁心材料的改良上，坡莫合金，微晶合金等饱和磁感应强度低，导磁率高的材料受到了青睐，取得的成果也令人鼓舞。研究成果说明已经可以在3A以上的电流取得稳定的电压输出，根本上能够满足现场应用要求。而对于激光供能方

44、法，一方面是大功率激光器的研究，另外就是光电池转换效率的研究，这两方面取得的研究成果是可喜的，且已经根本到达商业化的程度，但是有一个问题也还要引起注意即连接两者的光纤材料性能问题，如果其性能得不到提高， 那么只能够通过增加光纤的数目来传输更多的能量，但这样做的本钱将有所增加，因此也有研究人员在这方面做了工作。对太阳能供电方法，虽然目前应用还比拟少，但是随着太阳能电池性能的大幅提高，其应用前景也会越来越广阔。目前，普遍使用的太阳能电池的光电转换效率最高为20%，但是美国的研究人员已经利用太空太阳能电池的研究成果将这个指标提高到了32.3%。如果能在太阳能电池输出的稳定性方面有更大的进步，该方法在

45、实际应用当中将会更有吸引力。3.4 组合供能方式的探讨鉴于目前所有的供能方法在应用中均存在一些问题，因此组合供能的方法得到了人们的关注。前面已经提到了一些组合供能的方法，如太阳能电池和可充电电池的组合，CT 供能和蓄电池的组合等。应当说，组合供能方法的初衷是好的，取长补短以提高性能，但是采用这种方法有可能提高制造本钱，且在结构的复杂性方面及两种供能方法的可靠切换方面都存在问题，因此只能作为一种过渡方案。随着科学技术的开展以及一些供能手段的日益成熟，这种方案终将遭到淘汰。3.5 新技术应用的可能27河北工程大学毕业设计说明书 近年来， 一些新的供能手段在某些领域得到了成功的应用，从而提供了将其应

46、用于有源电子式互感器的可能。超声波供能的原理就是利用地面上的超声波振荡器驱动一个与玻璃纤维棒相连的石英传感器，纤维棒的另一端延伸到需要供能的电子线路局部，用一个相同的石英传感器将超声波转换为电能。国外研究人员主要将其应用到微操作机器人领域，已经取得了一些成功的经验。但是应用这种方法存在的主要问题是：超声波设备的造价以及转换器的转换效率，所以这种方法还没有到达真正实用化的程度，仍然需要进一步的研究。微波输能的研究最早可以追溯到20世纪 50年代，美国空军于 1964年研制成功 S 波段微波功率驱动的直升飞机。该飞机通过安装在机身上的整流天线直接从微波波束中提取高频能量，已经可以获得200W的功率

47、。典型的微波输电系统的结构见图3-6 。可以看出，微波输能是一种无线输能的方式，由于微波在空气中传输的过程中损耗极小， 且无线供能的方式实现简单，方便，因此微波输能的开展得到广泛的重视，其在军事领域的应用已经取得了很多有价值的成果，在其他领域的应用也正在进行中。 图3-6 微波输电系统的典型结构示意图假设将其应用到有源式电子电流互感器，还有几个问题需要注意。一是接收天线的设计问题，特别是在天线面积及其放置方式的设计上，应当防止天线放置方式对绝缘设计的影响；另外就是微波输电是否会对变电站其他设备的正常运行带来干扰信号，尤其是数据通信及继电保护设备的动作方面，更应引起注意。不过由于这种方式输送的能

48、量要远比激光供能的大，所以如能在关键技术问题上取得突破，应用前景还是比拟明朗的。3.6 高压侧供电电源方案探讨高压侧电源的电路问题,是电子式电流互感器的技术难点.供电方式有激光供电,太阳能电池供电,超声波供电等.这些方式的能量都取自外部,不受电力系统运行状况的影响.激光供能属于低压侧外部电源供电方式,稳定性好,但价格较高.其它两种供电方式较难实现,本钱高,不符合实际.目前，较成熟的电源方案有以下两种：28河北工程大学毕业设计说明书 (1) 低端供电方式：由低压侧将电源能量推动半导体激光二极管LD发光，利用光纤将激光能量传递到高端见图3-7。高压侧利用光电池PPC将光能转化为电能，经DC-DC变

