应用于配电网单相接地在线故障指示器电源

崔 芳，王纯纯，曹 胜

(1.保定供电公司通信公司，河北保定 071003;2.华北电力大学电力与电子工程学院，河北保定 071003)

随着对配电网的可靠性、智能性的要求越来越高，配电网快速准确地在线故障定位显得尤为重要。相位法故障定位检测装置要求把设备分别安装在高压线A，B，C 3相上，实时把采集到的电流和相位信息传送到中心站软件上进行分析，当线路发生单相接地故障时能够快速定位故障区域［1－2］。电源问题是相位法故障指示器可靠运行的关键。文中采用交直流结合的供电方案，利用DC/DC以及三端稳压电路能够为指示器提供其所需的三路可靠的电压。

1 取能电源部分设计原理及其难点

取能电源的设计思路是:利用特制线圈的饱和特性，将高压线15～800 A的电流感应出9～40 V的电压能量，之后利用整流滤波电路将交流电压转换成稳定的直流电压，利用DC/DC模块将滤波后的9～40 V电压变换成9 V稳定的直流电压。最后通过电压转换模块转换成1路5 V，1路－4 V和1路3.2 V的电压供给故障指示器的不同芯片使用。为防止母线大电流情况下，特制线圈电流过大导致后端电路烧毁，特为电路增加了过压保护和稳压控制电路，起到保护器件的作用，为保证在小电流的情况下设备仍然能继续工作，电源特增加了储能电池模块。

该电路的设计难点主要在于解决以下3个问题:(1)在导线电流较小时，可以输出足够的功率。(2)在导线电流超过额定电流时，甚至短路的情况下取能装置可以可靠工作。(3)为使故障指示器正常工作，必须为其多种元器件及模块进行供电，由于该装置所涉及的元器件较多，且不同的元器件所需的供电电压又不同，故设计取能电源时最终的输出电压要能为不同的器件提供所需的电压，如何解决这3方面的问题是主要的难点和考虑因素，设计基本框图如图1所示。

图1 电源模块系统框图

2 特制线圈的设计原理与设计方案

2.1 磁感应线圈的设计

每种磁芯材料都有它的磁化曲线，以铁基纳米晶磁芯为例，整个磁化曲线分为线性段，缓慢上升段和饱和段。当一次侧电流ip较大时，磁芯就会进入饱和状态，此时虽然磁感应强度随磁场强度的增长而增长，但其速度缓慢，可近似认为磁芯的最大磁感应强度为BS。设磁心线圈在外施电流下，每半周内磁化曲线的工作点变化范围为［－Bs，Bs］则根据公式［3］

感应电压半周内的积分

其中，e2为感应电动势;W2为次级线圈匝数;Ac为磁芯的截面积，此结果表明处在饱和工作状态的磁芯线圈，其感应电压在半周内的伏秒值基本保持不变，其大小仅与磁芯截面、最大磁感应强度、线圈匝数有关，而与高压线电流无关，基于此本文设计磁感应线圈工作于饱和区以限制大电流。

电流互感器作为母线取能装置，它要兼顾最小启动电流和饱和大电流两方面来设计。随着磁芯材料的进一步改进，经过多次实验最后选用饱和磁感应强度低，导磁率较高的铁基纳米晶磁芯，可进一步选择合适的匝数改变ip，指示器对能量的需求约为1.5 W，考虑到整流桥的压降和DC/DC的转换效率，取能线圈的输出功率应该不少于2 W。系统设计指标为磁芯线圈的截面积为S=6 cm2，磁路长度l=5.2 cm原边电流为15～800 A时稳定输出功率＞1.5 W。取能线圈副边匝数N2由以下两方面确定:(1)正常用电时，当高压线一次侧为下限电流时，最大功率点副边的输出经整流滤波后大于DC/DC芯片的最低工作电压(Vmin=9 V)即其中f为输电线路正常工作时的频率为50 Hz;(2)原边电流为额定上限且线电流取能线圈输出最小电压时，电源最终输出的功率应该满足设计的要求即原边绕组为1匝原边电流为15 A，平均磁力线长度为0.2827 m从而计算出当输电线路上电流为15 A时，磁场强度H为53.06 A/m，通过查阅图2铁基纳米晶的磁化曲线可知，此时铁基纳米晶的饱和磁感应强度为Bs=1.15 T。从而估算出N2。

考虑到线圈处于饱和时电压有所畸变以及磁芯绕组的工艺问题等，在绕线时应该多绕一些以方便实验调整。通过调整实验，确定了该线圈的副边匝数为68匝时，电源可以正常工作。

2.2 整流滤波电路

整流桥器件要满足其反向耐压大于特制线圈提供的最大输出电压，同时选用正向压降比较小的肖特基二极管，以保证在输电线路小电流的情况下，因整流桥正向导通压降而损失的电压尽量小。经过器件选择后，最终选有肖特基二极管构成的全波整流桥，考虑到经过整流后的电压不平稳，加一个滤波电容则输出波形得到明显改善，经过物理实验和MultiSim实验仿真结果如图2～图4所示。但为得到更加稳定的波形可以考虑用∏型滤波器［4－5］，总体设计以及输出波形如图5所示。

