王丹 西安航空职业技术学院

引言：输电线路的安全可靠运行是电网安全的根本保障。对工业生产和居民生活造成了巨大的影响。输电线路状态在线监测是提高输电线路运行安全的有效方法，监测设备的供电方式及供电技术是其可靠运行的关键之一。由于在线监测设备安装环境的特殊性，对供电电源的设计提出了很高的要求，主要应考虑以下几个方面：一是整个电源系统本身必须高效率、低耗能，从而延长系统连续工作时间；二是提高系统的稳定性及可靠性，也就是说尽可能提高供电系统的性能指标；三是增加抗干扰功能和安全保护设计。

1 电源工作原理

感应取能原理图如图1所示，输电线路交变电流产生磁场，电流互感器的取能线圈从磁场感应得到感应电电势，为了满足输电线路监测设备对电源的要求，还需要设计电源变换电路，将感应的交变电势变换成符合监测设备需求的稳定直流电压。

图1 磁感应线圈原理图

本文的研究内容是设计一套使用电流互感器从高压单相工频交流输电线路取电的电源装置，为一台输电线路实时在线测温设备供电，并对其中的关键技术问题展开研究。一般监测设备的功耗0.75～3.5W，平均功耗为2.5W。根据某供电网10KV线路日负荷曲线知：输电线路的电流是时刻变化的，其大小受用电区负荷影响,所以本文选择输电线路电流变化范围为120～600A，输电线路监测设备功耗为2.5W（+5V、500mA）作为研究对象。

2 电流互感器参数设计

2.1 感应取电

根据电机学理论，一次侧为正弦输入时，取能线圈由铁芯中变化的磁场感应到的二次侧电势为

2.2 气隙与磁场的关系

传统CT的铁心多为闭环结构，但为了安装方便，目前多采用可开启式的结构设计，其特点是在铁心中引入气隙，改变了铁心的励磁特性。由于存在铁心磁阻，电磁式CT在工作时，部分电流用于磁化铁芯，使得二次侧产生感应电势和电流，若加入气隙，则磁化铁芯的电流变大，一部分的能量就要损失在建立磁场上，相应的二次侧感应能量就减少了。

2.3 线圈匝数的确定

根据变压器副边电压计算公式：

电源输出电压的大小将由二次侧线圈匝数N，铁芯磁感应强度B以及铁芯有效截面积S共同决定。为了充分利用母线周围环形分布的磁通量，并综合考虑便于安装的要求，选用O型规格的硅钢铁芯。其规格参数如下： 外径D=130mm，内径d=80mm，宽度a=45mm，气隙，带入式（3.12）即可求出，再将带入式（3.7）的，即可求出功率线圈所需最小匝数匝。考虑漏感和铜损，还需要额外增加5%余量的匝数，再经过具体实验验证调整，实验时取200匝。

3 电路设计

3.1 整体电路设计

自取电电源的工作原理图见图2。由电流互感器感应电动势先经过压过流保护电路，对后面的电源变换电路进行瞬态保护，后经过整流滤波电路及DCDC电路得到一个稳定的5V直流电压，供监测设备工作。

图2 自取电电源工作原理图

3.2 浪涌抑制电路

输电线路的电流出现短路故障或遭受雷击时，会出现冲激电压电流，成为浪涌。这些能量在极短时间内通过CT向电源变换电路输出，因此，必须在CT二次侧设计保护电路，使电源变换电路免受瞬态高压的破坏。

目前浪涌抑制的方法有气体放电管、压敏电阻、抑制二极管类和压敏电阻/气体放电管组合类，本文选择抑制类二极管。

瞬态抑制二极管（TVS）技术利用的是半导体的钳位原理，在经受瞬时高压时，会立即（最高可达到1×10-12 秒）将能量释放出去，综合电源整体架构及以上分析，本文采用可耐受600W瞬时功率，击穿电压约43.5V的P6KE27CA型双向TVS。

3.3 DC-DC电路

3.3.1 Buck电路原理与参数计算

在BUCK变换器的设计中，首先研究了开关频率的选择、制约开关频率的因素和开关频率引起的功率损耗。其次分析BUCK变换器的调制方式、控制方式及环路补偿方式。

图3 Buck电路原理图

3.3.2 电路数学模型与补偿网络设计

闭环Buck变换器主要包括主电路，控制器和反馈网络。Buck变换器的负反馈闭环控制系统如图4所示。

图4 Buck变换器

不加补偿网络，系统开环传递函数波特图中无补偿网络时相位裕PM=9deg，幅值增益DC gain=12.5dB，系统转折频率fp=460HZ,可见系统稳定。

4 结束语

本文在对已有供电电源进行总结的基础上，设计了一种感应取能装置，该装置利用法拉第电磁感应原理，从输电线路电流产生的电磁场感应得到电势，经过电源变换电路给监测设备供电。分析了感应电势与电流互感器铁芯结构、材料、气隙等参数的关系。电源变换电路主要包括斩波器、过压过流保护电路及泄放电路，其中斩波器的作用是将在一定范围内变化的电压变换成满足监测设备精度等需求的直流电压。斩波器采用BUCK变换器，在BUCK变换器的设计中，首先研究了开关频率的选择、制约开关频率的因素和开关频率引起的功率损耗。其次分析了BUCK变换器的调制方式、控制方式及环路补偿方式。实现了在输电线路电流大范围变化时电压及功率指标满足监测设备需求。