高壓斷路器測溫系統的感應取電電源設計

侯磊

摘 ?要：為了解決高壓斷路器測溫系統中高壓側裝置的供電問題，實現高壓斷路器測溫系統的可靠工作，該文設計了一種基于高壓母線感應取電的電源。完成了電源的硬件電路設計，經過實驗，驗證該電源可以滿足設計要求，應用該電源可以為測溫系統提供穩定的工作電壓，可以有效地提高高壓斷路器測溫系統的可靠性。

關鍵詞：高壓斷路器 ?感應取電 ?CT

中圖分類號：TM932 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）12（c）-0019-03

在現代電力系統的快速發展中，為了防止高壓電氣設備出現過熱事故，確保電力系統的安全運行和可靠性，需要對高壓電氣設備安裝溫度監測裝置。通過對國內外高壓斷路器測溫技術的研究，目前使用較多的是無線測溫技術，高壓斷路器測溫系統高、低壓側采用無線通信方式進行數據的傳輸，可以實現高壓隔離問題和數據采集的準確性[1]。此方法需要解決的主要問題之一是高壓側測溫裝置的供電問題，傳統的供電方式比如使用蓄電池供電、太陽能供電、激光供電、超聲電源供電，或多或少都存在一些不足或者技術難點，該文為高壓斷路器無線測溫系統設計了一種從母線獲取的感應電源，它可以實現測溫系統的獨立工作，可以大大提高測溫系統的可靠性[2]。

1 ?系統概述

高壓斷路器無線測溫系統的系統框圖如圖1所示，此系統主要包括溫度檢測模塊、數據處理模塊和上位機單元。溫度檢測模塊安裝在高壓斷路器內部的被測點，溫度傳感器的測溫端嵌入在靠近梅花觸頭的觸臂內來測量梅花觸頭的溫度，實時進行高壓斷路器觸頭溫度的采集。系統利用無線傳輸技術將數據發送給數據處理模塊。低壓側的數據處理模塊將數據接收處理后上傳至上位機，進行溫度顯示、高溫報警等處理。該系統中溫度檢測模塊的電源來自高壓斷路器內部母線的感應取電，通過特制線圈制成的CT互感器環繞并固定在高壓斷路器觸臂上。

2 ?感應取電電源設計

2.1 CT電源原理及安裝

測溫系統采用CT互感器（CT電源）通過高壓母線取電技術為高壓側裝置提供電源，供電CT的線圈環繞并固定在高壓斷路器觸臂上，根據電磁感應原理，當斷路器合閘通電后，CT電源就能在高壓斷路器的觸臂上感應得到交流電電能，再通過整流、濾波、穩壓處理后為高壓側溫度采集模塊供電。溫度檢測及藍牙無線通信模塊固定在觸臂上，溫度傳感器的測溫端嵌入在靠近梅花觸頭的觸臂內來測量觸頭的溫度，靠近發熱點，能準確快速地反映斷路器的觸頭溫度變化情況。其在斷路器觸臂上的安裝示意圖如圖2所示。

2.2 磁芯材料及線圈匝數的選擇

在選擇CT磁芯材料時，首先要考慮的是高壓自具電源的啟動電流盡可能小，因此要求選用高磁導率的磁性材料。同時，母線電流在大到數千安培時，磁芯要在盡可能小的電流下達到飽和，所以又要選用飽和磁感應強度較低的磁芯材料?？晒┻x擇的常用鐵芯材料主要有硅鋼材料、非晶材料和莫坡合金，它們的基本參數如表1所示。

根據以上原則，通過表1中的幾種常用材料特性比較，該文使用坡莫合金IJ85作為CT互感器的鐵芯材料。它不僅飽和磁感應強度低、磁導率高，而且有很好的初始導磁率，處于非飽和狀態時，導磁率很大，感應電壓隨母線電流變化比較明顯，易在小電流情況下感應出滿足要求的電壓[5，6]。

線圈匝數的確定需要理論和試驗驗證相結合。一方面，根據電磁感應原理，鐵芯體積越大，啟動電流越小，所以可以選擇體積較大的鐵芯，可是僅僅增大鐵芯體積會使成本和重量增加。另一方面，在給定鐵芯材料和負載的前提下，電源的啟動電流與二次側匝數有關。因此最終可以通過確定最佳的線圈匝數來減小電源的啟動電流。線圈匝數和最小啟動電流可以用電磁學的基本理論計算出它們之間的關系，再用這個線圈匝數制成CT電源帶后續電路和實際負載上電實測，看是否滿足指標要求，最后確定出線圈匝數為500匝。

