基于ct感应取电的电缆在线监测设备供电电源的设计Word格式.doc
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电缆线路；
CT取电装置；
取电CT参数计算；
CT取电后级电路
ABSTRACT
Cableandtransmissionlinesoftenexistinavarietyofmonitoringequipmentformonitoringequipmentthroughthecurrenttransformer（CT）toobtainenergyandCTparametersofthecalculationandpost-circuitdesignproblems,Thispapertakeuseofrectifierfiltercircuitasaresultofthesecondaryvoltagewaveformissimilartosquarewaveasthecut-inport,calculatetheaveragecurrentvalueflowingintotherectifierfiltercircuit,andusetheloadcurrenttoequalizetheaveragecurrenttofindoutthequantitativerelationshipbetweenthevoltageafterrectificationandtheprimarycurrentandexcitationreactanceandtheloadresistance,Andquantitativelydeterminethesizeoftheloadresistancewhenthemaximumpoweristaken,AsetofaccurateandpracticalcalculationmethodofCTcoreandturnsparametersisputforwardtoquantitativelydeterminethestartingcurrentofCTtakingthedeviceandthetheoryExperimentalvalidation.Last,DesignedareasonableCTtotakepowerafterthecircuit,areasonablesolutiontothewidecurrentrangeofregulationanddischargeproblems.SoastoCTdesignofthecircuittogiveacompletesetofsolutions,averygoodsolutiontotheCTpowerplantengineeringengineeringproblems.
Keywords:
Cable;
deviceofenergyharvestingfromtheCT;
parametercalculationofCT;
thecircuitofenergyharvestingfromtheCT
目录
摘要 1
ABSTRACT II
第1章绪论 1
1.1课题背景及研究的意义 1
1.2CT取电电源的研究现状 1
1.2.1如何使CT取电的启动电流尽量减小 2
1.2.2在正常工作电流范围如何保证输出电压稳定 2
1.2.3大电流冲击情况下瞬态电路保护 3
1.2.4储能装置、供电装置和负载之间有效配合 3
1.3本文完成的主要工作 4
第2章CT取电理论分析以及电流互感器参数选取 6
2.1引言 6
2.2CT取电理论分析 6
2.2.1整流滤波电路的分析 6
2.2.2CT铁芯和匝数的计算 11
2.3CT取电理论实验验证 13
2.3.1PSIM仿真实验 13
2.3.2实际电路验证实验 15
2.4本章小结 21
第3章CT取电装置后级电路设计 22
3.1引言 22
3.2CT取电后级电路设计 22
3.2.1防雷保护电路 22
3.2.2可控硅过压保护电路 23
3.2.3整流泄能电路 23
