康荣波, 杨明发

(福州大学电气工程与自动化学院, 福建 福州 350116)

高压设备在线监测装置复合式电源设计

康荣波, 杨明发

(福州大学电气工程与自动化学院, 福建 福州 350116)

针对高压设备中状态参量在线监测装置供电困难问题，以基于ANT无线通信的温度在线监测装置为对象，设计出高压侧取能线圈与低压侧人造光源结合的新型复合式供电系统，该系统以人造光源作为备用电源来克服取能线圈的供电死区问题。取能线圈铁心采用高导磁材料铁基纳米晶合金，通过理论计算结合仿真分析确定出能较合理匹配设计参数的二次匝数。通过引入泄流电路解决了母线大电流下线圈易饱和的问题。实验结果表明，供电系统能在母线电流0～1000A范围内为后端装置正常供电，其中取能线圈启动电流仅1.49A，且在母线电流1000A下未达到磁饱和状态。

复合式电源； 人造光源； 取能线圈； 纳米晶合金； 铁心饱和

1 引言

电力系统中，高压设备承载高电压、大电流，且长期工作于强磁场环境中，因此需要对其内部状态参量进行在线监测。但在监测过程中由于终端采集器一般直接安置于高压系统中，考虑到电气绝缘问题，不能直接对其供电，因此其电源的获取是保证在线监测可靠运行的关键性环节。

目前常用的在线供电方式包括激光供电[1,2]、太阳能供电[3,4]、电容分压供电[5,6]、取能电流互感器(CT)供电[7,8]及环境能量收集供电[9,10]。激光供电能提供较为稳定的电压，但激光发生器的使用寿命与高成本制约了其进一步发展；太阳能供电不适于封闭式高压设备；电容分压供电设计较为简单，但始终存在高压绝缘问题；环境能量收集方式目前仅能提供较为微弱的电能，离实用化还有一定距离。取能CT供电方式因其结构简单、可靠性高等优点，成为目前应用最广的供电方式，但它也存在以下两个问题：①母线电流过小甚至断电时取能CT存在供电死区；②母线电流过大时线圈易饱和。

针对取能CT供电存在的问题，广大研究者已进行了相关研究。其中常用取能CT与锂电池协同供电[11]，该方式可以很好地解决CT死区问题，且具有体积小、电路结构简单等优势，但锂电池组容量有限，无法长时间使用，且一旦损坏不易更换。采用纳米晶合金为铁心材料能在很大程度上减小死区，但在大电流下的饱和问题更加严重，由于无法开气隙处理，目前普遍采用双线圈并行[12,13]来解决纳米晶铁心的饱和问题，这无疑大大增加了装置的体积。在外接取能电路中引入泄流电路不仅能保护后端装置不至过压损坏，而且能防止铁心饱和。目前对前者的分析已较为详细[14]，但对后者的分析尚未完善。

本文提出取能CT与人造光源协同供电的复合式电源系统，以低压侧人造光源代替锂电池，不仅能适应母线长时间小电流甚至断电环境，人造光源更具有成本低、易于更换等优势。此外通过计算结合仿真分析，使线圈设计参数和二次匝数合理匹配，以最大限度减小取能CT的死区；并利用外接泄流电路方法解决了线圈在大电流下易饱和的问题。

2 系统总体结构

系统总体结构框图如图1所示。高压侧单片机间歇性采集被测体温度及CT取能电路二次侧感应电流信息，并将信息通过基于ANT协议的低功耗nRF24AP2无线通信模块传输至低压侧单片机，低压侧单片机通过转换接口将信息传递至上位机。电源部分采用嵌套于母线的取能线圈作为后端装置主要电源，同时低压侧单片机通过采集的二次侧感应电流信息判断CT母线电流是否进入死区范围，一旦判定电流进入死区范围，低压侧单片机开启带聚光效果的人造光源，高压侧太阳能电池将人造光源的光能转换成电能，并作为备用电源投入使用，以保障后端装置的不间断供电。同时低压侧单片机通过检测人造光源电流判断光源是否处于故障状态，使系统可靠性大大提高。