表1 电路启动、继电器动作与二次侧线圈匝数关系

2.3 过压保护器件

考虑到当高压线出现雷击或短路大电流时，能给后端电路足够的保护，因此在线圈的输出端加一个压敏电阻，当压敏电阻两端的电压低于压敏电阻设定的电压时，压敏电阻相当于开路，但当压敏电阻两端的瞬态电压高于设定的电压时，压敏电阻值加载设定值，其余的电压能量将被消耗掉。文中DC/DC模块正常工作时的电压范围不超过45 V，因此对于电路的瞬态保护采用3倍于最大工作电压的压敏电阻进行保护［6］即150 V压敏电阻。

2.4 稳压控制模块

当磁芯进入饱和状态，主磁通仍会随着ip的增加而小幅增加，为满足DC/DC输入需要，特增加一控制线圈，以抵消部分ip，减低磁芯的磁通量，进而降低大电流时二次侧线圈的感应电压值，此电路模块的核心器件是继电器，如图5所示，利用D3、R2、D4这3个器件控制继电器的输入端，继电器正常工作的导通电流约为3 mA，因此可以粗略计算出，当整流滤波后的输出电压约在45 V时继电器的输入电压为5 V满足4～7 V的开启范围，此时继电器闭合，控制线圈投入工作，反向励磁，限制电压的上升，进而保护DC/DC模块［7］。

2.5 能量泄放以及充电电路

在电路中，整流滤波后电压偏高，为保护降压至9 V的DC/DC器件，采用一个电阻和齐纳稳压管组成能量泄放电路。当整流滤波后输出的电压较大时，能量泄放电路进入工作状态，同时可为储能电池供电可适当降低高压侧大电流情况下，二次侧线圈输出的电压。当整流滤波后的输出电压较低时，后端释放能量的电路不工作，因此不会降低输电线路小电流时为后端电路提供的电压，如图5所示。

D是齐纳稳压管当电压超过电池电压时为储能电池供电［8］，当稳压管电压超过10 V后，该齐纳管处于雪崩状态，整个齐纳管的电流急剧上升，导致D和R发热，从而起到保护作用。

图6 继电器工作、能量泄放以及充电电路原理图

2.6 DC/DC以及电压转换模块

故障指示器元器件正常工作时需要电源提供+5 V，－4 V和+3.2 V三路电压，所以电源最终要稳定输出这三路电压。文中通过DC/DC模块以及三端稳压器件来实现此功能。第一级DC/DC把整流滤波后的电压转换为9 V，第二级用MC7905T将第一级的9 V电压转换成－4 V和5 V两路，MC7905T是一个负输入，典型输出为－5 V的三端器件，为得到5 V和－4 V的电压，可以转换MC7905T的接法:将9 V负极接2端，输出端3接地，这样1引脚输出为5 V，2引脚输出为－4 V，在电路两端加上100 μF滤波电容去杂，第三级用AS117将第二级5 V的电压转换成3.2 V实现如图6所示。这样就能得到故障指示器正常工作所需的电压。

图7 电压转换模块

3 整机实验结果

把电源安装在故障指示器上，当输电线路电流在0～800 A的情况下，充电电池和电流互感器相结合供电，解决了供电的死区问题，功能电路能提供稳定的电压输出，具体实验数据如表2所示。当线路电流达到15 A时，高压电源就能正常工作，经整流滤波、稳压变换后能够取得+5 V，－4 V和3.3 V的电压供后续电路工作;当输电线路电流很大时，也能够保证正常供电。

4 结束语

通过实验证明当线路电流达到15 A时，本文研究的高压取能电源就能正常工作，经整流滤波、稳压变换后能够取得5 V，－4 V和3.3 V的电压供后续电路工作;当输电线路电流很大时，也能够保证正常供电。结果表明，采用文中设计的电源能够满足单相接地故障指示器正常工作所需的电压和功率，使在线故障诊断的方法实用化。

表2 实验数据

［1］ 张利，杨以涵，司冬梅，等.基于零序电流和磁场检测故障杆的配电网故障定位［J］.电力系统自动化，2008，32(14):73－76.

［2］ 戚宇林，成艳，杨以涵.35 kV配电网单相接地故障综合定位方法［J］.电网技术，2006，32(10):38 －42.

［3］ 李芙英，朱小梅，纪昆，等.一种应用于高电压侧测量系统中电源［J］.高电压技术，2002，28(3):46 －47.

［4］ 李红斌，刘延冰，张明明.电子式电流互感器中的关键技术［J］.高电压技术，2004，30(10):4 －6.

［5］ 彭长保.电子式电流互感器高压侧在线供能研究［D］.武汉:华中科技大学，2007.

［6］ 雷式湛.激光技术手册［M］.北京:科学出版社，1992.

［7］ 李膨.光电电流互感器供能电路的研究［D］.北京:清华大学，2003.

［8］ 高迎霞，毕卫红，刘丰.电子式电流互感器高压端供能电源的设计［J］.电力电子技术，2007，41(10):74－76.