汪世平，丁志刚，李 吉，张 吉，邓 庆

（1.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），南京 211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

0 引言

随着智能电网的建设与发展，输电线路电压等级不断提高，电网的分布越来越广，输电线路沿线气候环境复杂，输电线路的安全可靠运行面临巨大挑战，输电线路的巡视维护工作量也越来越大，推广输电线路在线监测与故障诊断技术是提高线路运行水平的必然趋势[1]。

特高压输电线路监测终端主要用于故障定位与诊断，通过高速采样电路采集行波数据进行计算与分析，并将结果通过无线方式传送至监控主站或电力物联网平台，监测终端本体直接安装在一次线路的分裂导线上。特高压输电线路负载电流变化大，线路长，穿越不同的气候环境地区，这些应用特点要求监测终端能够便捷取能且取能功率大、重量轻、体积小、易于安装、免维护、有可靠后备电源供电等[2]。因此，能满足这些技术需求的监测终端供电系统是监控终端长期可靠运行的重要基础。

特高压输电线路监测终端设备的取能设计主要采用电流互感器取能技术[3-6]。但是电流互感器取能技术难点在于一次电流变化范围宽时如何有效取能、启动电流如何降低、以及在一次侧大电流时如何实现保护。针对该技术难点，文献[7]提出采用双线圈控制方法，限制其能量对后级的传输，但该方法复杂，且正常取能功率偏小，12 A 电流时只有0.2 W 左右；文献[8]提出采用变换器式双线圈控制方法，在2.5 W 负载时启动电流偏高，需要大于30 A；文献[9]中试验数据表明，在电流99 A 时，才能输出2.5 W，同样存在启动电流偏高的问题；文献[10-12]中采用单线圈电路设计实现了取能，但由于后级电源采用降压变换电路，其输入输出电压比很大时，转换效率低，限制了其取能电流范围和对应的取能功率；文献[13]中通过配置锂电池解决小电流启动问题，但存在锂电池没电时无法启动的可能；文献[14]主要对取能互感器的材料选型及设计进行了研究，并没有对取能电路进行相关研究；文献[15]采用太阳能、蓄电池方案，适合于直流输电线路取能，用在交流输电线路较为复杂。

本文采用单线圈取能电路，简化了TA 取能部件的设计；采用双门槛晶闸管闭环防护电路及高启动电压的反激变换电路，一方面提高了取能功率，并降低了启动电流，同时在大电流条件下可靠取能；另一方面由于双门槛触发电路的存在，解决了钳压电路失效条件下的供电可靠性。这种取能技术很适合特高压输电线路监测终端供电模块可靠性高、重量轻、免维护等技术需求。

1 宽范围TA 取能电路设计

交流特高压输电线路监测终端设备的取能电流互感器输出侧通过采用闭环控制及保护动作双触发门槛晶闸管电路，在回路中引入大电流间隔性短路电路，确保大电流时变换器输入电压控制在一定的范围内，并结合后级高启动电压Flyback变换器降低启动电流，该取能系统称为宽范围TA 取能电路。采用隔离的Flyback 变换器，可以提高系统的EMC（电磁兼容）特性。

宽范围TA 取能电路由三个部分组成：取能线圈、整流钳位、Flyback，如图1 所示。

图1 宽范围TA 取能电路

图1 中T 为铁心，通常取能TA 是套在输电线路上，一次侧绕组匝数NP为1，取能线圈副边绕组匝数为NS，Q1为晶闸管，Z1、Z2为TVS 管，B1为整流桥，D1、D2为防反灌二极管，R1、C1为延时防抖，Cin为储能、滤波电容，F1为Flyback 变换器，电压检测和比较驱动电路用于Cin电压钳位控制，检测驱动电路的供电直接采用高压小电流BUCK 电路提供，驱动电路直接在检测比较器的输出采用推挽式电路实现。TVS 管Z1的动作值比F1设定的输入稳压值VT高，其目的是当稳压检测回路失效后，TA 输出侧电压高于Z1的动作值时触发晶闸管导通Q1，防止电压过高损坏后级电路，同时还能持续取能，仅后级Flyback 变换器的输入电压从钳位值上升到Z1的动作值，即存在两个动作门槛。