49、换后给高压侧测量设备供电。优点是电源能量供给恒定，不受母线电流大小和电压上下的影响。但受光电池转换效率和激光二极管发生器的价格限制，造价昂贵，限制应用。(2) 高压侧供电方式：高压侧线路电源完全由高压侧电流感应产生，又称悬浮式电源。UL=IZ0Z1/Z0+Z1 其中，Z0为可控阻抗；Z1为负载等效阻抗；r0=1/Z0;r1=1/Z1. 如设计Z0=1/I/UL-(1/ Z1),就可输出恒定电压。高压供电电源 图3-7 低端供电方式293.6.1 河北工程大学毕业设计说明书图3-8 悬浮式电源等效电路只考虑幅值时可分三种情况讨论： 1母线电流小Ir1UL电源死区；2母线电流为临界r1UL时，正常

50、工作； 3母线电流大r1UL时，Z0起分流作用。3.7 电源具体实现方案 方案一：原理图见图3-9:电源输出电压为：udjd10=W0dt=W L1dt-W2 Ld2dt电源线圈控制线圈图3-9 工作原理图30(3.6.2)供电 河北工程大学毕业设计说明书 变压器的选择：电源变压器工作在线性范围 (3.6.3) 2感应电势有效值为：E2=wN2/2fm=2pfN2BS (3.6.4)公式中，N2为二次侧线圈匝数；f为磁路中磁通；f为电网电压频率50HZ；B为铁心磁感强度；S为铁心截面积。可见，只要增大N2,B或S就可以提高变压器的二次侧感应电势。需要注意的是在线性范围 (3.6.5) 2实物图

51、如图3-10： 图3-10 电源变压器整流滤波局部：从感应线圈感应出的交流电压信号经整流滤波电路转换为直流电压31河北工程大学毕业设计说明书 信号。这一局部的电路设计选用型号为D4SBA60.23的单相整流桥并联2200mF大电容来实现。稳压局部：此电压信号再经稳压器可获得稳定的电压。稳压器件选用7812和7912芯片，原理图如下列图所示： 图3-11 7812原理图 图3-12 7912原理图通过使用这两个稳压器可将电压稳定在±12V。整流滤波局部和稳压局部电路实物连接图如图3-13所示： 图3-13 整流滤涉及稳压电路图32河北工程大学毕业设计说明书 方案二：基于复合式开关电源的

52、设计原那么，我们设计了一台高效精密的本安电源。其电源框图3-14如下： 图3-14电源框图由于该电源必须符合本质平安的要求，设计好的电源除了能够给用电系统的电路提供持续的、稳定的能量外，还必须使系统能够免受外部的侵扰，并且也能防止系统对其自身作出伤害，即使电源内部发生故障，也不能造成系统一起出现故障。因此整个电源系统必须具备较好的过压、过流、过热等必要的保护措施，同时也要控制高频噪声的产生和辐射，以使整个电源系统产生的电磁干扰降低到国家允许的标准范围内。为了到达上述要求，输入滤波局部采用一个三级EMI滤波器，电路图如下： 122uH122uH图3-15三级EMI滤波器其中共模滤波器中的扼流圈绕

53、组是同相的，但是流经绕组的电流是反向的，从而使磁心内产生的共模交流磁通量相互抵消。电路的后一局部是差模滤波器，其转折频率一般情况下与前面的共模滤波器相同，但其阻尼因子要低得多，差模滤波器由每条线路上的独立的扼流圈组成。开关电源局部选用美国PI公司生产的TOPSwitch-GX第四代单片开关电源集成电路TOP246Y。该芯片开关频率为132KHz，而且当开电源的负载很轻时，能自动将开关频率从132KHz降低到30kHz, 从而降低了开关损耗、提高了电源效率，同时该芯片还采用了EcoSmart的节能新技术，显著降低了芯片的功率损耗，当输入交流电压时230v时，芯片功率损耗仅为160mW. 其原理图

