CN103701380A

CN103701380A - 铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应ct取电方法

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Publication number: CN103701380A
Application number: CN201310752198.4A
Authority: CN
Inventors: 卢庆港
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103701380B

Abstract

本发明公开了一种铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，通过双铁心双线圈的独特共绕工艺，实现两个独立磁路中磁通的合成与控制，通过调控取能线圈中的磁通从而实现稳定的取能感应电压输出，使用强化导磁铁心实现低电流启动，根据取能线圈的感应电压自动改变调节线圈的外部负载阻抗以实现取能线圈内部的磁通调控，自动适应宽范围变化的一次电流。实现电流宽范围变化时取能线圈电压的稳定输出，避免了取能过剩导致的复杂后级电路设计，提高了设备运行的稳定性、可靠性，既可以应用于较大功率的取电产品，也可以应用于低微功率的电子互感器等产品中，为不便于直接供电的工程应用提供了新的解决方案。

Description

铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种实现高压侧宽范围自适应在线取能的CT取电方法。

背景技术

随着智能电网以及在线监测技术的发展应用，大量监测设备直接安装在高压侧，无法从接地侧直接对其供电，目前供能方式主要有分压电容取电、激光供能和CT取电等各种方式，其中CT取电经过近年不断的改进完善，已具有多种实现方案并逐步应用到实际工程中，由于电力线电流变化范围大，不仅需要能够在小电流下可靠的启动，同时还需考虑大电流下的的长期工作的稳定性，检索现有文献资料相关信息如下。

1、《电子式电流互感器高压侧取能装置的设计》（电网技术[J]，任晓东等，2008，18期）将取能线圈同时缠绕在两个不同导磁率并行的铁心上，以实现低电流启动，但随着电流的增大，取能线圈的输出电压也将随之增大，需要考虑铁心发热问题以及后级电路能量泄放，导致后级电路设计复杂。

2、《电子式电流互感器高压侧电路及电源的研究》（燕山大学[D]，高迎霞，2006）提出了在同一个铁心上设置补偿线圈以抵消一次电流，降低铁心的磁通量，进而降低在大电流情况下二次侧的感应电压，通过控制继电器的接点实现补偿线圈的投入与退出，不能连续调节，只有投入和退出两种状态；。

3、《应用于光电式电流互感器的悬浮式电源的设计》（继电器[J]，李芙英等，1999年第1期）、《一种应用于高电压侧测量系统中电源》（高电压技术[J]，李芙英等，2002年第3期）使用MOS管以及双向可控硅控制分流支路的切入，当一次电流过大时，限制稳压块工作电压的进一步升高，不能连续调节，只有投入和退出两种状态。

4、《基于功率控制法的高压输电线路CT取电装置》（专利[P]，CN101697430A，刘亚东等）、《基于功率控制法的电流互感器取电电源设计》（电力系统自动化[J]，刘亚东等，2010年第3期）采用继电器控制取电线圈副边，使之间歇性的工作在副边短路状态和功率输出状态，以达到在原边电流较大的动态范围内，取电线圈输出功率稳定，但由于需要频繁切换，并且继电器为机械动作元件，存在寿命问题，使其正常工作的使用时间受限。

5、《基于相角控制法的电流互感器取电电源设计》（电力系统自动化[J]，刘亚东等，2011年第19期）采用双向可控硅作为取电线圈的功率控制器件，通过控制单个周波内可控硅的导通角实现功率稳定输出，需配置独立的测量线圈和取能线圈，控制过程复杂，并且半导体元件需考虑寿命以及可靠性。

6、《架空线路CT取能电源的装置》（专利[P]，CN103094976A，刘刚等）采用两块C型基纳米晶材料的铁心，在铁心连接处设间隙填充非导磁材料，非导磁材料厚度为气隙的宽度，气隙增加磁阻，减小线圈饱和时的剧烈振动，能使线圈在架空线路电流在700A内都不会出现饱和现象，在范围(0A一700A)内感应出电能，并能可靠地输出1w的功率，输出5V直流电压。

7、《高压感应取能电源和从高压线获取电源以进行供电的方法》（专利[P]，CN101442222梁冬）提出在传统的取能线圈的基础加入补偿线圈，两线圈反接，利用两者铁心材料初始磁导率不同而产生不同的电动势进行反向抵消，从而实现电流宽范围补偿，虽然取能功率稳定，但由于线圈反接，互为负载，导致二次回路阻抗较大，随着电流增大，铁芯中磁通由于不能得到二次回路电流磁通的抵消，工作在饱和状态导致铁心发热明显。