Flyback 变换器F1输入电压范围为（VS～VZ），启动电压VS的取值与互感器设计密切相关。VZ是考虑TVS 管Z1的动作电压（如400 V），闭环控制的目标电压VT在200 V 左右，原边控制器采用QR（准谐振）控制器，减小原边开关损耗。F1的输出电压设定在8 V，一方面给后备高低温电池充电，同时通过后一级DC/DC 变换为5 V，给整个监测终端系统供电。

电压比较电路检测Cin上的电压，当超过设定值时驱动晶闸管导通，旁路二次侧电流。晶闸管导通后，二次侧电流全部流过晶闸管，晶闸管导通期间由Cin储能向后级提供负载所需的能量。

对宽范围TA 取能电路的工作原理进行分析。如图2 所示，根据一次侧的电流不同，宽范围TA取能电路分为三个不同的工作阶段及保护动作。图2 中Vin为Flyback 变换器的输入电压，8 V 为Flyback 变换器的输出电压。

图2 输入电流与Flyback 输入输出电压关系

1）Flyback 电路不工作（Flyback 不启动或不断重启）

当一次侧电流ip非常小的时候（ip远小于IK），副边电流is=ipcosθ，给电容Cin充电，电容电压Vin逐步上升，取能线圈原、副边的角差θ 越来越大，激磁电流增大，is越来越小，直到为零，此时，ip=im，Vin稳定在一个恒定的值，但电压仍没有达到Flyback 的启动电压VS，Flyback 不启动。一次侧电流ip进一步增大后，is又由零逐渐增大，电容继续充电，Vin达到Flyback 的启动电压VS，Flyback 开始工作，给负载提供能量。由于此时is较小，VSIS

图3 Flyback 电路不工作等效电路

2）Flyback 电路启动、钳压电路不工作

当一次侧电流ip大到一定程度后（IKPo/η，Vin将继续上升，激磁电流也随之增大，is减小，当Vin上升到某个值VX时，满足VXIS=Po/η，Vin将保持不变，此时Vin没有达到设定VT，等效电路如图4 所示。

图4 Flyback 电路启动等效电路

3）Flyback 电路、钳压电路均工作

当一次侧电流ip较大后（ip>IT），Vin将继续上升，激磁电流也随之增大，但仍然满足VSIS>Po/η，最后Vi达到设定VT，电压比较检测电路动作，向晶闸管发出驱动信号，晶闸管Q1动作，将Vin钳位在VT，取能线圈相当于短路，后级F1模块需要的能量由Cin提供。此时，副边电流is经过副边整流器B1和晶闸管Q1形成短路电流。在此期间，电容Cin电压逐渐下降，当下降到低于VT后，比较检测电路关闭驱动信号，晶闸管反向关断后，取能线圈输出给电容Cin充电同时给F1供电，直到电容Cin电压Vin再次高于VT，检测电路再次发出驱动信号，周而复始，使电容电压稳定在VT。Q1动作后的等效电路如图5 所示。

图5 Q1 导通时等效电路

4）检测电路失效时保护电路工作

由于正常工作时，Cin承受比较高的电压，并且要具备一定的容量，因此通常采用电解电容，为了防止闭环电路异常导致Cin承受的电压过高而爆炸，需要采取保护措施，即双触发门槛晶闸管电路。当一次侧电流远大于IT，电压检测电路工作异常时，不能可靠将目标电压钳位，Vin将继续上升，直到达到保护动作电压VZ，稳压管Z1动作，晶闸管Q1门极驱动开通，取能线圈输出侧短路，从而避免输出电压进一步上升，其等效电路如图6 所示。Z1动作后，Vin将会逐渐下降，直到低于Z1的动作值，在下一个过零点时晶闸管再次关闭，Vin再次上升直到稳压管Z1动作，重复下一个周期。

图6 保护电路动作等效电路

2 取能电路参数计算

监测终端设备直接安装在特高压输电线路上，结构设计时要考虑避免电晕放电引起的无线电干扰，外部表面曲率半径要足够大，需采用圆柱体结构；另外，结构设计时要考虑冰雪覆盖以及风摆对终端设备的机械振动冲击影响，需减小整体质量以及可靠紧固。在此技术要求下，特高压输电线路监测终端设备取能互感器的设计要考虑以下几个因素：