3.2.4泄流控制电路 24
3.2.5滤波储能电路 25
3.2.6防反复启停电路 26
3.2.7LDO稳压输出电路 26
3.3样机的制作 26
3.4本章小结 28
第4章试验场景的搭建和CT取电电源的测试 29
4.1引言 29
4.2试验场景的搭建 29
4.3CT取电电源的测试 30
4.3.1CT取电电源的启动电流测试 30
4.3.2CT取电电源负载时保护电路动作特性测试 30
4.4本章小结 33
结论 34
参考文献 35
致谢 37
37
第1章绪论
1.1课题背景及研究的意义
随着我国城市化进程加快，电力电缆在电网中的作用越来越重要。
不当操作、水分浸入、外力破坏导致的机械损伤、过电压或过电流、电缆服役年限增长导致的绝缘老化、腐蚀等因素会使电缆出现故障。
电缆故障发生形式通常可分为以下3种类型：
①电缆中的金属导体断路；
②电缆导体对导体短路或导体对地短路；
③绝缘电阻严重下降[1]。
绝缘损坏导致短路和绝缘电阻严重下降占所有电缆故障的绝大部分。
统计资料表明，大多数电缆绝缘缺陷可能会持续数年才会最终导致故障。
电缆接地系统出现开路故障时，金属护层电流会低于正常值，电缆接地系统出现短路故障时，金属护层上电流会高于正常值，提高电缆可靠性和工作年限的办法是及时找到电缆的缺陷部位并修复好，因此电缆状态监测设备被广泛地应用于电缆的监测中[2]。
对于电缆线路上的在线监测设备，由于周围无常规220V交流电源，通常使用锂电池供电，或者就地寻找其他形式的能量进行转换。
锂电池供能存在使用寿命短，低温放电电流小，高温易爆等缺陷，大大降低了电源可靠性。
定期更换电池还带来了维护工作量大和成本增加问题[3]。
电流互感器（CT）取电电源利用CT电磁感应原理获取电能的一种装置。
CT取电电源具有体积小、安装方便、能够长期稳定供能等优点，现场需求量大[4]。
由于CT取电电源技术尚不成熟，生产现场也出现过不少CT取电电源运行过程中出现烧毁现象，并波及到整个监测终端或运行的电气设备。
因此，提升CT取电电源的可靠性一直是工程师们努力的方向。
研制出高可靠的CT取电电源将进一步推动电缆线路无线传感器网络的普及[5]。
1.2CT取电电源的研究现状
CT取电电源是目前热门的研究课题，先后有大量的论文发表。
如何在小电流时获取足够多的电能以及如何在大电流的情况下提供泄放通道，保证设备安全，还有如何在电流变化时，对储能装置、供电装置和负载之间进行有效的配合。
关于CT取电电源的这些问题都有待进一步研究。
1.2.1如何使CT取电的启动电流尽量减小
当一次电流较小时往往取电功率不足以给设备进行供电。
能够让设备正常工作一次电流最小值称为启动电流。
如何减小启动电流从而使设备具有较小的工作死区。
文献[6]论证了取电线圈在未饱和时的输出功率与副边匝数、负载电流、磁化电流等的对应关系，提出了采用电流—电压型Boost预稳压电路，可以减小高压电缆启动电流和输出电压的纹波。
文献[7]提出了最优参数匹配方法，通过合理配置铁芯截面积、次级绕组匝数、电池电压等参数，使得感应取电装置在相同的铁芯和高压母线电流条件下取到相对较多的电能。
文献[8]采取在电流互感器副边并联匹配电容的措施以增大取电功率，并在电流互感器的参数已知或可测量的前提下，给出了匹配电容值计算方法。
文献[9]提出了一种五级电荷泵电路的电流互感器取能电源供电方案，以达到较小的启动电流。
此外，在铁芯材料层面上，在一次电流、匝数、磁通面积不变的条件下，只有提高初始磁导率才能减小启动电流。
硅钢片等传统导磁材料的饱和磁通密度较高，但初始磁导率很低，而新型纳米晶磁材料如铁基微晶的初始磁导率值上升了约40倍。
在设备层面上，应尽可能降低设备能耗和使用低压设备，或者采用多个CT并联和串联的方法[10]，实现减小启动电流。
1.2.2在正常工作电流范围如何保证输出电压稳定
由于线路负载电流变化范围较大，所以要求CT具有较宽的工作电流范围，小到几安培大到几百安培，在如此宽的工作电流范围如何保证输出电压的稳定，并在大电流情况下能长时间稳定工作。