8、《一种电子式电流互感器及其高压侧在线取能装置》（专利[P]，CN103107012A 王程远）采用在铁心上设置一组磁阀，通过磁阀改变磁路的磁导率自适应于一次电流的变化，实现对铁心磁通变化的自动控制，避免了因铁心饱和而难以稳定获取稳定功率的问题，但由于磁阀需要在铁心外圆周上开多个径向延伸的窄槽实现，加工难度大。

发明内容

本发明基于法拉第电磁感应定律，通过对CT工作原理的深入分析，结合多个独立铁心CT以及多绕组CT的实际应用测试分析，本发明主要内容如下。

1、本发明由两个不同导磁率的铁心、一个取能线圈、一个调节线圈、可变阻抗Zc以及整流输出控制电路组成，通过双铁心双线圈的独特共绕工艺，实现两个独立磁路中磁通的合成与控制，通过调控取能线圈中的磁通从而实现稳定的取能感应电压输出，使用强化导磁铁心实现低电流启动，根据取能线圈的感应电压自动改变调节线圈的外部负载阻抗以实现取能线圈内部的磁通调控，自动适应宽范围变化的一次电流。

2、根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：为了解决小电流时取不到足够能量、大电流时无法限制多余能量以及铁心饱和时震动发热问题，采用两个不同导磁率的铁心，高导磁铁心实现低电流下的可靠启动，低导磁铁心工作在不饱和状态。

3、根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：调节铁心A（102）以及调节线圈（103）组成的调节CT可以参考电力系统所用的TPY、TPZ等满足暂态特性要求的CT制造工艺，采取铁心开气隙以免大电流下的磁饱和，然后在调节CT线圈外侧放置一个用于强化导磁的无气隙高导磁铁心（106），再将取能线圈（105）绕在调节CT的调节线圈（103）和高导磁铁心（106）外侧，使得取能线圈中包括两个铁心，调节CT上调节线圈的两端与可变阻抗Zc（101）连接，取能线圈输出接到后级的整流滤波输出控制电路（107）。

4、根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：可变阻抗Zc可由电阻、电感以及可调电抗等方式实现，开关元件可以使用继电器或IGBT、双向晶闸管等电力电子器件实现。

5、根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：控制电路根据取能线圈的电压大小发出调控命令，控制可变阻抗Z_C的大小，自动适应一次电流的变化，当取能线圈感应电压过高则降低可变阻抗，取能线圈感应电压过低则增大可变阻抗。

6、根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：调节铁心上的线圈二次侧额定电流可为1A、5A或其他数值。

7、根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：可变阻抗Zc实际应用中具体级数可视调控精度而定。

8、根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：可变阻抗Zc中低电流下的高阻抗可采用电阻实现，以缩小体积，大电流下的阻抗则可用纯电感或电感电阻串联方式实现，以降低功耗导致的温升。

有益效果

本发明提供了一种CT取电方法，通过对磁通的调控及强化导磁，实现电流宽范围变化时取能线圈电压的稳定输出，避免了取能过剩导致的复杂后级电路设计，提高了设备运行的稳定性、可靠性，既可以应用于较大功率的取电产品，也可以应用于低微功率的电子互感器等产品中，为不便于直接供电的工程应用提供了新的解决方案，同时制造方法相对简单，易于实现。

附图说明

图1为感应取电原理图。

图2为感应取电等效电路图。

图3为两个铁心的磁化曲线。

图4为可变阻抗Zc与一次电流的变化关系图。

图5为可变阻抗Zc的实现方法。

图6为本发明的制造实现。

具体实施方式

本发明由图1所示的两个不同导磁率的铁心A（102）和铁心B（106）、一次回路导体（104）、一个取能线圈（105）、一个调节线圈（103）、可变阻抗Zc（101）以及整流输出控制电路（107）组成，通过双铁心双线圈的独特共绕工艺，实现两个独立磁路中磁通的合成与控制。

对某条负荷电流宽范围变化的线路而言，首先根据最大负荷电流、取电功率设计选择两个铁心的磁导率、磁路长度以及截面积，同时根据后级整流控制电路的可承受输入电压范围设计CT二次绕组线圈匝数以及可变阻抗Zc的具体级数。调节铁心A（102）以及调节线圈（103）组成的调节CT可以参考电力系统所用的TPY、TPZ等满足暂态特性要求的CT制造工艺，采取铁心开气隙以免大电流下的磁饱和，二次侧额定值可为1A、5A或其他值。然后在调节CT线圈外侧放置一个用于强化导磁的无气隙高导磁铁心（106），再将取能线圈（105）绕在调节CT的调节线圈（103）和高导磁铁心（106）外侧，使得取能线圈中包括两个铁心，调节CT上调节线圈的两端与可变阻抗Zc（101）连接，取能线圈输出接到后级的整流滤波输出控制电路（107），由控制电路根据目前的取能线圈电压大小发出调控命令，控制可变阻抗Z_C的大小。

