数模转换式电子电流互感器高压侧取能装置的设计

数模转换式电子电流互感器高压侧取能装置的设计

0电子式电流目前，微型计算机和电子技术的应用可以实现电气系统中测量、保护信号的数字处理和传输。电力系统中新型电子式监控设备得到了广泛关注,传统的电力控制技术面临着新的变革。在现代电力系统中,电流/电压互感器是监测一次设备和系统运行状态的关键设备。其中电子式电流互感器根据高压侧是否需要供电分为有源型和无源型2种。无源型电流互感器又分为磁光型、全光纤型及混合型3种。有源型电流互感器可分为调幅式、压频转换采样式和数模转换式3种。无源型电子互感器是基于磁场对光纤中光量子的影响而设计的,造价高,易受外界因素干扰,稳定性差,投入商业生产的条件还不成熟。在微电子技术和光纤技术的推动下,技术较为成熟、造价合理、稳定性好的有源型电子互感器受到重视,并已有产品推向市场。有源型电子式电流互感器主要采用罗氏线圈作为传感头,利用光纤传输数据,这种互感器需要考虑传感头电子电路工作电源的供给问题。本文针对有源型数模转换式电流互感器,提出一种可靠且低成本的通过电磁耦合从母线上取能的供能设计方案,并通过实际取能装置的试验结果对设计方案进行了验证。1利用电流器目前有源型电子电流互感器的供能方式主要有3种:1)通过电磁耦合利用一次侧电流从母线上取能;2)由地面低压系统取能并转换为激光,通过光纤输送至高压平台,然后再将光能转化为电能;3)采用可充电蓄电池供能。在激光供能方式中,激光器本身的成本较高且输送功率受到严格限制,若增加光纤数目必然要增加成本。可充电蓄电池供能方式存在光电池转换效率、电池老化等问题,可靠性难以保证。某些电子式电流互感器产品采用从3种方式中选取2种相结合的供能模式,不但增加了成本而且要考虑2种方式切换时的可靠性问题。本文的设计方案采取从一次母线电流提取能量的方式,方法简单可靠且易于实现。图1给出了采用该方案的电子式电流互感器的结构。2新能源装置的设计2.1设计要求与原则对于有源型电子电流互感器,如果电子电路的电源供应不稳定,系统工作的可靠性和精度会受到影响。各种供能方式所能提供的能量有限,所以电子电路的功耗不能太大,其设计要求是:1)满足高压端电路的功率需求;2)能够无间断地长时间稳定工作;3)保证高、低压系统之间的绝缘。相应的设计原则是:1)选用微功耗器件;2)采用单电源、低电压供电;3)充分利用器件的节电工作方式,降低系统平均功率。遵循以上设计原则,通过实测和理论估算认为,以目前的芯片技术采集传送电路模块(不包括电/光和光/电转换器件)功耗可小于100mW。电/光和光/电转换器件的能耗较大,设计中除减少其数量之外,还可以通过提高传输速率等方法来降低系统功耗。2.2独立装置的全球设计2.2.1流织物的供电通过电磁线圈从一次电流取能是目前可行且较经济的互感器高压侧供电方案。其基本原理是利用电磁线圈从母线上接收一次侧传变的电流,通过整流、滤波、稳压等后续电路处理向电子式电流互感器高压侧供电。采用这种方法面临2个困难:1)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应;2)母线处于超过额定电流的大电流状态甚至短路故障电流状态时,如何确保电源系统足够安全和不间断供电。为改善小电流启动状态需要增大铁心截面,降低二次侧绕线匝数,这就要求在一次侧出现大电流时二次侧必须能通过相应的大电流,否则二次侧就会出现过电压;如果增加二次侧绕线匝数则又会影响在一次侧小电流状态下工作电源的电流输出能力。因此,如何协调母线小电流状态和大电流状态时的工作状况是取能装置最主要的技术难点。2.2.2铁心设计及制作铁磁物质的磁感应强度B和磁场强度H之间是非线性关系。