文献[7]设计了一种两级稳压电路，使高压侧电流在较大范围内变化时，输出电压能保持恒定，同时提高磁芯的输出功率，减少输出电压纹波并有效防止磁芯饱和，从而延长其使用寿命。
文献[10]提出一种新型变换器式取能电路,采用取能线圈和辅助线圈2个绕组，利用磁链守恒和开关电源的脉宽工作特性，使取能绕组整流后的电压受闭环控制得到稳压。
文献[11]通过控制法拉电容充电电流，把取电线圈的输出功率限定在一个较小的范围，从而使电流互感器取电电源可以适应较大的导线电流范围。
文献[12]对铁耗进行了计算，并给出了特定铁芯铁耗的计算公式，合理设计铁芯的最大工作磁场强度来保证铁芯温升不太大来提高设备可靠性。
1.2.3大电流冲击情况下瞬态电路保护
出现大电流情况时，如电缆接地短路故障，电缆故障电流高达数千安培，持续时间长达数秒，或者电缆遭受雷击时也会产生一个陡度极高的电流脉冲，它会通过CT耦合到二次侧，在二次侧感应出尖峰电流，如何在这两种情况下保证CT取电装置躲过该电流而不损坏设备。
文献[3-12]均采用瞬态抑制二极管来消除此电流脉冲。
1.2.4储能装置、供电装置和负载之间有效配合
由取电电源的储能设备一般选择电池和超级电容，他们将CT吸收的多余能量先储存起来，在输电线路电流小至不能满足监测设备正常工作时，储能设备自动接入持续供能。
电池包含锂电池及蓄电池，是目前应用在CT取电电源中最多的储能设备。
电池最大的特点是能量密度高，即较小的体积可以储存较多的能量，使得取电CT在输电线路断电后持续工作数小时至数十小时。
但电池功率密度较小，即容量不大的情况下只能释放较小的功率，难以满足具有瞬时大功率特性的监测设备。
除此之外，它的工作温度也有限制，低温放电电流小，高温易爆，充放电次数较少，使用寿命远不及超级电容。
超级电容，属于双层电容器，电容量比通常的电容器大得多，由于其容量很大，对外表现与电池有很多相同点，因此也被称作“电容电池”。
它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间，具有特殊性能的电源。
超级电容利用静电极化电解溶液的方式储存能量。
虽然它是电化学器件，但它的能量储存机制却完全不涉及化学反应，并且高度可逆，允许超级电容充放电次数达数十万甚至数百万次，使用寿命长。
超级电容简单来讲就是电容量很大的电容，单个容量可达到几百上千法拉，其它特性与普通电容类似，其充放电电路简单，可快速充放电，只需数秒便可实现满充，且具有瞬时大功率特性，功率密度高，近几年来逐渐在CT取电电源中得到应用。
但是，超级电容的致命缺点是能量密度太小，储存能量少，续能时间段，随着能量的释放电压会呈指数下降，不能为负载提供稳定电压。
从使用温度的范围考虑，使用超级电容更加的合理，针对于超级电容器随着输出功率电容电压的变化，采用LDO线性稳压器即可解决该问题。
于一次电流会随着负载的变化而变化，甚至会有一段时间有电流而有一段时间电流断续，这时候仍然需要设备持续可靠工作，这就需要增加储能装置，这就带来了新问题，即储能装置和供电装置以及负载如何进行有效配合。
文献[13]提出了一个由一大容量超级电容和一个小容量超级电容相互配合的方式，即通过超级电容过渡输出的方式来减小电流死区和稳定输出。
文献[14]分析结合CT与超级电容的取能电路，找出电容电压与CT二次侧输出功率之间的关系，使CT工作在临界饱和状态，取能效率最高。
1.3本文完成的主要工作
本文主要任务是，设计一款CT取电装置从金属护层上流过的电流进行取电来给电缆监测设备供电，保证金属护层电流达到启动电流以上时能为电缆检测设备提供稳定的电能。
采用波形分析与数值计算方法，对取电CT的带载能力进行了定性分析、定量计算及实验验证，给出了取电CT设计方法；
研制了一款基于可控桥式泄能电路和可控硅泄能电路的CT取电电源，以满足宽电流工作范围，为电缆线路监测设备提供了电源解决方案。
论文各章节安排如下：
第一章谈论国内外研究现状和背景，CT取电电源相对于其它电源的优势以及研究CT取电电源的意义进行了阐述，分析前人所做的工作不足之处以确定本文的研究方向和要解决的问题。
