電流互感器磁通調制的設計方法分析

劉靜鮮（廣東南海電力設計院工程有限公司，廣東 佛山 528000）

電流互感器磁通調制的設計方法分析

劉靜鮮
（廣東南海電力設計院工程有限公司，廣東 佛山 528000）

摘 要：有源電子式電流互感器的母線式電源具有感應電壓較高、熱耗能過大的缺點，容易對運行工況造成不良影響。本文提出了一種通過控制電路開關快速導通與閉合的磁通調制方式獲得穩定電壓輸出的思想，進行母線式電源的設計。電源的電路設計中包括主繞組與控制繞組兩個部分，通過控制繞組的通斷與占空比，控制電流互感器中的磁通量，實現對感應電壓的控制。在電流互感器中固定一次電流情況下，對調節占空比與通斷頻率的主繞組感應電壓進行仿真與實驗，結果證明這種設計方法能夠穩定主繞組感應電壓，獲得較為理想的輸出電壓，是電流互感器電源設計的有效方法。

關鍵詞：電流互感器；母線式電源；磁通調制

傳統電力系統中的電流互感器沒有信息傳輸與處理的功能，在現代數字化的電力系統中的應用越來越少，逐漸被能夠完成信息傳輸與處理的有源電子式或無源光學的電流互感器取代。而有源電子式電流互感器在高壓一次的電路中需要外部能量的供應才能夠完成正常的功能運作，而當前主要的供能技術包括母線取電、激光供能、微波功能與超聲波供能等多種方式。電流互感器電源設計中的主要問題是大電流所產生的熱能消耗，而開關電源能夠通過半導體元件的高速閉合與導通完成輸出電流的整流穩壓效果，能夠保持較高的效率與良好的穩定性。所以本文通過開關電源的半導體高速導通與閉合的理念應用于小型電流互感器電源設計中，以磁通調制的方式解決這一問題。

一、電流互感器電源的設計問題

電流互感器是連接電力系統中一次設備與二次設備的關鍵節點，能夠準確有效測量電力系統的各項基本參數，還能夠為自動化電力系統中的計量、保護與監控部分提供信號支持。傳統的電磁感應方式的電流互感器，在正常工作的過程時，一次繞組串聯在回路中，二次繞組則經過負荷閉合，確保負荷電流與一次繞組的電流呈正相關。通過二次繞組電流的測量完成一次繞組電流的計算。而在現代自動化電力系統中，電力生產與傳輸的實際電容量不斷增多，電網電壓等級也不斷提升，同時數字化變電站也逐漸成為電力系統發展的主要方向。智能化電力系統對電流互感器的要求也不斷提高，而由于存在鐵磁諧振、固有磁飽和、頻帶較窄、動態程度較低、工藝復雜以及造價較高的缺點，傳統的電流互感器已經無法滿足電力系統的要求。而新型的電子式電流互感器已經成為當前電力系統互感器研究的特點方向，幾乎彌補了傳統電流互感器的所有缺點。電子式電流互感器的實際應用中，與整體系統運行穩定性直接相關的關鍵因素是高壓側采樣電路的供能電源穩定性，所以供能方式的選擇是電子式電流互感器的關鍵問題。電子式電流互感器可以分為三個模塊，分別為高電壓側、低電壓側與光纖傳輸。由于高電壓側與低電壓側之間的連接由光纖完成，沒有電磁聯系，所以高電壓側電路的電能供應成為電子式電流互感器設計的關鍵問題。當前的主要電源供能方式包括激光供能、母線式自具供能、高壓電容分壓器供能、蓄電池供能、超聲電源供能等。其中母線式供能是通過電磁感應的原理，通過鐵磁式互感器與高壓母線進行電磁感應而獲得電能，通過信號的整流、濾波、穩壓處理后，為高壓側供電，具有結構簡單、實用方便的優點。而電力系統的負荷變化較大，母線電流也不是穩定變的，有可能瞬間電流在短路時達到額定電流的數十倍。這種不穩定的環境為電源中的互感器與穩壓電路帶來了較大的風險，所以在母線式電源設計中控制電壓信號的穩定性極為重要。而開關電源能夠通過半導體元件的高速閉合與導通完成輸出電流的整流穩壓效果，能夠保持較高的效率與良好的穩定性。

二、設計原理

有源電子式電流互感器高壓側的電子模塊需工作電源，利用激光供電和高壓取能技術實現對高壓側電子模塊的供電是目前普遍采用的方法，這也是有源電子式互感器的關鍵技術之一。電路互感器的供能部分安裝在高壓母線上，母線經由電流互感器的中心穿過。交流母線的電流轉換為交流電壓輸出的基本電路原理，如圖1所示。電流互感器的二次繞組分為兩個獨立部分，分別為主繞組與控制繞組。

在不考慮繞組的前提下，主繞組中的輸出電壓滿足法拉第定律：

而主磁通Φp與母線電流ip直接相關：ip（t）=Ipsinωpt（2）Фp=Cip（3），其中C為常數，與電流互感器的結構與尺寸直接相關。所以可以得出：（5）

圖1 電流互感器基本電路圖

再對控制繞組進行分析，在控制繞組的開關處在閉合狀態時，磁芯中的磁通量幾乎為零，所以這時主繞組的感應電動勢也接近為零，即為uˊs約等于0。在控制繞組的開關處于開啟的狀態時，主繞組的負載電阻上的電壓符合公式（5）。所以，在這個系統中，存在兩種頻率，即為母線電流的額定頻率與控制繞組的開關頻率。母線電流的額定頻率為50Hz，而控制繞組的開關頻率相比母線頻率大幅度提高。而這種過程中uˊs變換情況相當以一系列幅值為1的脈沖信號進行抽樣。（4）或

其中，k為t1/Tc，表示在開關上控制信號的脈寬比，而t1表示主線圈中的感應電壓導通時間。

三、仿真結果

以MATLAB對電流互感器的取能進行模擬分析。電流源的幅值設定為1500A，主繞組在單獨感應情況下的電動勢有效值為100V，控制繞組單獨感應的電動勢有效值為400V，電感設定為2mH，電容設定為10μF。以控制開關的通斷頻率與脈寬比進行調節，獲得不同條件下的主要組感應電壓us以及整流處理后的負載兩端電壓的uo仿真波形。根據仿真波形可以得出結果，負載端的電壓波形接近正弦曲線，而波紋較大；在相同的開關頻率條件下，脈寬比越大，則波紋越大，而負載電壓的輸出幅度越小；而頻率越高，負載端的電壓波紋越小。

結語

實驗與仿真的數據結果顯示，通過調節控制電路信號的脈寬比能夠對二次繞組負載電壓的輸出幅度進行控制，同時能夠保持電壓輸出為正弦波形。所以根據常規的變壓整流濾波理論，可以完成穩定的輸出電壓。電流互感器母線電源工作過程中，二次繞組的高壓脈沖是主要的安全風險之一。二次繞組高壓脈沖對電源整體的絕緣性能要求較高，還可能把超出控制的電能輸入電源，快速提高電源的熱量，導致電源設備由于過熱而燒毀。以快速通導與斷開進行繞組控制的設計思路，能夠有效避免二次繞組高壓脈沖的發生，對電流互感器母線式懸浮電源的設計優化有重要的意義。但本次研究還存在很多不足，輸入的頻率信號的發生設備只能提供單一頻率的輸出，無法對不同頻率的輸出結果進行驗證，同時也沒有較大的電流輸出設備，導致驗證結果可信度不足。在下一步的實驗研究中，主要目標為不同頻率以及大電流環境下是否能夠得出一致的仿真結果。

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