有源電子式電流互感器高壓側電源的研究

摘 要：電流互感器是電力系統中的重要設備，介紹一種適用于有源電子式電流互感器的懸浮式直流電源的設計原理。提出一種用補償線圈和充電電池相結合的方法對母線電流取能方式進行改進的新方案，使電源在更寬的一次側電流動態范圍內滿足電子式電流互感器對電源的要求。實驗結果表明，該電源能夠滿足高壓側電子電路的供能要求。該方法是目前解決有源電子電流互感器高壓側電源問題的有效方法之一。

關鍵詞：電子式電流互感器；有源式；儲能電池；高壓側電源

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1802003

Research of the High Potential Circuit Power Supply for Active Electronic Current Transformer

GUO Jiwei，LIANG Kui，DONG Lingkai

(Electrical Information College，Three Gorges University，Yichang，443002，China)

Abstract：The current transformer is an important equipment in power system.The principle of a floating type DC power supply is introduced，which is used in the active electronics current transformer at high voltage side.This paper proposes a new method combining compensation coil and rechargeable batteries，to improve the method that take power from bus current and to make the power meet electronic current transformer requirements in a wider current of high voltage side.The results show that it can satisfy the requirements of the high potential circuit power supply.It is one of effective method to solve active electronic current transformer high potential circuit power supply.

Keywords：electronic current transformer;active;battery stored energy;high potential circuit power supply

1 引 言

電流互感器是電力系統中的重要設備，隨著電力工業的不斷發展及電網電壓等級的不斷提高，對電流的測量要求也在不斷提高，傳統互感器的問題日益突出^［1］。新式的電子式互感器應運而生，電子互感器可分為有源式和無源式2種。有源式是指傳感頭部分采用傳統的傳感原理，并利用光纖傳輸數據的電子式互感器，由于光纖只能夠傳輸數字信號，所以必須在高壓側對傳感頭的輸出信號進行模擬量與數字量的轉換，這就勢必要設計相應的電子電路，因而也就帶來了電路的供能問題，這是有源式互感器研究中的難點和關鍵技術^［2］。本文介紹一種用補償線圈和充電電池相結合的方法對母線電流取能方式進行改進的新方案。

2 設計原理

由法拉第電磁感應定律可知，電源二次側的感應電動勢為:E=2πfN2Φm×10－8式中：f為正弦波頻率；N2為二次側線圈繞組匝數；Фm=BmS為輸電線傳輸電流在變壓器鐵心激磁產生的磁通量。

設計主要應考慮以下2個問題：

(1) 在系統電流很小時能夠提供足夠大的功率，以驅動處于高壓端的電子線路；

(2) 在系統出現短路大電流時，能吸收多余的能量，給電子線路提供一個穩定的電源，其本身也要保證不因電動力而損壞。

為解決上面2個難題，這里設計圖1為實際的電源設計原理性線路圖^［3，4］。圖1中L1為主線圈；L2為補償線圈。主線圈提供直流穩壓工作電源，補償線圈主要用于控制主線圈的電壓應該在一定的范圍。充電電池主要作用是在短期斷電或小電流情況下充電電池投入供電。

在電力系統正常運行的情況下，是主線圈提供直流電源。當輸入電壓超過8 V時，檢測電池溫度和電壓，如果溫度正常，電壓過低則充電電池進入充電狀態，如果2個條件有一個不滿足不能進行充電。當發生故障或其他原因使主線圈輸入電壓超過后續電路所能調節的某一個值時二極管VS會導通，電流會使磁控開關閉合，補償線圈回路導通反向激磁，從而降低鐵心中的磁通量，達到降低主線圈供電電壓的目的。當發生斷路器跳閘或小電流情況時，主線圈輸入電壓不能提供高壓側電路所需的能量時就切換到充電電池供電，這樣就很好地解決了在小電流時不能正常供電的問題。在實際應用中如果大電流過大，可設計多個補償電路，進一步降低激磁電流值。圖1 電源設計原理性線路圖3 設計的實現