54、如下：0.1u/630v33uH/2A0.1u/630V0.05u/4Kv 33河北工程大学毕业设计说明书 图3-16TOP246Y原理图其中漏极管脚D为高压功率MOSFET的漏极输出，通过该脚从高压开关电流源输入内部，从而启动偏置电流。控制管脚C用于调节占空比的误差放大器和电流输入脚，在正常操作期间通过连接至内局部流调节器来提供内部的偏置电流，也可以作为电源的旁路电容以及自动重启和补偿电容的连接点。源极管脚S，当它和输出MOSFET的源极连接时，可得到高压功率回馈。电压检测管教L作为欠压保护、过压保护、减少漏极的线性前馈以及远程开关等功能的控制引脚，当L与S短接时，各项功能都不起作用，当L串

55、联电阻接至电源母线时，可以实现欠压保护、过压保护、减少漏极的线性前馈等功能，当L通过电阻与C连接病外接一级开关信号放大器时可以实现远程控制开/关的作用。外部限流管脚用于外部电流限制值得设定，当其串联电阻接至地线时为外部可编程精确设定限流值，当串联电阻接至电源母线时可随母线电压调节限流值。频率管脚F用于选择开关频率，当F与S相连时，开关频率为132kHz，当F和C相连时，开关频率66kHz。电源启动时，连接在漏极和源极之间的内部高压电流源向控制极充电，在RE两端产生压降，经RC滤波后，输入到PWM比拟器的同相端，与振荡器产生的锯齿波电压相比拟，产生脉宽调制信号并驱动MOSFET管，因而可通过控制

56、极外接的电容充电过程来实现电路的软启动。当控制极电压Uc到达5.7V时，内部高压电流源关闭，此时由反响控制电流向Uc供电。在正常工作阶段，由外界电路构成电压负反响控制环，调节输出级MOSFET的占空比以实现稳压。当输出电压升高时，Uc升高，采样电阻RE上的误差电压亦升高。而在与锯齿波比拟后，将使输出电压的占空比减小，从而使开关电源的电压减小。当控制极电压低于4.7V时，MOSFET管关闭，控制电路处于小电流等待状态，内34河北工程大学毕业设计说明书 部高压电流源重新接通并向Uc充电，其关断/自动复位滞回比拟器可使Uc保持在4.7V5.7V之间。下列图所示是其运行波形图，中a图为正常运行波形，图

57、为自动重启波形。自动重启电路具有一个八分频计数器，可以阻止输出级MOSFET再次导通，直到八个放电-充电周期完成为止。因此，在自动重启期间，占空比控制在%左右可有效地限制芯片的功耗。自动重启动电路一直工作到Uc进入受控状态为止。TOPSwitch-GX第四代单片开关电源集成电路的优点如下：1更宽的输出功率范围，最大可达290W; 2可减少外围器件的损耗; 3在极低压或过压时能实现完全软启动，进一步减小了器件在启动时的电压、电流应力； 4外部可编程精确地设定限制电流，减小了变压器铁芯体积，提高了电源效率; 5更大的占空比，能提供更大的输出功率并减小了输入电容; 6在Y、R、F型式封装中将电压检测管脚与限流管脚分开封装，提高了设计的灵活性; 7欠压保护，不会造成误关断;8有过压保护，可以限制浪涌电流; 9采用线电压前馈,减小了低压时的输出电压纹波，限制了高压时的最大占空比Dmax; 10有±3的频率抖动，减小了电磁干扰EMI,并降低了EMI滤波器的损耗; 11空载、轻载时可降低工作频率，使输出电路无需加假负载，从而显著地减少了能量损耗; 12高达132kHz的工作频率，减小了变压器和电源的体积; 13在视频应用时可选择半频66kHz运行只限于Y、R、F封装; 14