1）一次电流取能范围在15～1 500 A。

2）终端总重量<5 kg，以便于工人安装及减小机械振动冲击影响。

3）取能TA 安装在输电导线上，磁芯必须能开合，线圈只能绕在一半磁芯上面。

4）适合于分裂导线最大线径场合安装，要求磁芯内径要大于40 mm。

5）能够取能3 W 以上，并在大电流下有额外的能量可以给后备电池充电。

根据上述要求，设计一款合适的取能电路。考虑到最恶劣情况，Cin容值应满足：

式中：Tl为工频周期。综合体积、成本等因素，选择温度范围为-40 ℃～+105 ℃、长寿命的铝电解电容。

根据上文的分析，宽范围TA 取能电路在不同的工作模式下，取能线圈工作特性有些差异，工作在稳压VT时，取能线圈类似TV 运行。由于自感和内阻的存在，一次侧绕组NP和二次侧绕组NS间存在角差θ，即存在激磁电流im。图7 给出了TA 的等效电路和相量图。

图7 CT 取能电路的等效电路和相量图

图7 中R1是等效到TA 原边的负载电阻；μ0为真空中的磁导率（μ0＝4π×10-7），μr为铁心的相对磁导率，铁心的截面积为A，等效磁路长度为l，TA 原边匝数NP=1。一次侧激磁电感L1为：

取能线圈的输出功率即为等效电阻R1上的功率P1：

励磁电流im的大小为：

铁心选定好了后，在要求的最小启动电流下，取能线圈的输出功率大小就取决于等效电阻R1了。例如，采用硅钢片，铁心截面积为24×10-4m2，等效磁路0.24 m，相对磁导率15 000。依据式（3），取能线圈在一次侧15 A 电流时输出功率P1与R1的关系曲线如图8 所示。

图8 取能功率与原边等效负载电阻关系

由曲线可以看出，一次电流为15 A，等效电阻在60 mΩ 时，输出功率达到最大3.3 W。

等效电阻R1由副边电阻等效R2和匝数NS决定：

取能互感器另外一个重要参数为输出侧的绕组匝数NS，匝数决定着flyback 启动电压VS的高低。当一次侧电流达到最小启动电流15 A 时，取能绕组储能电容上的电压Vin达到启动电压VS以上，Flyback 输出系统所需的功率。

此时，取能线圈输出电压与匝数关系如下：

启动电压VS应低于目标电压VT，取130 V。根据式（2）、（4）、（5）、（7）计算出匝数NS为407匝，实际取400 匝。

目标电压VT同样按输出最大功率设计：

根据式（8）计算出VT约为180 V，实际设置为200 V。

另一个需要计算的参数是铁心进入饱和时一次侧电流值。设一次侧电流幅值达到IPM时铁心进入饱和状态，铁心的饱和磁感应强度为Bm，当一次侧电流很大时，取能绕组上电流工作时间很短，可以忽略，副边基本处于短路状态，此时输出电阻为绕组内阻，等效到原边侧的电阻为R1，则饱和电流：

考虑正常最大1 500 A 工作电流时，取能线圈副边电流为3.75 A，电流密度取8 A/mm2，线径取0.5 mm，并且只能绕制在半副磁芯上，计算出的导线内阻为6.7 Ω，等效到原边的电阻为4.2×10-5Ω，饱和磁感应强度取2T，计算出饱和时的一次侧电流约为12 000 A。原边大电流时，晶闸管Q1导通、TA 副边绕组短路时间均增加，副边绕组、整流桥B1、晶闸管Q1的损耗增加，这几个部分的热量通过导热部件传导至监测终端的金属内壁，实现散热，能通过高温85 ℃烤机试验。此时整个取能回路效率较低，但消耗的是多余的能量，不影响监测终端正常的工作。

最终设计完成的带有塑料外壳取能互感器尺寸为：112 mm（宽）×115 mm（高）×80 mm（厚），内径41 mm。基于该互感器的取能电路在一次电流大于15 A 时即可输出3 W 功率，在一次电流为60 A 时，可以输出近15 W 功率，此时可以对后备电池进行充电。

采用上述电路原理和参数设计的宽范围TA取能电路尤其适合特高压输电线路监测终端设备的供电，既能可靠监视线路轻载下工况，又能保证故障电流下终端设备能将故障信息正确上传。同时，由于该电路取能功率大，能满足故障诊断设备配置各种无线模块的功率需求。