为了便于分析说明，各个符号统一定义说明如下：

e₂：铁心A中剩余磁通在调节线圈两端的瞬时感应电势；

e_3A：铁心A中剩余磁通在取能线圈两端的瞬时感应电势;

e_3B：铁心B中剩余磁通在取能线圈两端的瞬时感应电势;

e₃：铁心A、B中剩余磁通在取能线圈两端的瞬时感应电势;

：铁心A中剩余磁通在调节线圈两端的感应电压相量；

：铁心A中剩余磁通在取能线圈两端的感应电压相量；

：铁心B中剩余磁通在取能线圈两端的感应电压相量；

：铁心A、B中剩余磁通在取能线圈两端的感应电压相量；

：一次导线中的电流相量；

：调节线圈中流过的电流相量；

：取能线圈中流过的电流相量；

：一次电流I₁在铁心A中所对应的励磁磁通；

：一次电流I₁在铁心B中所对应的励磁磁通；

：调节线圈中的电流I₂在铁心A中所对应的的励磁磁通；

：取能线圈中的电流I₃在铁心A中所对应的的励磁磁通；

：取能线圈中的电流I₃在铁心B中所对应的的励磁磁通；

：经过电流I₂、I₃所对应的磁通平衡抵消后取能线圈中总的剩余磁通。

对于图1中取能线圈环绕的A、B两个独立铁心而言，每个铁心中剩余磁通在取能线圈形成的瞬时感应电势如下：

取能线圈中总的剩余磁通如下：

则可以得出取能线圈两端的瞬时感应电势为：

根据上述分析结果可以看出，取能线圈中两个铁心磁通共同作用的效果可以等效为两个独立感应电势的串联，据此对图1进行等效变化后可得图2，从图2中可以看出当低电流时，通过合理选择强化导磁铁心材料，使取能线圈在小电流条件下从电力线磁场获得尽可能大的能量，从而尽量提高感应电压输出，减小工作死区。两个铁心的磁化曲线如图3所示，其中301为铁心A的磁化曲线，302为铁心B的磁化曲线，从磁化曲线302可以看出，随着一次电流I₁的增大，铁心B逐渐进入饱和，饱和后的铁心B导磁能力极低，它的剩余磁通在取能线圈感应出来的二次电压将会逐渐畸变成非常窄的脉冲状，铁心截面积有限，磁通变化率小，电压峰值有限，不能提供足够的能量，此时取能线圈中的磁通主要由铁心A导磁实现，为了便于分析起见，进行适当简化，忽略饱和后铁心B的导磁作用，根据前面的分析，铁心A中剩余磁通在取能线圈形成的感应电势e_3A如下：

而此时由于调节线圈与取能线圈共用铁心A，二者的磁通空间相位相同，则二者感应电势之间关系如下：

上式中e₂为调节线圈两端的瞬时感应电势，使用如图1中所示的电压相量形式则可以得出：

上式中N₂为调节线圈匝数，N₃为取能线圈匝数，为铁心A中剩余磁通在取能线圈两端感应电压的相量形式，

为铁心A中剩余磁通在调节线圈两端感应电压的相量形式，

为调节线圈中流过的电流相量，Z_C为可变阻抗。

随着一次电流I₁的增大，当取能线圈的两端电压幅值超过设定上限时，控制电路输出控制命令，降低可变阻抗Z_C，实现取能线圈两端U_3A稳定输出，由此可以看出如果能够调节改变Z_C的大小，即可实现大电流下U_3A的稳定输出，从而控制在大电流条件下能量转换，避免使电路过载过热。

根据基本初等函数可知，当可变阻抗Zc与一次电流I₁的变化关系如图4变化时，能够满足二者乘积恒为定值的要求，在实际工程应用以及产品实现中，图4的曲线既可以通过图5所示的阻抗网络分级投退实现等效逼近，也可以通过图5所示的可调电抗器实现阻抗的连续变化，K3、K2、K1是常开接点，控制策略为自动适应一次电流I₁的变化，当取能线圈感应电压U_3A过高则降低可变阻抗Zc，过低则增大可变阻抗Zc，阻抗网络的具体调控过程如下：

