高壓在線取電裝置設計

張 煒 王志偉

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

伴隨著智能電網的快速發展，越來越多的傳感器和數據采集器被安裝在電力設備上。各種各樣的傳感器和數據采集器可以準確地測量出被監測位置所需的監測數據，這給設備的智能化及可靠性提供了有利的條件。由于此類設備一般安裝在高壓或者超高壓電網設備上，通過低壓系統對其進行供電可能會破壞高壓設備的絕緣特性，所以存在一定的風險。為傳感器和數據采集器提供一個理想的供電方式成為多數用戶希望解決的問題。

目前市面上主要的供電方式有三種，分別是電池供電，PT 在線取電，CT 在線取電。三種取電方式特點如表1。

表1 常用的取電方式對比

綜合分析，CT 取電相對于另外兩種取電方式來說，供電可靠性及自身安全的優點突出。此種取電方式的不利之處是隨著一次負荷變化時，二次輸出波動太大，因此必須增加后級處理電路。

1 方案設計

本設計方案主要由取能線圈、整流濾波電路、電壓調整電路、單片機采樣支路、穩壓輸出電路等部分組成。確保一次設備正常運行時取能設備輸出電壓恒定，并且能夠長期穩定運行，在一次短時過負荷和一次短路時保證自身裝置的安全性和輸出的穩定性。為滿足大部分傳感器或數據采集器工作要求，設計輸出電壓采用3.3V，輸出電流不小于200mA。

圖1 電路原理圖

一般來說，CT 供電裝置啟動的最小一次電流被成為最小取電電流，理想情況下最小取電電流越小越好，但是電流越小，對CT 線圈及后級的處理電路要求就越高。綜合考慮電力系統實際工況，我們將裝置的最小取電電流確定為50A。主線圈W1、W2、W3 和W4 的匝數應對應為50、50、100和200，電壓閾值上下限分別設為15V 和20.6V。高壓上限則逐級投入繼電器K1 到K3，低于下限則逐級退出K1 到K3。電路原理圖如圖1 所示。

1.1 取能線圈

CT 線圈的二次輸出電流隨著一次電流的波動而波動，取電的難點在于一次電流較小時輸出電流太小，一次電流較大時輸出的電流又太大，不能滿足其他裝置供電需要。為解決這個矛盾，儲能線圈（W1、W2、W3、W4）采用多線圈設計，隨著一次電流的改變，逐次投入或退出線圈以改變一次側和二次側的匝數比，使二次輸出電流處于一個合理的范圍內。

其中W1 為主線圈，W2、W2 和W4 為分組偷竊線圈，線圈匝數如圖所示。線圈分別由三個繼電器K1、K2、K3 進行投切控制，控制信號來自后級單片機處理電路。

1.2 整流濾波電路

整流濾波部分電路主要由整流橋（D1）、穩壓管(D3)和三階濾波器（L1、C1、C2）組成，作用是將二次線圈交流輸出轉換為直流輸出，同時濾去電路中的交流成分。穩壓管是為了保證設備在一次過負荷或短路時安全工作。

圖中D3 是為了確保輸出電壓穩定在30V 以下，電感（L1）和電容（C1、C2）組成一個低通濾波器，截止頻率預定為20Hz。根據定K 型濾波器設計手冊[1]，組件參數如下：

C=1F/{20Hz/（1/2pi）Hz}=7.96mF

根據標準電容容值表，將電容C 的容值定位6600μF，那么電感L的參數為13.2mH。

1.3 電壓調整電路

電壓調整電路主要由取樣電阻（R5、R6）和MOS 管（Q1）組成，保證一次負荷在一定范圍內波動時，電壓調整電路輸出電壓在較小的范圍內波動，滿足后級電路的需要。

1.4 單片機采樣及控制輸出

圖2 單片機的算法框圖

單片機采集經電壓調整電路輸出的電壓，如果發現此電壓高于或低于某一閾值，則表明一次電流已經增大或減小到電壓調整電路所允許的電壓范圍，單片機將通過投切繼電器（K1、K2、K3）來使CT 二次輸出穩定到電壓調整電路所允許的范圍。這樣保證電路的正常連續運行。單片機的算法框圖如2 所示。

1.5 穩壓輸出電路

穩壓輸出電路作用是將前級波動的電壓變成穩定的3.3V 的電壓輸出，滿足傳感器或數據采集器的使用要求。穩壓輸出電路主要由線性穩壓芯片（U1），ADJ 校準電路（R2、R3）和高頻濾波電容（C3）組成。

圖中LT1085CM 是一款線性穩壓芯片，容值為100nF 的瓷片電容C3 可以濾去輸出電源所上的高頻雜波，從而是電壓穩定輸出。

1.6 一次短路保護電路

配電設備在運行中，可能會發生短時間短路故障。此時流過CT 一次回路的電流可以達到上千安培甚至上萬安培，CT 的二次會輸出一個很大的過電流，為保證在在短路時取電設備可以安全運行，需要在電路里進行短路保護設計。

電路的取電保護設計主要由兩方面組成，一是限定取電線圈鐵芯的飽和倍數，使CT 二次輸出在一次短路使確定在一個范圍內；二是利用穩壓管D3 使整流橋輸出電壓限定在一個可控的額范圍內，從而保護后級電路的在一次短路時可靠運行。

2 電路仿真

我們利用NI 公司的電路仿真軟件Mulitisim10.0 設計電路進行仿真運算。仿真電路圖如圖3 所示：

圖3 仿真電路圖

2.1 仿真電路說明

在仿真電路中，使用表中電流源來替代取能線圈，使用9.9 歐姆的電阻R4 作為模擬負載，因為線性穩壓芯片的輸出除了為負載供電外，還要為自身的單片機及繼電器供電，所以供電輸入為這部分負荷預留100mA 的裕量。因此當流過R4 上的電流不隨電流一次電流在某個區間變換且恒定為300mA 以上，R4 兩端電壓恒定為3.3V 時，即可驗證出方案設計符合設計目標。

2.2 施加連續電流的仿真結果如圖4 所示。

通過仿真結果我們可以看出，隨著一次電流的增大，通過負載R4 的電流能夠保持在330mA 左右，即輸出電壓能夠保持在3.3V 左右。

圖4 施加連續電流的仿真結果

3 試驗結果

以1A 和5A 電流源進行試驗，試驗結果如圖5 所示。

圖5 1A（左）和5A（右）試驗結果

當輸入電流為1A 時，通道CH1 所示為穩壓芯片輸出電壓，電壓值為3.24V，通道CH2 所示為穩壓芯片輸入電壓，輸入平均值為5.93V，峰峰值為6.38mV。當輸入電流為5A 時，通道CH1 所示為穩壓芯片輸出電壓，輸出值為3.24V，通道CH2 所示為穩壓芯片輸入電壓，輸入平均值為20.6V，峰峰值為141mV。

4 結論

本文提出一種CT 供電的設計方案，并對設計方案進行的仿真研究。通過仿真和試驗結果表明，該設計方案合理可行。此方案只提供了一個3.3V/200mA 的解決辦法，但通過分析可以發現，只要對方案部分元器件的參數進行修改即可得到多種輸出規格的解決方案。本設計可為高壓電器檢測裝置的在線取電設計提供參考。

［1］遠坂俊昭，著.彭軍，譯.測量電子電路設計—濾波器篇[M].科學出版社，2006-1.

［2］錢政.有源電子式互感器特質線圈功能方法[J].高電壓技術，2008，34（2），260-263.

［3］GB 1208-2006 電流互感器[S].