電子式互感器高壓側(cè)電路的供能研究

電子式互感器高壓側(cè)電路的供能研究

1電子式整體傳感關(guān)鍵技術(shù)研究隨著電氣工業(yè)的快速發(fā)展和電網(wǎng)電壓等級的不斷提高，高電壓和大電流的測量要求也不斷提高，傳感器的隔離問題日益突出。對于傳統(tǒng)的電磁式電壓、電流互感器來說，由于絕緣成本隨著絕緣等級的升高呈指數(shù)增長，因此原有的空氣絕緣、油紙絕緣、氣體絕緣和串級絕緣已經(jīng)不能滿足超高壓設(shè)備的絕緣要求，而且傳統(tǒng)的電壓、電流互感器存在磁飽和、鐵磁諧振、易燃易爆及動態(tài)范圍小等問題。于是，各種旨在解決超高壓絕緣問題的測量方法應(yīng)運(yùn)而生，國際電工委員會通過對這些方法的統(tǒng)計分析，提出了電子式電壓、電流互感器的概念。依據(jù)國際電工委員會的標(biāo)準(zhǔn)，電子式互感器可以分為有源式和無源式兩種。具體來講，無源式是指傳感頭部分采用先進(jìn)的光學(xué)傳感原理，并通過光纖將信號傳送到低電位側(cè)的電子式互感器。由于傳感器輸出信號本身就是隨著被測量變化的光信號，因此不存在設(shè)計高壓側(cè)電子電路的問題，相應(yīng)的也不會有電路的供能問題。而有源式則是指傳感頭部分采用傳統(tǒng)的傳感原理，僅利用光纖傳輸數(shù)據(jù)的電子式互感器，由于光纖只能夠傳輸數(shù)字信號，所以必須在高壓側(cè)對傳感頭的輸出信號進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，這就勢必要設(shè)計相應(yīng)的電子電路，因而也就帶來了電路的供能問題，這是有源式互感器研究中的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。已有多種方法被研究人員提出，而且有些已經(jīng)有了商業(yè)化的產(chǎn)品，但這并不能說明該問題已經(jīng)得到解決，因?yàn)榧词挂呀?jīng)商業(yè)化的產(chǎn)品也仍然存在不足。2穩(wěn)定、可靠的工作電源典型的有源電子式電流互感器的基本原理見圖1，它分為高壓側(cè)電路、低壓側(cè)電路以及光纖傳輸3個模塊。其中，高壓側(cè)電路的作用是將傳感元件的輸出信號進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，以方便利用光纖進(jìn)行信號的傳輸，而低壓側(cè)電路的作用則是將光纖傳送下來的信號進(jìn)行處理，并將結(jié)果送入相應(yīng)的測量與繼電保護(hù)設(shè)備?？梢?，為了確保高壓側(cè)電子電路的正常工作，必須提供穩(wěn)定、可靠的工作電源。圖中的虛線給出了幾種可能的供電方式，這里采用虛線的目的是說明可能的供電方式有很多種，而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中通常是在眾多方式中選取某一種。3ct分壓器優(yōu)缺點(diǎn)分析目前常用的供能方式主要有利用電流互感器（CT）或電容分壓器從母線上取電能、激光供能、太陽能供電及蓄電池供電等，下面就對這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析比較。3.1鐵心材料的選用和工利用CT從母線上取電能的典型電路見圖2。其基本工作原理是利用特制CT從母線上感應(yīng)電壓，通過整流、濾波、穩(wěn)壓等后續(xù)電路處理后，提供給高壓側(cè)電子電路所必需的電源。采用這種方法面臨兩個困難：當(dāng)母線電流處于空載等小電流狀態(tài)時，如何保證電源的正常供應(yīng)；而當(dāng)母線處于超過額定電流的大電流狀態(tài)，甚至是短路故障電流時，又要給予電源板足夠的保護(hù)。文為了解決這些問題，采取了多種措施：一是對CT鐵心材料進(jìn)行篩選，選擇坡莫合金構(gòu)造特制CT；二是設(shè)計了相應(yīng)的控制方案，確保在母線電流變化比較大，尤其是出現(xiàn)大電流的情況下，能夠有穩(wěn)定可靠的電源輸出。采取這些措施后，在3～1000A的電流變化范圍內(nèi)，取得了5V的穩(wěn)定電壓輸出。文則選取鐵基納米晶材料構(gòu)造CT鐵心，并在過電壓防護(hù)、能量泄放電路、電磁兼容設(shè)計等方面進(jìn)行了深入研究，能夠提供兩路5V和一路±12V電源，各路電源的紋波均小于20mV，提供的總功率為200mW，確保了高壓側(cè)電路的正常工作。文也是基于這種供能方式設(shè)計出了相應(yīng)的電子式互感器樣機(jī)，取得的效果還是令人滿意的。3.2高壓側(cè)電路供能利用高壓電容分壓器取電能的思想類似于CT取電能，都是就近取材的想法。其基本電路見圖3。高壓電容分壓器從母線上取得電能后，也要經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓等處理措施，然后才能夠給高壓側(cè)電路供能。