对这些物质来说,基本公式B=µH中的导磁率µ并非一个常数,其大小不仅与铁磁物质的成份、材料的热处理和机械加工及磁化过程中的磁状态等有复杂的关系,而且与外施磁场强度有很大关系。几种常见铁心材料的磁化曲线见图2。由图2可见:1)在弱磁场(图中0~H′段)作用下,磁感应强度B的增量主要取决于材料的初始磁导率µ0;2)传统导磁材料(如硅钢片)的饱和磁通密度虽较高,但µ0较低,而现代纳米晶磁材料的µ0提高了数十倍。实验表明:一个优化设计的非晶材料自励源可以在0.6A电流条件下获得30mW以上的取能效果。然而要达到这样的结果必须选择较大的铁心截面。据统计,大多数高压输电线路即使在空载状态也有约数个安培的容性电流。因此即使在空载线路上上述的电能供应也可以得到保证,无需其他辅助供能措施。为使取能装置能够工作在一个比较大的电流变化范围内,采用通过稳压管泄放二次侧电流的方法,即当供能直流电压达到所需要的数值后,二次侧电流剩余的部分通过稳压管对取能线圈形成去磁效果。设计方案中选取新型的非晶材料制作取能线圈的铁心,采取双铁心并行工作方式,且应用多重过流过压保护模式以保证装置在小电流启动和大电流冲击状态下均能正常工作。与国家非晶微晶合金工程技术研究中心合作对取能线圈铁心进行设计,选定的铁心型号为ON—186144050(O表示环形铁心,N代表纳米晶)。纳米晶铁心与其他材料的磁性能比较见表1。由表1可以看出纳米晶材料的铁心具有很多优点:1)饱和磁感应强度介于硅钢片和坡莫合金之间;2)具有高导磁率;3)重量轻;4)成本低,价格明显低于坡莫合金;5)稳定性优良,可在-55~130℃环境温度范围内长时间工作。纳米晶材料特制铁心的尺寸如图3所示。图中:D为铁心外径;d为铁心内径;L为侧面宽度;l为气隙宽度。在制作过程中加工2块具有相同内外径的O型铁心,其中一块留有l=2mm的气隙,线圈铜线同时缠绕在这2块并行的铁心上,外径D=186mm,内径d=144mm,侧面宽度L=50mm。双铁心并行工作的原理是:母线在小电流状态时一次电流交变量产生的磁通主要通过无气隙铁心单片传递到二次侧;当一次电流逐渐增大到一定数值时在二次侧会产生高电压,铁心中无气隙单片的磁通会达到饱和值,磁通不再变化就难以向二次侧传递能量,此时带有气隙的铁心能起到继续工作的作用。当经受短路大电流冲击时,取能线圈的铁心将在极短时间内达到饱和,根据线圈二次侧供能电路的工作原理和瞬态浪涌电压抑制管(transientvoltagesuppressor,TVS)对电路的保护作用,取能线圈二次侧短接,形成较大电流,并对铁心中的整个磁路形成去磁效果,从而使线圈的铁心退出饱和。与此同时继电保护迅速动作切断故障线路。2.2.3tvs阻值的确定供能电路如图4所示,取能线圈二次侧电流经整流滤波,在大功率稳压管D0上形成一个10V的电压,通过三端稳压管向后续电路提供一个5V的工作电源。TVS可以在大电流冲击二次侧产生高电压时起到抑制作用,从而保护电子元件免受过电压的损害。由于电路中限流分压电阻R的阻值会影响到二次侧电路的压降,需要对其阻值的选取进行讨论,并通过试验进行验证。电路中取TVS1为40V,TVS2为25V,在大电流冲击时对整个供能线路起到保护作用。3在不同的场景下，考虑到电源的改善和实验验证，3.1安全磁通密度s对于这种从一次电流取能的供电结构,电源变压器输出的交流电经由桥式整流和电容滤波电路后得到直流电压平均值为式中:2E为取能线圈二次侧电压;ω为角频率;0.9为单相桥式整流交直变换系数,在估算初始启动电流数值时必须予以考虑。根据设计方案选取的特制铁心型号,其并行铁心中单片铁心的机械面积为5.25×10-4m2,取铁心叠片系数为0.7,那么单片铁心的实际有效面积S=3.68×10-4m2,磁路平均周长为0.518m。