應用于配電網單相接地在線故障指示器電源

崔 芳，王純純，曹 勝

(1.保定供電公司通信公司，河北保定 071003;2.華北電力大學電力與電子工程學院，河北保定 071003)

隨著對配電網的可靠性、智能性的要求越來越高，配電網快速準確地在線故障定位顯得尤為重要。相位法故障定位檢測裝置要求把設備分別安裝在高壓線A，B，C 3相上，實時把采集到的電流和相位信息傳送到中心站軟件上進行分析，當線路發生單相接地故障時能夠快速定位故障區域［1－2］。電源問題是相位法故障指示器可靠運行的關鍵。文中采用交直流結合的供電方案，利用DC/DC以及三端穩壓電路能夠為指示器提供其所需的三路可靠的電壓。

1 取能電源部分設計原理及其難點

取能電源的設計思路是:利用特制線圈的飽和特性，將高壓線15～800 A的電流感應出9～40 V的電壓能量，之后利用整流濾波電路將交流電壓轉換成穩定的直流電壓，利用DC/DC模塊將濾波后的9～40 V電壓變換成9 V穩定的直流電壓。最后通過電壓轉換模塊轉換成1路5 V，1路－4 V和1路3.2 V的電壓供給故障指示器的不同芯片使用。為防止母線大電流情況下，特制線圈電流過大導致后端電路燒毀，特為電路增加了過壓保護和穩壓控制電路，起到保護器件的作用，為保證在小電流的情況下設備仍然能繼續工作，電源特增加了儲能電池模塊。

該電路的設計難點主要在于解決以下3個問題:(1)在導線電流較小時，可以輸出足夠的功率。(2)在導線電流超過額定電流時，甚至短路的情況下取能裝置可以可靠工作。(3)為使故障指示器正常工作，必須為其多種元器件及模塊進行供電，由于該裝置所涉及的元器件較多，且不同的元器件所需的供電電壓又不同，故設計取能電源時最終的輸出電壓要能為不同的器件提供所需的電壓，如何解決這3方面的問題是主要的難點和考慮因素，設計基本框圖如圖1所示。

圖1 電源模塊系統框圖

2 特制線圈的設計原理與設計方案

2.1 磁感應線圈的設計

每種磁芯材料都有它的磁化曲線，以鐵基納米晶磁芯為例，整個磁化曲線分為線性段，緩慢上升段和飽和段。當一次側電流ip較大時，磁芯就會進入飽和狀態，此時雖然磁感應強度隨磁場強度的增長而增長，但其速度緩慢，可近似認為磁芯的最大磁感應強度為BS。設磁心線圈在外施電流下，每半周內磁化曲線的工作點變化范圍為［－Bs，Bs］則根據公式［3］

感應電壓半周內的積分

其中，e2為感應電動勢;W2為次級線圈匝數;Ac為磁芯的截面積，此結果表明處在飽和工作狀態的磁芯線圈，其感應電壓在半周內的伏秒值基本保持不變，其大小僅與磁芯截面、最大磁感應強度、線圈匝數有關，而與高壓線電流無關，基于此本文設計磁感應線圈工作于飽和區以限制大電流。

電流互感器作為母線取能裝置，它要兼顧最小啟動電流和飽和大電流兩方面來設計。隨著磁芯材料的進一步改進，經過多次實驗最后選用飽和磁感應強度低，導磁率較高的鐵基納米晶磁芯，可進一步選擇合適的匝數改變ip，指示器對能量的需求約為1.5 W，考慮到整流橋的壓降和DC/DC的轉換效率，取能線圈的輸出功率應該不少于2 W。系統設計指標為磁芯線圈的截面積為S=6 cm2，磁路長度l=5.2 cm原邊電流為15～800 A時穩定輸出功率＞1.5 W。取能線圈副邊匝數N2由以下兩方面確定:(1)正常用電時，當高壓線一次側為下限電流時，最大功率點副邊的輸出經整流濾波后大于DC/DC芯片的最低工作電壓(Vmin=9 V)即其中f為輸電線路正常工作時的頻率為50 Hz;(2)原邊電流為額定上限且線電流取能線圈輸出最小電壓時，電源最終輸出的功率應該滿足設計的要求即原邊繞組為1匝原邊電流為15 A，平均磁力線長度為0.2827 m從而計算出當輸電線路上電流為15 A時，磁場強度H為53.06 A/m，通過查閱圖2鐵基納米晶的磁化曲線可知，此時鐵基納米晶的飽和磁感應強度為Bs=1.15 T。從而估算出N2。

考慮到線圈處于飽和時電壓有所畸變以及磁芯繞組的工藝問題等，在繞線時應該多繞一些以方便實驗調整。通過調整實驗，確定了該線圈的副邊匝數為68匝時，電源可以正常工作。

2.2 整流濾波電路

整流橋器件要滿足其反向耐壓大于特制線圈提供的最大輸出電壓，同時選用正向壓降比較小的肖特基二極管，以保證在輸電線路小電流的情況下，因整流橋正向導通壓降而損失的電壓盡量小。經過器件選擇后，最終選有肖特基二極管構成的全波整流橋，考慮到經過整流后的電壓不平穩，加一個濾波電容則輸出波形得到明顯改善，經過物理實驗和MultiSim實驗仿真結果如圖2～圖4所示。但為得到更加穩定的波形可以考慮用∏型濾波器［4－5］，總體設計以及輸出波形如圖5所示。