文在這方面進(jìn)行了細(xì)致的研究，通過調(diào)整電容C的大小來獲取不同的電流輸出，從而達(dá)到設(shè)計的功率要求。采用該方法面臨著比CT取電能更大的困難，首先是如何保證取能電路和后續(xù)工作電路之間的電氣隔離問題，這要求更為嚴(yán)格的過電壓防護(hù)和電磁兼容設(shè)計；其次就是這種方法有著更多的誤差來源，溫度、雜散電容等多種因素都將影響該方法的性能。因此獲取電源的穩(wěn)定性和可靠性較CT取電能方法為差；另外就是采用這種方法得到的功率有限，雖然可以通過改變電容C的大小來調(diào)整功率輸出，但過大的電容將會帶來更多的問題。3.3外界干擾較少激光供能的基本原理見圖4，該方法采用激光或其他光源從低電位側(cè)通過光纖將光能量傳送到高電位側(cè)，再由光電轉(zhuǎn)換器件（光電池）將光能量轉(zhuǎn)換為電能量，經(jīng)過DC-DC變換后提供穩(wěn)定的電源輸出。由于激光二極管的工作原理可以確保光供率在一定溫度條件下的穩(wěn)定，所以通過光電池轉(zhuǎn)換后得到的電源也相對比較穩(wěn)定，且電源的紋波也比較小，噪聲低，不易受到外界其他因素的干擾。當(dāng)然，這種方法也存在不足，由于受激光輸出功率的限制，特別是光電池轉(zhuǎn)換效率的影響，該方法提供的能量有限，因此對高壓側(cè)電路提出了微功耗設(shè)計的要求，加大了電路設(shè)計的難度。由于該方法的優(yōu)點(diǎn)突出，因此在諸多供能方法中得到了最為廣泛的重視。ABB公司研制的激光供能電子式電流互感器從350kV到500kV乃至直流都已經(jīng)在現(xiàn)場運(yùn)行，激光管的輸出功率1.5W，壽命10萬小時。而在我國則只有西門子公司生產(chǎn)的激光供能式的電子式互感器得到了成功的現(xiàn)場應(yīng)用，在廣州某變流站里已經(jīng)安全可靠地運(yùn)行了幾年。美國PhotonicPowerSystems公司研制成功的激光供能電子式電流傳感器，激光管輸出功率為250mW，光電池光電轉(zhuǎn)換效率高于40%。而在激光供能結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，文進(jìn)行了細(xì)致深入的研究，提出了3種設(shè)計方案，目前普遍采用的是利用不同的光纖分別傳輸數(shù)據(jù)和能量，而傳送能量的光纖數(shù)目則可根據(jù)要求靈活選取。3.4次電池對太陽能電池雙向充電的測量太陽能電池的多年研究與發(fā)展積累下來的經(jīng)驗(yàn)使得其在有源電子式互感器中的應(yīng)用成為可能。圖5就是其應(yīng)用示意圖，由于太陽能電池SB的輸出易受光強(qiáng)、外界環(huán)境溫度變化、季節(jié)變化等因素的影響，所以為了獲得穩(wěn)定的電源輸出，必須與二次電池B構(gòu)成組合電源系統(tǒng)，防反二極管D的作用是防止二次電池對太陽能電池的反向充電。文基于這樣的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了對電力系統(tǒng)中大電流的測量，被測電流在227～500A之間時，測量結(jié)果的準(zhǔn)確度為1.5%。采用該方法的不足之處在于電源的不穩(wěn)定性，這是由太陽能電池固有的缺陷決定的，另外就是太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率問題，使得該方法提供的能量有限，從而限制了其應(yīng)用。3.5高壓側(cè)c、壓該方法采用蓄電池對高壓側(cè)的電子線路進(jìn)行供電，電池的能量來自高壓母線電流，接在母線上的經(jīng)過特殊設(shè)計的電流互感器或電容分壓器構(gòu)成蓄電池的交流充電電源，經(jīng)過穩(wěn)壓和整流后對電池進(jìn)行充電。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)起來比較容易，但是蓄電池的壽命比較短，且由于放在高壓側(cè)，更換起來比較困難，因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中很少被采用。一般情況下，該供能方式都被用作輔助式電源，文將該方式和CT供能相結(jié)合對高壓側(cè)電路進(jìn)行供電，在母線電流比較小的情況下啟動蓄電池進(jìn)行供能，兩者取長補(bǔ)短，取得了滿意的效果。但是采用這樣的方法在制造成本及可靠性方面還存在不少問題，因此不應(yīng)該成為將來的發(fā)展方向。4關(guān)于這些問題的討論4.1太陽能電池供電效率與測試這里主要討論有實(shí)用化前途方法的改進(jìn)，也就是說對CT供能方法、激光供能以及太陽能供電方法的改進(jìn)。