图1 系统结构框图Fig.1 Framework of system

3 高压侧取能线圈设计

3.1 取能线圈电磁感应原理

在实际运行中，取能线圈一、二次绕组损耗和铁损很小，因此本文采用忽略线圈一、二次绕组损耗和铁心损耗的简化模型。根据电机学理论[15]及安培环路定律可得二次绕组电压U2为：

U2=6.28fN2SμIu/l

(1)

式中，f为电网频率，取50Hz；S为线圈铁心有效截面积；Iu为励磁电流；N2为二次绕组匝数；μ为铁心材料磁导率；l为平均磁路长度。

在简化模型中,有：

(2)

式中，I1为母线电流；I2为二次电流。

(3)

式中，P2为二次输出功率；R2为后端电路等效负载。

3.2 母线小电流下线圈输出特性分析

3.2.1 铁心材料及参数选取

为了节约电能及提高光源使用寿命，需尽可能减小取能CT的供电死区,因此需选择较大初始磁导率的铁心材料。纳米晶合金初始磁导率比硅钢片大了约40倍，且具有高线性度、低铁损和重量轻等优势，因此本文选取叠片系数0.76的铁基纳米晶作为铁心材料。图2给出了本文所用纳米晶铁心磁化曲线。

图2 纳米晶合金磁化曲线Fig.2 Magnetizing curves of nanocrystalline alloy

本文设计要求在母线电流2～1000A时取能线圈能正常供电，所有必须满足以下条件：①启动电流下，线圈二次侧输出电压经整流电路和泄流电路后需至少达到后端稳压芯片的最低输入电压；②启动电流下，线圈输出功率需至少大于后续电子电路所需功率。本文所选稳压芯片最低输入电压为4.5V，经实测，后端电子电路平均消耗电流Iav≈7.24mA，在该电流值下取能电路中所有二极管(均为肖特基二极管)的正向总压降约0.8V，因此取Vmin=5.3V，可算得此时平均功耗约38mW，满足后端电路最低工作要求的等效负载约700Ω。由于取能对象为额定电压10kV、额定电流600A的高压设备内部电力电缆，其外径约36～39mm，留一定裕量后选取线圈内径50mm，综合考虑二次输出功率、制作工艺和线圈体积等因素，确定线圈外径100mm，高25mm，算得平均磁路长度l≈235.6mm，有效截面积S≈475mm2。

3.2.2 二次匝数选取

由于纳米晶材料的磁化曲线具有较高的线性度，因此可以找出不同材料磁导率下都能合理匹配设计参数的二次匝数。由图2可以看出，当本文材料工作于不饱和状态时，其磁导率的波动范围是46000～60000，变化幅度较小。为了定性分析线圈输出功率与二次匝数之间的关系，先假定材料磁化曲线完全线性，并在母线电流2A条件下按照3.2.1节设计参数，选取不同的材料磁导率代入式(3)，得到的P2-N2计算曲线如图3所示。由图可知，在材料磁导率最大变化范围内，线圈最佳匝数的偏移量很小，并且在120～150匝范围内，无论材料磁导率如何变化，线圈都能输出较大功率。

图3 不同磁导率下对应的P2-N2计算曲线Fig.3 Calculated curves of P2-N2 in different permeabilities

在实际工作过程中，由于材料磁导率会随着二次匝数的变化而变化，线圈工作点并不会沿着其中某条计算曲线变化而是不断跳变于不同计算曲线之间，因此计算曲线并不是P2-N2的实际曲线。为了模拟线圈实际工作情况，本文采用Ansoft Maxwell平台以“场”的形式对线圈进行仿真，图4(a)为本文建立的线圈仿真模型。选定母线电流2A、后端负载700Ω，二次匝数在50～300匝范围内变化，对应的电磁场仿真结果如图4(b)所示。