表1 電路啟動、繼電器動作與二次側線圈匝數關系

2.3 過壓保護器件

考慮到當高壓線出現雷擊或短路大電流時，能給后端電路足夠的保護，因此在線圈的輸出端加一個壓敏電阻，當壓敏電阻兩端的電壓低于壓敏電阻設定的電壓時，壓敏電阻相當于開路，但當壓敏電阻兩端的瞬態電壓高于設定的電壓時，壓敏電阻值加載設定值，其余的電壓能量將被消耗掉。文中DC/DC模塊正常工作時的電壓范圍不超過45 V，因此對于電路的瞬態保護采用3倍于最大工作電壓的壓敏電阻進行保護［6］即150 V壓敏電阻。

2.4 穩壓控制模塊

當磁芯進入飽和狀態，主磁通仍會隨著ip的增加而小幅增加，為滿足DC/DC輸入需要，特增加一控制線圈，以抵消部分ip，減低磁芯的磁通量，進而降低大電流時二次側線圈的感應電壓值，此電路模塊的核心器件是繼電器，如圖5所示，利用D3、R2、D4這3個器件控制繼電器的輸入端，繼電器正常工作的導通電流約為3 mA，因此可以粗略計算出，當整流濾波后的輸出電壓約在45 V時繼電器的輸入電壓為5 V滿足4～7 V的開啟范圍，此時繼電器閉合，控制線圈投入工作，反向勵磁，限制電壓的上升，進而保護DC/DC模塊［7］。

2.5 能量泄放以及充電電路

在電路中，整流濾波后電壓偏高，為保護降壓至9 V的DC/DC器件，采用一個電阻和齊納穩壓管組成能量泄放電路。當整流濾波后輸出的電壓較大時，能量泄放電路進入工作狀態，同時可為儲能電池供電可適當降低高壓側大電流情況下，二次側線圈輸出的電壓。當整流濾波后的輸出電壓較低時，后端釋放能量的電路不工作，因此不會降低輸電線路小電流時為后端電路提供的電壓，如圖5所示。

D是齊納穩壓管當電壓超過電池電壓時為儲能電池供電［8］，當穩壓管電壓超過10 V后，該齊納管處于雪崩狀態，整個齊納管的電流急劇上升，導致D和R發熱，從而起到保護作用。

圖6 繼電器工作、能量泄放以及充電電路原理圖

2.6 DC/DC以及電壓轉換模塊

故障指示器元器件正常工作時需要電源提供+5 V，－4 V和+3.2 V三路電壓，所以電源最終要穩定輸出這三路電壓。文中通過DC/DC模塊以及三端穩壓器件來實現此功能。第一級DC/DC把整流濾波后的電壓轉換為9 V，第二級用MC7905T將第一級的9 V電壓轉換成－4 V和5 V兩路，MC7905T是一個負輸入，典型輸出為－5 V的三端器件，為得到5 V和－4 V的電壓，可以轉換MC7905T的接法:將9 V負極接2端，輸出端3接地，這樣1引腳輸出為5 V，2引腳輸出為－4 V，在電路兩端加上100 μF濾波電容去雜，第三級用AS117將第二級5 V的電壓轉換成3.2 V實現如圖6所示。這樣就能得到故障指示器正常工作所需的電壓。

圖7 電壓轉換模塊

3 整機實驗結果

把電源安裝在故障指示器上，當輸電線路電流在0～800 A的情況下，充電電池和電流互感器相結合供電，解決了供電的死區問題，功能電路能提供穩定的電壓輸出，具體實驗數據如表2所示。當線路電流達到15 A時，高壓電源就能正常工作，經整流濾波、穩壓變換后能夠取得+5 V，－4 V和3.3 V的電壓供后續電路工作;當輸電線路電流很大時，也能夠保證正常供電。

4 結束語

通過實驗證明當線路電流達到15 A時，本文研究的高壓取能電源就能正常工作，經整流濾波、穩壓變換后能夠取得5 V，－4 V和3.3 V的電壓供后續電路工作;當輸電線路電流很大時，也能夠保證正常供電。結果表明，采用文中設計的電源能夠滿足單相接地故障指示器正常工作所需的電壓和功率，使在線故障診斷的方法實用化。

表2 實驗數據

［1］ 張利，楊以涵，司冬梅，等.基于零序電流和磁場檢測故障桿的配電網故障定位［J］.電力系統自動化，2008，32(14):73－76.

［2］ 戚宇林，成艷，楊以涵.35 kV配電網單相接地故障綜合定位方法［J］.電網技術，2006，32(10):38 －42.

［3］ 李芙英，朱小梅，紀昆，等.一種應用于高電壓側測量系統中電源［J］.高電壓技術，2002，28(3):46 －47.

［4］ 李紅斌，劉延冰，張明明.電子式電流互感器中的關鍵技術［J］.高電壓技術，2004，30(10):4 －6.

［5］ 彭長保.電子式電流互感器高壓側在線供能研究［D］.武漢:華中科技大學，2007.

［6］ 雷式湛.激光技術手冊［M］.北京:科學出版社，1992.

［7］ 李膨.光電電流互感器供能電路的研究［D］.北京:清華大學，2003.

［8］ 高迎霞，畢衛紅，劉豐.電子式電流互感器高壓端供能電源的設計［J］.電力電子技術，2007，41(10):74－76.