對于CT供能方法來講，努力的方向是確保該方法有盡可能寬的工作電流變化范圍，為此將研究重點(diǎn)放在鐵心材料的改進(jìn)上，坡莫合金、微晶合金等飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低、導(dǎo)磁率高的材料受到了青睞，取得的成果也令人鼓舞。研究成果表明已經(jīng)可以在3A以上的電流取得穩(wěn)定的電壓輸出，基本上能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。而對于激光供能方法，一方面是大功率激光器的研究，另外就是光電池轉(zhuǎn)換效率的研究，這兩方面取得的研究成果是可喜的，且已經(jīng)基本達(dá)到商業(yè)化的程度，但是有一個問題也還要引起注意———連接兩者的光纖材料性能問題，如果其性能得不到提高，則只能夠通過增加光纖的數(shù)目來傳輸更多的能量，但這樣做的成本將有所增加，因此也有研究人員在這方面做了工作。對太陽能供電方法，雖然目前應(yīng)用還比較少，但是隨著太陽能電池性能的大幅提高，其應(yīng)用前景也會越來越廣闊。目前，普遍使用的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高為20%，但是美國的研究人員已經(jīng)利用太空太陽能電池的研究成果將這個指標(biāo)提高到了32.3%，成果喜人。如果能在太陽能電池輸出的穩(wěn)定性方面有更大的進(jìn)步，該方法在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中將會更有吸引力。4.2組合供能方法鑒于目前所有的供能方法在應(yīng)用中均存在一些問題，因此組合供能的方法得到了人們的關(guān)注。前面已經(jīng)提到了一些組合供能的方法，如太陽能電池和可充電電池的組合、CT供能和蓄電池的組合等。文[14采用的是CT供能和激光供能的組合。應(yīng)當(dāng)說，組合供能方法的初衷是好的，取長補(bǔ)短以提高性能，但是采用這種方法有可能提高制造成本，且在結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性方面及兩種供能方法的可靠切換方面都存在問題，因此只能作為一種過渡方案。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及一些供能手段的日益成熟，這種方案終將遭到淘汰。4.3微波輸能部分研究近年來，一些新的供能手段在某些領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用，從而提供了將其應(yīng)用于有源電子式互感器的可能。超聲波供能的原理就是利用地面上的超聲波振蕩器驅(qū)動一個與玻璃纖維棒相連的石英傳感器，纖維棒的另一端延伸到需要供能的電子線路部分，用一個相同的石英傳感器將超聲波轉(zhuǎn)換為電能。國外研究人員主要將其應(yīng)用到微操作機(jī)器人領(lǐng)域，已經(jīng)取得了一些成功的經(jīng)驗(yàn)。但是應(yīng)用這種方法存在的主要問題是：超聲波設(shè)備的造價以及轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，所以這種方法還沒有達(dá)到真正實(shí)用化的程度，仍然需要進(jìn)一步的研究。微波輸能的研究最早可以追溯到20世紀(jì)50年代，美國空軍于1964年研制成功S波段微波功率驅(qū)動的直升飛機(jī)。該飛機(jī)通過安裝在機(jī)身上的整流天線直接從微波波束中提取高頻能量，已經(jīng)可以獲得200W的功率。典型的微波輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖6。可以看出，微波輸能是一種無線輸能的方式，由于微波在空氣中傳輸?shù)倪^程中損耗極小，且無線供能的方式實(shí)現(xiàn)簡單、方便，因此微波輸能的發(fā)展得到廣泛的重視，其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了很多有價值的成果，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也正在進(jìn)行中。若將其應(yīng)用到有源電子式電流互感器，還有幾個問題需要注意：一是接收天線的設(shè)計問題，特別是在天線面積及其放置方式的設(shè)計上，應(yīng)當(dāng)避免天線放置方式對絕緣設(shè)計的影響；另外就是微波輸電是否會對變電站其他設(shè)備的正常運(yùn)行帶來干擾信號，尤其是數(shù)據(jù)通信及繼電保護(hù)設(shè)備的動作方面，更應(yīng)引起注意。不過由于這種方式輸送的能量要遠(yuǎn)比激光供能的大，所以如能在關(guān)鍵技術(shù)問題上取得突破，應(yīng)用前景還是比較明朗的。5高壓側(cè)電路采用ct供能方式的可行性(1）電子式互感器是電力系統(tǒng)