3 仿真分析与试验验证

3.1 仿真分析

为验证上文分析的正确性，采用PSIM 软件建立TA 取能电路和Flyback 的仿真模型进行仿真验证。

图9 是工作阶段1 正常启动前的仿真波形：is为0.025 A，Flyback 输出电阻Ro=21 Ω 时（等效负载功率约3 W），Flyback 在不停地重启。

图9 Flyback 电路不启动时输入输出仿真波形

图10 是工作阶段2 的仿真波形：is为0.053 A，Flyback 输出电阻Ro=21 Ω，Flyback 正常工作，此时Vin约为135 V。

图10 Flyback 电路启动后输入输出仿真波形

图11 是工作阶段3 的仿真波形：is为0.3 A，Flyback 输出电阻Ro=21 Ω，Flyback 正常工作。

图11 Flyback 电路工作在钳位电压时输入输出仿真波形

图12 是晶闸管稳压电路仿真波形（Flyback工作、钳位电路工作）：Cin上电压Vin和TA 副边电压VP。

图12 Vin 波形和TA 副边电压波形

3.2 试验验证

根据本文提出的宽范围TA 取能电路，设计了一款取能TA 和对应的DC/DC 电路模块进行试验验证。试验数据表明，在模拟线路电流>15 A时，取能电路即可3 W 负载下启动工作；在模拟线路电流=1 500 A 时，取能电路还可以正常工作。各种工况下，TA 副边侧电压和系统供电电源电压（5 V）的波形如图13 所示。

图13 不同线路电流下，TA 副边电压（CH1）和系统电源电压（CH2）

从上述波形可以看出，在一次侧电流为10 A时，取能不足，导致后级Flyback 变换器不断重启，监测终端设备无法正常工作；在一次电流大于启动电流（15 A）时，后级Flyback 变换器正常输出，后级DC/DC 变换出的5 V 系统电压带载正常，监测终端设备正常工作；当一次侧电流进一步增大后，钳压闭环电路投入工作，实现间歇性取能，此时TA 副边脉冲电压约220 V DC，在后级Flyback 输入电压范围内，电路正常工作，监测终端设备正常工作。经试验证明，在各种工况下，经过整流桥的DC/DC 输入电压均小于220 V，远低于DC/DC 电路主功率器件的允许值600 V，电压应力裕量大，有利于提高可靠性。

本文研制的取能模块在电力工业电气设备质量检验测试中心进行了第三方测试，在取能范围和抗大电流冲击方面的测试结果如下：

1）在15～1 500 A 范围内调节一次电流，取能模块正常工作。

2）能承受40 kA/0.12 s、31.5 kA/0.3 s、15 kA/2 s 的工频短路电流冲击。

3）能承受20 kA 的8/20 μs 雷电流冲击。

4 实际应用

采用上述供电技术的交流特高压输电线路监测终端设备已经应用在实际线路上，共安装36个监测终端，已运行近2 年，在线率100%，终端运行正常。工程现场照片如图14 所示。

图14 监测终端设备NSR-391A 现场照片

陕西线路某日部分运行数据如表1 所示，监测终端能正常取能与工作，并能将相关监测数据通过无线供送到监控主站。

表1 监测终端设备现场运行数据

某110 kV 变电站近期某日部分运行数据如表2 所示，线路负载电流很小，监测终端设备也能正常取能、运行与监控。

表2 监测终端设备现场运行数据

目前工程应用现场的线路负荷电流大小不同，可以验证本文提出的宽范围取能电路的电流适应性。长期kA 级的大电流取能能力暂时无法在工程现场验证，但在测试验证平台上进行了1 500 A 电流1 000 h 烤机的测试（包括高低温环境下），监测终端设备均正常取能与工作。

5 结语

本文提出的低启动电流、宽工作电流范围的TA 取能电路，采用单线圈设计，由晶闸管稳压电路与高启动电压Flyback 电路共同作用，降低取能电路的启动电流；利用Flyback 电路宽范围输入特点和晶闸管稳压电路，提升取能电路的电流范围。该取能方法简化了特高压输电线路监测终端取能模块的设计，提高了监测终端的供电可靠性。同时，这些技术原理与方法也可以应用在低压输电线路监测终端、泛在电力物联网边缘终端的取能与监控等场合。