图4 取能CT线圈仿真Fig.4 Simulations of draw-out CT

由仿真结果可知，此时最佳二次匝数约为130匝，同时，在100～150匝之间线圈输出功率变化极小。由于本文取能系统采用了二次变比切换以降低热耗(该技术目前已较为成熟，在此不多加赘述)，为了避免变比切换幅度过大影响输出电压稳定性，选定二次绕组150匝。该匝数下线圈二次电压约8.03V，对应输出功率为92.12mW，均能满足线圈正常供电条件，图5(a)和图5(b)分别为该匝数下对应的激励电流和二次输出电压波形。

图5 二次绕组150匝下线圈的二次电压Fig.5 Coil’s secondary voltage with secondary winding of 150 turns

3.3 母线大电流下线圈输出特性分析

大电流下，取能CT易工作于饱和状态，由于纳米晶铁心初始磁导率很高且饱和磁感应强度低于硅钢片，其面临的饱和问题比硅钢片铁心更加严重。

针对硅钢片铁心的饱和问题，目前较为常用的方法是线圈铁心开气隙处理并把线圈做成开合式[16,17]。虽然该法能在一定程度上防止铁心工作于饱和状态，但其等效磁导率大幅减小，且几乎由平均磁路与气隙长度的比值决定而与材料本身磁导率无关，线圈供电死区也相应增大。尤其对于高导磁材料纳米晶而言，开气隙就失去了其相应的优势。因此纳米晶合金不适合开气隙处理，也不适于做成常用的开合式铁心。

为有效结合线圈模型与外接取能电路，本文以saber为平台，将材料磁化曲线和线圈参数导入磁性器件建模工具MCT，并搭建仿真电路。

根据3.2节所定参数，取二次绕组150匝，后端负载700Ω，测得线圈饱和情况如图6所示。可以看出在直接带电阻情况下，线圈在母线5A电流下已经开始饱和，10A电流下已出现较大程度饱和。

图6 取能线圈直接带电阻负载下仿真波形Fig.6 Simulation waveforms when draw-out coil connects with resistive load

本文采用引入泄流电路的方法来防止铁心过饱和，为验证该电路的作用，搭建仿真模型，如图7所示。其中泄流电路由晶匝管、10V稳压管和二极管组成，考虑到saber软件不自带3.3V稳压芯片，由5V稳压芯片MC7805代替，整流桥后端串联1Ω检流电阻用于采样二次电流。由于软件收敛问题，系统无法在二次绕组150匝下进行全电流仿真，本文仿真用250匝代替。图8和图9分别为母线电流100A、1000A下的仿真波形。

图7 取能电路仿真模型Fig.7 Simulation model of draw-out circuit

图9 母线电流1000A下取能电路仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of draw-out circuit with bus current of 1000A

可以得出以下结论：①每个周期初始阶段线圈给电容充电，当电容电压高于稳压管稳压值，晶闸管受触发导通，此后线圈后端负载等效于短路，且母线电流越大，电容充电时间越短，线圈后端负载越快进入等效短路模式；②泄流电路使一个周期内线圈后端等效负载大幅减小，在母线电流大至1000A时线圈依然未达饱和状态；③泄流电路工作后，无论母线电流多大，电容电压依然在11V左右波动，后端电路不会因电压过高损坏。

4 低压侧人造光源供电系统

当取能线圈母线电流不足时，采用低压侧人造光源照射高压侧太阳能电池，光伏作用产生的电能通过稳压芯片为后端装置供电。为保证足够的发电功率，应尽量选取光谱与太阳光接近的人造光源。经研究，氙气灯和白炽灯的光谱与太阳光较为接近，但其中氙气灯存在本身体积过大和驱动电路复杂等缺点，而白炽灯珠体积小，且只需外接220V市电，由单片机电平变化通过驱动电路控制继电器动作即能控制其通断，因此本文选取带聚光效果的小容量白炽灯珠作为低压侧人造光源。

综合考虑面积、效率和成本等因素，本文选取面积25cm2的多晶硅太阳能电池。经测试，所选太阳能电池在本文小容量白炽灯珠照射下的开路电压Voc≈5.1V，短路电流Isc≈135mA，完全能够提供后端电子电路所需电能。

