有源电子式电流互感器高压侧电源的研究

摘 要：电流互感器是电力系统中的重要设备，介绍一种适用于有源电子式电流互感器的悬浮式直流电源的设计原理。提出一种用补偿线圈和充电电池相结合的方法对母线电流取能方式进行改进的新方案，使电源在更宽的一次侧电流动态范围内满足电子式电流互感器对电源的要求。实验结果表明，该电源能够满足高压侧电子电路的供能要求。该方法是目前解决有源电子电流互感器高压侧电源问题的有效方法之一。

关键词：电子式电流互感器；有源式；储能电池；高压侧电源

中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：1004373X(2008)1802003

Research of the High Potential Circuit Power Supply for Active Electronic Current Transformer

GUO Jiwei,LIANG Kui,DONG Lingkai

(Electrical Information College,Three Gorges University,Yichang,443002,China)

Abstract：The current transformer is an important equipment in power system.The principle of a floating type DC power supply is introduced,which is used in the active electronics current transformer at high voltage side.This paper proposes a new method combining compensation coil and rechargeable batteries,to improve the method that take power from bus current and to make the power meet electronic current transformer requirements in a wider current of high voltage side.The results show that it can satisfy the requirements of the high potential circuit power supply.It is one of effective method to solve active electronic current transformer high potential circuit power supply.

Keywords：electronic current transformer;active;battery stored energy;high potential circuit power supply

1 引 言

电流互感器是电力系统中的重要设备，随着电力工业的不断发展及电网电压等级的不断提高，对电流的测量要求也在不断提高，传统互感器的问题日益突出［1］。新式的电子式互感器应运而生，电子互感器可分为有源式和无源式2种。有源式是指传感头部分采用传统的传感原理，并利用光纤传输数据的电子式互感器，由于光纤只能够传输数字信号，所以必须在高压侧对传感头的输出信号进行模拟量与数字量的转换，这就势必要设计相应的电子电路，因而也就带来了电路的供能问题，这是有源式互感器研究中的难点和关键技术［2］。本文介绍一种用补偿线圈和充电电池相结合的方法对母线电流取能方式进行改进的新方案。

2 设计原理

由法拉第电磁感应定律可知，电源二次侧的感应电动势为:ИE=2πfN2Φm×10－8И式中：f为正弦波频率；N2为二次侧线圈绕组匝数；Фm=BmS为输电线传输电流在变压器铁心激磁产生的磁通量。

设计主要应考虑以下2个问题：

(1) 在系统电流很小时能够提供足够大的功率，以驱动处于高压端的电子线路；

(2) 在系统出现短路大电流时，能吸收多余的能量，给电子线路提供一个稳定的电源，其本身也要保证不因电动力而损坏。

为解决上面2个难题，这里设计图1为实际的电源设计原理性线路图［3,4］。图1中L1为主线圈；L2为补偿线圈。主线圈提供直流稳压工作电源，补偿线圈主要用于控制主线圈的电压应该在一定的范围。充电电池主要作用是在短期断电或小电流情况下充电电池投入供电。

在电力系统正常运行的情况下，是主线圈提供直流电源。当输入电压超过8 V时，检测电池温度和电压，如果温度正常，电压过低则充电电池进入充电状态，如果2个条件有一个不满足不能进行充电。当发生故障或其他原因使主线圈输入电压超过后续电路所能调节的某一个值时二极管VS会导通，电流会使磁控开关闭合，补偿线圈回路导通反向激磁，从而降低铁心中的磁通量，达到降低主线圈供电电压的目的。当发生断路器跳闸或小电流情况时，主线圈输入电压不能提供高压侧电路所需的能量时就切换到充电电池供电，这样就很好地解决了在小电流时不能正常供电的问题。在实际应用中如果大电流过大，可设计多个补偿电路，进一步降低激磁电流值。图1 电源设计原理性线路图3 设计的实现

3.1 铁心材料的选取

铁心是取电的一个重要问题，现在主要用硅钢材料，非晶材料和莫坡合金作铁心。根据高压侧电流的特点选取铁心，数据证明，非晶材料和其他2种相比有更多优点［5,6］。同时注意选取合适的BCH曲线工作点，使电源能够在大的原方电流波动范围内正常供电。

3.2 主线圈和补偿线圈匝数的选取

为了在小电流的情况下感应出所需电压，根据公式:ИP=EI=2πfBSN2IИ其中S 为铁心截面积；I为一次侧电流幅值。

这里需要加大铁心截面积或增加线圈匝数，当匝数太少时感应电压下降，太多时负载能力又会下降，所以实际制作时主绕组为62匝。由电磁感应定律可知，补偿线圈的匝数越多越好，但制作时一定要根据自己需要。因为匝数越多感应电压越高对绝缘的要求就越高，所以制作时补偿线圈的匝数为300匝。

3.3 充电控制过程

充电状态流程 BQ2057的充电曲线如图2 所示，BQ2057的充电分为3个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。

预充阶段 在安装好电池并加上电源后，BQ2057首先检查工作电压 VCC，当工作电压过低时充电器进入休眠模式，若工作电压正常，则检查电池温度是否在设定范围；若不正常则进入温度故障模式；否则检测电池电压VBAT。当电池电压VBAT低于低压门限Vmin时，BQ2057以恒流IREG10%的电流IPRE对电池预充电。

恒流充电 在完成对电池预充或电池电压VBAT 低于恒压VREG时，BQ2057进入恒流充电状态，此时由外部的感测电阻RSNS 上的压降监控充电电流，通过 SNS 引脚获得充电电流的反馈，感测电阻由下式计算：

RSNS=VSNS/IREG，其中IREG为预期的充电电流。