第二章对电流互感器进行相应的理论分析，对电流互感器取电装置进行数学建模，结合实验验证，提出一套合理的CT取电参数设计方法。
第三章对CT取电后级电路进行设计，同时完成该电路各元件参数的选型，完成了取电CT的参数选取并制作了样机。
第四章针对第三章所做的CT取电后级电路进行试验，测试了CT取电装置的可靠性。
第2章CT取电理论分析以及电流互感器参数选取
2.1引言
本章从取电CT二次侧电压波形近似方波着手，借助简化的取电CT电路模型，通过数学推导与波形分析得出了整流滤波后电压与励磁电抗和负载电阻的定量关系，并得出了负载为何值时能够取到最大功率的定量关系，又通过使启动电流时负载获取最大功率推导出了启动电流、负载电压、负载电流与铁芯参数的定量关系并进行了实验验证。
2.2CT取电理论分析
2.2.1整流滤波电路的分析
CT也属于一种特殊的变压器，为了简化分析，忽略CT的漏电抗，CT可以建立如图2-1所示电路
图2-1无整流滤波电路，CT与负载的等效电路
为一次侧等效到二次侧的正弦波电流源,由于CT取电负载的变化几乎不会改变改变一次侧电流的大小，所以一次侧等效到二次侧的激励看成电流源。
为二次侧看进去的励磁电抗，为二次侧看进去的铁耗等效电阻，为负载电阻，由电路原理易知，当=时，即共模匹配时，即可以取到最大功率，通过公式推导。
（2-1）
由于,所以，即当时，有共模匹配，能取到最大功率。
但是CT取电电路存在整流滤波电路，需要具体分析其工作情况，然后进行合理的等效。
图2-2考虑整流滤波电路的CT取电简化电路结构
对图2-2进行分析时，进行如下处理：
和为常数，不随电压变化而变化，即不随磁感应强度变化，且由于,所以忽略。
D1-D4二极管正向导通压降为0.7V，反向截止，电容C足够大。
图2-3考虑整流滤波电路的CT取电简化电路结构仿真波形
图2-3仿真波形中，为励磁电抗中流过的电流波形，为CT二次侧电压波形，可以发现二次侧电压波形由于整流滤波的非线性作用，呈现的波形近似为50HZ方波，由于加在励磁电抗上的电压就为，所以励磁电流为如图所示三角波波形，且易知CT二次侧电压有效值比负载上电压有效值高1.4V，这是由于整流桥1.4V压降导致的。
设CT二次侧方波电压有效值为，则有如下公式：
（2-2）
其中为负载平均电流，为负载等效电阻值，1.4V为整流桥压降。
由于二次侧为方波电压，根据励磁电抗的电压电流关系公式，由此可得励磁电流为：
（2-3）
其中为CT二次侧方波有效值，L为励磁电感值，T为周期，这里都是工频，所以都为0.02s，为时间。
以的相位为基准，激励为正弦电流源，这里设，由图2-2知
（2-4）
其中为流入整流滤波电路的的电流，为励磁电抗电流，为正弦电流源电流。
所以的电流表达式已知，又知整流滤波电路无分流作用（忽略二极管反向漏电流），所以的绝对值平均电流就等于流经负载的平均电流，有波形分析易知的相位与的相位相同，这里以的相位为基准，由于相位相同，易知在内为正，在内为负，所以的负载平均电流值为：
（2-5）
其中为电流激励源有效值，为电流激励源相位。
由于的相位与的相位相同，电压过零时，电流也过零，根据（4）,此时,再根据公式（2-3）,可得：
（2-6）
结合公式（2-2）和公式（2-5）可得：
（2-7）
其中
（2-8）
为负载的直流电压。
将公式（2-6）和公式（2-7）联立可得
（2-9）
其中f为频率，本文为工频频率50HZ，通过公式（9）可以求出相角，将公式（2-9）化简可得
（2-10）
再由公式（2-7）和公式（2-8）可得：
（2-11）
将求出来的相角带入公式（2-10）中即可求出电压
（2-12）
分析当不变，何时能取到最大功率，易知取到的功率为
（2-13）
由公式（2-11）和公式（2-13）可得
（2-14）
由公式易知取电功率与一次侧等效到二次侧的电流源的平方成正比。
当取到最大功率时，有：
（2-15）
然后对公式（2-9）隐函数求导求出带入公式（2-15）中，整理后最终求得：
（2-16）
即当公式（2-16）成立时，能取到最大功率，将公式（2-16）与公式（2-9）结合起来，可得：