小电流：K1、K2、K3全部断开，调节线圈二次侧呈现高阻抗，将一次电流形成的磁通尽可能用来激励取能线圈形成感应电压；

中电流：K1合上，K2、K3断开，通过降低二次回路阻抗，实现铁心中剩余磁通的相对稳定，以免取能线圈感应电压过高；

大电流：K1、K2合上，K3断开，继续降低二次回路阻抗，实现感应电压的稳定输出；

超大电流：K1、K2、K3全部合上，尽可能将调节线圈中的铁心磁通予以平衡，避免取能线圈感应电压的过高输出；

取能不足：依次断开K3、K2、K1，直至感应电压满足要求，如全部断开后仍无法满足要求则为取能死区；

基于上述调控过程，实现了不同一次电流下的宽范围自适应取能，调节线圈铁心A运行中始终工作在不饱和区，故铁心的发热损耗低，而铁心B虽然饱和，但由于选择的是低频下极低铁损的高导磁材料，自身发热有限并且其在外侧，配合适当的制造工艺可以保证其散热，确保了运行的稳定性，可以常年安全稳定运行。

铁心B饱和状态时剩余磁通在取能线圈感应出来的二次电压畸变成非常窄的脉冲状，由于高导磁铁心B饱和后导磁能力极低，并且铁心截面积有限，磁通变化率小，故而该脉冲电压峰值有限，但为了保护后级电路，仍需要在整流电路之前采取串联电感、并联电容等措施予以限制。

图5为可变阻抗Zc的实施示意图，实际应用中具体级数可较之多或少，也可采用可调电抗器等其他方式实现，开关元件可以使用继电器或IGBT、双向晶闸管等电力电子器件实现，考虑到体积和发热因素，低电流下的高阻抗可采用电阻实现，以缩小体积，大电流下的阻抗则可用纯电感或电感电阻串联方式实现，以降低功耗导致的温升。

由于本发明是通过改变调节线圈的二次侧可变阻抗控制铁心内部的剩余磁通，以实现不同电流下的磁通调控，从而实现输出电压的稳定，故可变阻抗Zc的具体实现方式包括但不限于上述方法。

图6为本发明的制造实现示例，铁心A（601）与调节线圈（603）组合后增加一个铁心B（602），之后将取电线圈（604）环绕在两个铁心和调节线圈的外部。

本说明书的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.本发明由两个不同导磁率的铁心、一个取能线圈、一个调节线圈、可变阻抗Zc以及整流输出控制电路组成，通过双铁心双线圈的独特共绕工艺，实现两个独立磁路中磁通的合成与控制，通过调控取能线圈中的磁通从而实现稳定的取能感应电压输出，使用强化导磁铁心实现低电流启动，根据取能线圈的感应电压自动改变调节线圈的外部负载阻抗以实现取能线圈内部的磁通调控，自动适应宽范围变化的一次电流。

2.根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：为了解决小电流时取不到足够能量、大电流时无法限制多余能量以及铁心饱和时震动发热问题，采用两个不同导磁率的铁心，高导磁铁心实现低电流下的可靠启动，低导磁铁心工作在不饱和状态。

3.根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：调节铁心A（102）以及调节线圈（103）组成的调节CT可以参考电力系统所用的TPY、TPZ等满足暂态特性要求的CT制造工艺，采取铁心开气隙以免大电流下的磁饱和，然后在调节CT线圈外侧放置一个用于强化导磁的无气隙高导磁铁心（106），再将取能线圈（105）绕在调节CT的调节线圈（103）和高导磁铁心（106）外侧，使得取能线圈中包括两个铁心，调节CT上调节线圈的两端与可变阻抗Zc（101）连接，取能线圈输出接到后级的整流滤波输出控制电路（107）。

4.根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：可变阻抗Zc可由电阻、电感以及可调电抗等方式实现，开关元件可以使用继电器或IGBT、双向晶闸管等电力电子器件实现。

5.根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：控制电路根据取能线圈的电压大小发出调控命令，控制可变阻抗Z_C的大小，自动适应一次电流的变化，当取能线圈感应电压过高则降低可变阻抗，取能线圈感应电压过低则增大可变阻抗。

6.根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：调节铁心上的线圈二次侧额定电流可为1A、5A或其他数值。

7.根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：可变阻抗Zc实际应用中具体级数可视调控精度而定。

8.根据权利1所述的铁心磁通调控和强化导磁的宽范围自适应CT取电方法，其特征在于：可变阻抗Zc中低电流下的高阻抗可采用电阻实现，以缩小体积，大电流下的阻抗则可用纯电感或电感电阻串联方式实现，以降低功耗导致的温升。