高压侧电容取能电源的研究

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高压侧电容取能电源的研究

■ 武可1 王静丽1 陈晓瑞2 唐立文1 曹胜利1

1.平高安川开

关电器有限公司

2.平高集团有限公司

分析了目前几种供电方案，提出了一种改进的高压侧线上供电方案， 该方案通过绝缘性能优良的高压陶瓷电容进行在线取能，外加电路保护及 电压控制等回路，克服了现存高压取能技术的种种弊端，很好地实现了高 压侧在线取能功能。

武可 工程师

关键词：高压电容取能/电压保护/电压控制

着高压输电线路等级及容量的不断提高， 线路中的短路电流越来越大，从而使得传

统的电磁式电压互感器因铁磁谐振及磁饱和等因素易 发生爆炸等安全事故，严重影响了高压线路的正常有 序进行，也阻碍了智能电网的健康长远发展，即测量 及保护装置安全运行对于整个电力系统的安全生产及 稳定运行是至关重要的，因此，对于高压侧线上取能 领域的研究具有重要的实用价值。

目前常用的高压在线供电方式为电磁式电压互感 器、电流互感器、蓄电池、激光及太阳能等，各有优缺点， 文章中取长补短，提出了一种利用高压陶瓷电容器进 行取能供电的方案，并进行了研究分析。

1 常用供电方式的分析对比

（1）母线电流取能供电

母线电流取能供电方式是利用电磁感应原理，通

假设输出电压的峰值为 U ，可得

U =4.44fN 2Ψm (1) Ψm =B m S λ

(2)

式中，f 为线圈激励电流的频率 ；N 2 为特制线圈绕制 匝数 ；Ψm 为线圈横截面的磁通量幅值 ；B m 为磁感应 强度幅值 ；S 为铁心截面积 ；λ 为铁心叠片系数。

由安培环路定律

H m L =N 1I

(3)

式中，H m 为磁场强度幅值 ；N 1 为一次绕组匝数，此

处值为 1 ；L 为平均磁路长度。

B m 与 H m 的关系为

B m =μ0μr H m

(4) 式中，μ0 为真空磁导率 ；μr 为相对磁导率。

母线

过取能线圈从高压母线上感应交流电压，然后经过整 流、滤波后为高压侧测量系统等供电

[1-3]

。取能电源的 工作原理如图 1 所示，磁感应线圈原理图如图 2 所示。 其基本原理如下。

整流滤波

DC/DC 电源输出

图 1 取能电源原理框图

随

铁心

U

I C

T B

L N1N

2R电压

变换输出

高压侧

光功率

转换

DC/DC

变换

输出

光纤

LD激光二级

管电源

低压侧电源

Research ＆Reviews 设计研发

图2 磁感应线圈原理图

（2）电容电流取能供电电容电流取能供电是利用

电容分压原理从高压母

线周围存在的电场中进行取能，该种供电方式与母线电流供电方式类似，其工作原理如图3 所示。图中，U 为高压母线电压；C为分压电容器；I为流经分压电

容器和变压器T 一次电流；N1和N 2 是取能变压器的一次和取能变压器的二次绕组匝数。

该方法中有诸多问题需要加以考虑，首先是如何保证取能电路和后续电路之间的电气隔离，这需要严格的过电压防护和电磁兼容设计；其次是该方法有诸多误差来源，例如温度、杂散电容等，都将影响该方法的性能；再者就是采用此方法得到的功率十分有限，虽然可通过改变电容C 的大小来调整输出功率的大小，但是过大的电容将会带来更多的问题。

图 4 激光供电原理图能起着重要作用，因此，高压侧电容在线取能装置需要解决四个问题；提供安全稳定的电能以供测量系统

使用；高压电容器的绝缘问题要加以考虑；当线路发

生过电压时，取能电路中要有能量泄放回路；稳定电

压的输出要以电压控制电路等为前提[4-6]。

（2）高低压电容的选择电容分压式取能原理图如

图5 所示，其中，C1 为

高压陶瓷电容器；C2为低压金属化聚丙烯膜电容器。

高压陶瓷电容器直接与高压配网线路相接触，从

高压电路获取电能，再利用电容分压原理，线路从低

压电容器两端取能。

U

=C

1

/(C

1

+C

2

)U=KU (5)

高压线路

U0

图3 电容电流取能供电原理图

（3）激光取能供电激光供电主要是采用激光或其

他光源从低电位侧

借助光纤将光能量传送到高电位侧，再由光电转换器件将光能量转换为电能量，经过DC/DC 变换后提供稳定的电源输出，如图4 所示。

这种供电方式比较新颖，其突出优点是能量以光的形式通过光纤传输到高压侧，完全实现高、低压间的电气隔离，从而不受电磁干扰的影响，提高了稳定性。但其设计的难点在于激光的发光波长及输出功率都受温度影响，必须采取措施对温度进行自动控制；受激光输出功率的限制，特别是光电转换效率的影响，该方法提供的能量有限，而且制作成本高，目前激光供能很难实用化。

2 电源设计（1）电源总体要求在线测量系统要能实现正常工作，取能装置的性

铁心

母线

绕组

电压

变换

C1

C2

熔断器

熔断器

图5 电容分压式取能原理图式中，U 为配网架空线路电压；K

=C

1/(C

1

+C

2

) 为分压比。

以安全可靠，使用寿命长为目

标，高压电容器采用高压陶瓷电容器，其电容容量损耗随温度频率变化具有极高稳定性，并且特殊的串联结构适合于在高电压下长期可靠地工作，并具有高电流爬升速率且适用于大电流回路并无感性结构；低压取能电容采用金属化聚丙烯膜电容器，其具有绝缘电阻高、电容量损耗小和自愈性

强等优点，从而提高了该装置的安全系数。

（3）电压保护与能量泄放为了防止线路中的各种过电压及大电流冲击电源

电路，电路前端会加装压敏电阻以对电路进行保护。线路中，整流滤波后的电压会随着前端母线电流

的升高而升高，当铁心饱和后，感应出的电压也比较

高，因此需加装电压保护及能量泄放回路，以使后续

电路免受破坏。如图6 所示为电压保护与能量泄放电

路，当电压U ab 较高时，稳压二极管D 被击穿，此时

额定电流为10 A 的大功率晶体管开始工作，将线路中

2014年第6期·55