2.3 CT輸出電壓的處理電路設計

磁感應線圈從高壓母線感應出來的是交流電壓，在供給溫度檢測模塊電路之前，CT二次側的感應電壓要經過整流電路、濾波電路、穩壓，DC-DC變換等處理后才能為高壓側電路提供所需的電壓，電路圖如圖3所示。

2.3.1 整流電路

首先要把CT二次側繞組的輸出電壓由交流變成直流，該文采用全波整流橋電路。為了保證二極管在輸出電壓較大時不被擊穿以及減少壓降損失，在選擇二極管時，要求有足夠的耐壓值和要有較小的正向導通壓降[7]。通過比較篩選采用肖特基二極管，由于此整流電路的電流并不是很大，而整流電壓相對較高，所以設計中要選擇耐壓強度較高的肖特基二極管。

2.3.2 濾波電路

整流電路后輸出的直流電的脈動還是比較大，里面含有較大的交流成分，所以要用濾波電路濾除其中的交流成分。在此設計采用復式濾波電路——LC-π型濾波電路，在電容C濾波的基礎上再加上一級LC濾波，比LC濾波電路效果更好。

2.3.3 DC-DC變換電路

由于高壓斷路器母線電流的變化范圍較大，所得到的直流電壓范圍也比較寬，根據溫度檢測模塊電路的需要，要把整流、濾波后的電壓變為5V以供其使用。該文采用78L05三端穩壓器，它的輸入電壓范圍是7～30V，輸出為+5V直流電壓。實際使用中也可以根據不同的電壓需求來選擇對應的穩壓器。

2.3.4 保護電路

（1）過電壓的防護。采用雙向瞬態電壓抑制二極管（TVS）器件，雙向TVS能在正反兩個方向抑制瞬時大脈沖功率，其正反兩個方向具有相同的擊穿特性和鉗位特性。根據這個功能，可以吸收電路中可能出現的異常過電壓，避免電路元件因過電壓而損壞。

（2）電壓保護與能量泄放。整流濾波后的輸出電壓會跟隨斷路器母線電流的增大而增大，鐵芯飽和后，CT感應出的電壓也較大，所以要避免過電壓使DC-DC模塊受到損壞。當電壓較高時，穩壓二極管D1擊穿，三極管Q1導通，為能量釋放提供通道;當電壓較低時，D1不會擊穿，所以不會影響小電流時電源的正常工作。

（3）穩壓器的保護。電路輸出端一般并聯一只大容量的電容器C4來減少紋波電壓，但是如果輸入端發生短路時，電容器C4上存儲的電荷就會通過78L05內部的電路泄放。由于電容器釋放的能量較大，極可能會造成78L05的損壞。為了保護穩壓管，可以在輸入和輸出之間接一個保護二極管D2，這樣它就會為電容器C4上電荷的泄放提供一個通道，起到保護穩壓器的作用[8]。

3 ?實驗結果

實驗采用2500A的電流發生器模擬母線電流為CT電源提供測試工作電流;CT電源是被澆鑄封裝在硅膠，再如圖2所示那樣套在高壓斷路器觸臂上的。CT電源的鐵芯選用坡莫合金IJ85材料，形狀為圓形，其樣機規格為56/48/12，線圈所用的漆包線的線徑為0.19mm，CT線圈匝數為500匝。電源樣機測試結果如表2所示。

4 ?結語

該文為高壓斷路器測溫系統設計的高壓母線感應取電電源，有效地解決了系統高壓側溫度檢測模塊的供電問題，能夠為高壓側電路提供穩定的工作電源;實現了測溫系統的獨立工作，可以大大提高測溫系統的可靠性。

參考文獻

[1] 吳晨靜.高壓開關柜無線實時測溫系統的研究及應用[D].華南理工大學，2017.

[2] 孫正來，孫鳴.高壓開關柜溫度在線監測技術研究[J].電力信息化，2008，6（6）：62-66.

[3] 李紅斌，陳慶.電子式低功耗電流互感器的設計[J].傳感器技術，2004，23（3）：31-33.

[4] 劉忠戰.電子式電流互感器高壓側自勵源供能方法研究[J].高壓電器，2006，42（1）：55-57.

[5] 高迎霞.電子式電流互感器高壓側電路及電源的研究[D].燕山大學，2006.

[6] 申燭，王士敏，羅承沐.電子式電流互感器的研制[J].電力系統自動化，2002，26（18）：41-44.

[7] 何希才，江云霞.現代電力電子技術[M].北京：國防工業出版社，1996.

[8] 曲學基，王增福，曲敬鎧.穩定電源電路設計手冊[M].北京：電子工業出版社，2003.