3.1 鐵心材料的選取

鐵心是取電的一個重要問題，現在主要用硅鋼材料，非晶材料和莫坡合金作鐵心。根據高壓側電流的特點選取鐵心，數據證明，非晶材料和其他2種相比有更多優點^{［5，6］}。同時注意選取合適的B–H曲線工作點，使電源能夠在大的原方電流波動范圍內正常供電。

3.2 主線圈和補償線圈匝數的選取

為了在小電流的情況下感應出所需電壓，根據公式:P=EI=2πfBSN2I其中S 為鐵心截面積；I為一次側電流幅值。

這里需要加大鐵心截面積或增加線圈匝數，當匝數太少時感應電壓下降，太多時負載能力又會下降，所以實際制作時主繞組為62匝。由電磁感應定律可知，補償線圈的匝數越多越好，但制作時一定要根據自己需要。因為匝數越多感應電壓越高對絕緣的要求就越高，所以制作時補償線圈的匝數為300匝。

3.3 充電控制過程

充電狀態流程 BQ2057的充電曲線如圖2 所示，BQ2057的充電分為3個階段：預充狀態、恒流充電和恒壓充電階段。

預充階段 在安裝好電池并加上電源后，BQ2057首先檢查工作電壓 VCC，當工作電壓過低時充電器進入休眠模式，若工作電壓正常，則檢查電池溫度是否在設定范圍；若不正常則進入溫度故障模式；否則檢測電池電壓VBAT。當電池電壓VBAT低于低壓門限Vmin時，BQ2057以恒流IREG10%的電流IPRE對電池預充電。

恒流充電 在完成對電池預充或電池電壓VBAT 低于恒壓VREG時，BQ2057進入恒流充電狀態，此時由外部的感測電阻RSNS 上的壓降監控充電電流，通過 SNS 引腳獲得充電電流的反饋，感測電阻由下式計算：

RSNS=VSNS/IREG，其中IREG為預期的充電電流。

圖2 BQ2075對電池充電的曲線恒壓充電 當充電電壓達到恒壓VREG時進入恒壓充電狀態。在整個工作溫度和工作電壓范圍內，BQ2057通過BAT和VSS引腳監測電池組電壓，當充電電流達到終止門限I(TERM)時停止充電，當電池電壓低于重新充電門限電壓 V(RCH) 時自動開始重新充電。

電池溫度監測 BQ2057通過測量 TS 與VSS 引腳間的電壓實現對電池組溫度的連續監測，常用熱敏電阻作為溫度傳感器，并通過分壓電阻實現，如圖1所示。分壓電阻的阻值可根據參數計算。BQ2057將該電壓與內部的V(TS1)和V(TS2)門限電壓比較以決定是否允許充電。

4 實驗結果

在實驗時R＝60 Ω選取穩壓二極管的穩壓值為20 V。實驗結果表明。原方電流在0~900

A范圍內變化時，電源能夠提供所需的電壓。在原方電流小于20 A時，啟用充電電池供電，補償線圈能夠使整流側輸出電壓維持在25 V以下，保證各穩壓模塊可靠工作。 當原方電流大于900 A時，整流側輸出電壓緩慢上升，超過DC/DC模塊的最大輸入電壓，采取一定的散熱措施（如增大散熱片的尺寸等）可以使電源在更大范圍內工作。

表1 線路電流與輸出電壓的關系

線路電流/A0430150750900整流輸出/V01.83.59.117.823.1DC/DC輸出/V555555.2

5 結 語

采用充電電池和補償線圈相結合的方法解決母線電流取能方式的小電流死區問題同時在大電流時可以降低原方電流的激磁作用，有效地降低了原方電流對電子式電流互感器工作電源工作特性的影響。實驗結果證明該方法是切實可行的，它解決了在線路電流過低或斷路器跳閘時無法供電的問題，同時能使電源在寬的一次側電流動態范圍內滿足電子電流互感器對工作電源的長期工作要求。其是目前解決有源電子電流互感器高壓側電源問題的有效方案。

參 考 文 獻

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作者簡介 郭吉偉 男，1981年出生，碩士。主要研究方向為電力電子技術在電力系統中的應用。

梁 魁 男，1982年出生，碩士。主要研究方向為電力系統故障診斷。

董凌凱 男，1983年出生，碩士。主要研究方向為電力系統信息及其自動化技術。

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