（2-17）
通过Matlab对公式（2-15）画出其趋势图进行分析
图2-4为300Ω时，取到最大功率的负载值与的关系曲线
由图2-4可以发现,对应一个和一个满足公式（2-15）只有对应的一个固定负载，即只有一个极值点，易知该极值点为极大值点，由数学定理又易知该极大值点就是功率的最大值点，且可以发现一个其取到最大功率的负载值与一次电流的大小也有关系，只有当一次电流足够大时负载与励磁电抗相等时获取最大功率。
当和不变时，用公式输入到Matlab中得出曲线
图2-5和不变，与的关系曲线
由图2-5可以发现，励磁电抗越大，输出电压越高，由于负载不变，取电功率也越大，对于本文分析解决问题的方法，取电CT开气隙是不合理的，这样会降低励磁电抗的大小，使取电功率降低。
通过推导分析，总共得出如下结论：
结论1：
当满足时，能取到最大功率，取到的最大功率由公式（2-12）和公式（2-13）可以确定。
结论2：
公式能确定整流滤波后负载电压与一次电流、负载电阻和励磁电抗的定量关系。
2.2.2CT铁芯和匝数的计算
首先需要定义一些参数概念才能进行计算
启动电流：
设备刚好能够工作时一次电流的大小。
输出电压范围：
设计的CT取电装置往往都是经过储能电容或蓄电池再经LDO输出一个稳定电压供给负载一个稳定的电压值，所以二次侧整流滤波后输出电压为一个电压范围。
输出电流：
二次侧整流滤波后供给负载的电流。
最大线路工作电流：
输电线或电缆正常工作时一次侧最大电流。
对于CT取电设备，都希望启动电流小一些,所以根据结论1，在设备在启动电流附近共模匹配以获取最大功率可以降低CT参数要求，所以先确定
（2-18）
其中是设备的最低工作电压，即整流滤波后输出的电压能刚好让设备开始工作，是设备工作的负载电流。
但一次电流为，由变压器原理，易知
（2-19）
其中是取电CT二次侧匝数比上一次侧匝数的匝比，由于一次侧只有一匝，所以这里也表示取电CT二次侧匝数，当一次侧电流达到启动电流，二次侧电压和输出电流也得满足最低要求，由公式（2-17）结合图2-4易知，只要不是太小，在大部分电流情况下都是功率匹配获取最大功率的，这里为了简化计算令。
确定大小之后，结合公式（2-12）和公式（2-19）即可确定取电CT二次侧匝数。
由公式推导，得出
（2-20）
其中，为一次电流频率，为二次侧匝数，为铁芯磁导率,这里不是指相对磁导率，为铁芯截面积，为铁芯磁路有效距离。
根据图2-5易知越大取电功率越大，由于的最小值由上文已经确定了，即可使，可确定铁芯参数的要求。
确定是用铁芯材料，即可确定的大致范围，确定铁芯形状大小即可确定，由于取电CT二次侧电压波形为方波，则有以下公式
（2-21）
调节S即可调节的大小，确定好S之后由以上公式求出值，然后查找材料或对该铁芯材料做空载试验测得在这个值下具体对应的磁导率，然后计算出,最终就可以确定启动电流的大小。
若对启动电流要求较高的设备，可以在此基础上的理论计算后使即可，这里的代表裕量系数，一般1~1.3左右即可，在装设开合式取电CT时一定要进行实际测量的大小，因为装机时因为装配原因对取电CT之间气隙的大小会改变的大小，必须保证才能保证启动电流在规定范围内。
最终这里针对铁芯饱和的问题进行综述，由于这里是实际铁芯，不像理想铁芯不会饱和，以往有文献报导可以利用铁芯饱和来抑制二次侧电流的大小。
不考虑散热，在这里只要满足在启动电流时对应的电压值按照公式（2-21）算出来的磁感应强度，并且留有一个裕度（1~1.5左右）不在饱和区内即可，这样随着一次电流的增大，二次侧电压升高导致铁芯饱和从而抑制二次侧电流的大小。
但是得考虑由于铁芯工作在饱和区，铁芯会有较大发热，可能会导致铁芯烧毁，而且二次侧有保护电和泄能电路，电压升高到设定值自动会启动保护。
对于铁芯上升温度可以用实验方法测量和一些相关文献推导公式，若温度高于设定值可以通过增大S来降低磁感应强度从而降低发热，本文不再叙述。
对于计算线径大小
（2
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