取E2=10V,工作磁通密度B为6000Gs,在f=50Hz的工频下,将S代入式(2)可估算出二次侧匝数约为200匝,即式中:N2为取能线圈二次侧匝数;φm为取能线圈最大磁通量。为保证电流互感器高压端电子元件30mA的工作电流,要求一次侧激发电流值至少在6A以上。对于本装置运行的220kV输电线路,由于其电纳与几何均距、导线半径之间有对数关系,架空线路的电纳变化不大,其值一般在2.85×10-6S/km左右,由此可以估算出距离为20km的空载线路通电时初始电流值可达7.2A,这说明本设计方案是可行的。3.2感器部位的冷却设计为保证在大电流冲击时整个供能电路能够安全工作,考虑到大功率稳压管D0的发热问题,设定在大功率稳压管回路电流达到其额定值的60%时无气隙铁心单片开始饱和,通过式(2)就可以确定限流分压电阻R的阻值。在电阻参数和线圈匝数确定后,便可进行实际的现场测试。试验证明其工作效果达到了设计要求,具有电路简单、不易受干扰影响、可靠性高等优点。然而也存在一些不足,主要是大电流状态时在稳压管上消耗功率较多并引起发热,工作元件(稳压管和限流分压电阻)温升较高,应用在电子式电流互感器高压端会造成传感器部位的散热负担。为此对设计方案进行了改进,如图5所示。图中:SSR为固态继电器;OC为光耦;R′为分压电阻;D5为稳压管。此改进方案主要考虑到固态继电器(solidstaterelay,SSR)工作可靠,开关速度快,抗干扰能力强,且体积小,耐冲击,能以微小的控制信号直接驱动大电流负载。其电流的额定值选择取能线圈铁心饱和时的二次侧的电流值,按照IZS=ES/R计算求得,其中R为线圈电阻值,SE为铁心饱和时二次侧电势。在这种框架下,供能电路中稳压管D5的容量可以选取为1W,解决了大功率稳压管工作中产生大量热能的问题。根据对SSR的使用经验,可靠性是有保证的。为了对固态继电器导流侧电压变化率加以限制,避免发生误导通现象,可在其交流侧并联一个电容器C1。改进方案中在稳压管电路中加入光耦(opticalcoupler,OC)控制SSR的通断。考虑其负载侧工作电流的范围,固态继电器选用一次侧可通过40A的随机增强型产品。图5所示的改进方案在初始启动小电流状态下由稳压管D5提供给后续稳压回路10V的电压,与此同时给电容C2充电。随着一次电流的不断增大,当稳压管与光耦串联线路两端电压达到导通电压时,光耦导通,三极管E、C两极间有约15mA的电流流过,SSR开始工作,整流桥交流侧导通,二次线圈形成一个回路。当取能线圈二次侧短接后,装置的供能电路侧电容C2放电,当其两端电压降到一定程度时,光耦停止导通,SSR交流侧在电流瞬时值过零时断开。如此以每个半波时间为周期摄取一次侧电流传变来的电能。若供能电路受到大电流冲击,在TVS起到过电压保护作用的前提下,通过SSR的控制使取能线圈二次侧形成回路,泄放二次侧产生的大电流。3.3交流侧电流状态对改进的取能装置进行试验来验证其工作性能的可靠性。试验中取能装置在一次侧电流达到9.6A时进入稳定工作状态,C2取680µF,图6显示了在一次侧小电流状况下图5中1、2两端点间电压的变化情况,此时整流桥的交流侧电流很小(约为200mA,采用钳形电流表测得),电容C2两端电压保持10V恒定。图7、8给出了一次侧大电流状态下SSR交流侧的电压波形。图中显示了SSR导通的时间,对应的整流桥交流侧电流分别为2.1A和4.6A,SSR导通时改进电路中1、2两端点间的电压幅值突然减小。从这些示波器的截图可知,在交流电压的每半个周期之始,电容C2有一小段时间处于充电状态,并且以周期性的充电–放电模式工作,其电压波动幅值取决于C2的电容值。试验数据显示C2两端电压波幅变化