5 系统实验验证

本文通过调压器并接升流变压器把市电升至低压大电流来模拟母线电流。实验现场如图10所示。

图10 大电流实验平台Fig.10 Experimental platform of high current

选定线圈二次绕组150匝，外接700Ω电阻负载，在母线电流2A、5A下对应的输出电压波形如图11所示。可以看出母线电流2A下线圈输出电压约7.62V，对应输出功率82.95mW，与仿真结果偏差不大；母线电流5A下输出电压波形开始畸变，线圈开始进入饱和状态。

图11 700Ω负载电阻下线圈输出电压Fig.11 Coil’s output voltages with resistance of 700Ω

在线圈后端接入取能电路及温度在线监测装置，其中取能电路的稳压芯片采用LM1117-33，输出电压3.3V，输入电压4.5～7V；泄流电路中稳压管的稳压值5.1V；经测试，在泄流电路工作状态下后端的电容电压始终为5.3V。分别取二次绕组50、150、200、250匝进行启动电流测试，实验结果如图12所示。可知在二次绕组150匝下，母线电流仅1.49A时稳压芯片后端就能达到3.3V工作电压，此匝数下对应的启动电流最小。留一定裕量后，设定当母线电流低于2A时开启低压侧人造光源作为备用电源投入使用。

图12 不同二次绕组匝数下的启动电流Fig.12 Starting currents in different turns of secondary winding

分别取母线电流100A和1000A，电路对应的波形如图13和图14所示。可以看出每个周期中电容的充电时间随着母线电流的增大而减小，当电流大至1000A时，示波器已经无法捕捉到电容充电时间，线圈二次侧几乎等效于短路，可以看出此时二次感应电流依然是正弦波，铁心仍然未饱和。

图13 母线电流100A下波形Fig.13 Waveforms with bus current of 100A

图14 母线电流1000A下波形Fig.14 Waveforms with bus current of 1000A

6 结论

(1)针对基于ANT通信的温度在线监测装置，设计出高压侧取能CT与低压侧人造光源协同供电的复合式电源系统，母线电流高于2A由取能CT供电，低于2A开启人造光源，对电流动态适应范围达到0～1000A。

(2)使用纳米晶合金为线圈材料，针对本文后端负载，通过理论计算得出线圈二次绕组在120～150匝范围内能较合理匹配设计参数，并结合仿真确定线圈二次绕组为150匝。通过实验验证得出在此匝数下线圈启动电流仅为1.49A。

(3)引入泄流电路后通过仿真和实验验证得出母线电流大至1000A时铁心仍未饱和。

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Design of combined power supply for on-line monitoring of high-voltage equipment

KANG Rong-bo, YANG Ming-fa

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China)

For the problem of difficult to obtain power supply in monitoring the on-line state parameters of high-voltage equipment, a new combined power supply system which combines high-voltage draw-out coil and low-voltage artificial light source is designed, taking an on-line temperature monitoring device based on ANT wireless communication as the object. An artificial light is used as back up supply in this system to solve the problem of the coil’s dead zone. Iron-based nanocrystalline alloy which is highly magnetic conductive material is used as the core of the draw-out coil. A right secondary winding which can match the design parameters is determined by theoretical calculation and simulation. The shortcoming of coil in saturation with high current can be avoided by incoming bleeder circuit. The experiment results show that the back device can be supplied normally by the power supply system when bus current varies from 0 to 1000A, in which the starting current of draw-out coil is 1.49A, and the coil will not reach saturation when bus current is 1000A.

combination power supply; artificial light source; draw-out coil; nanocrystalline alloy; magnetic core saturation

2015-04-27

福建省自然科学基金资助项目(2012J05086)

康荣波(1990-)， 男， 福建籍， 硕士研究生， 研究方向为电机电器及其系统智能化与在线监测技术； 杨明发(1977-)， 男， 福建籍， 副教授， 博士， 研究方向为电机电器及其系统智能化与在线监测技术。

TM910

A

1003-3076(2016)01-0067-07