CN104104234A - 基于电磁原理的高压环境下的二次供电技术 - Google Patents

Abstract

本发明是对高电压侧信号处理电路供能方式一次全面的创新，所推出的基于电磁原理的高压环境下的供电技术，是一种新型的二次电源通用供电技术，它从高压侧(输出端)往低压侧(输入端)看的是高电阻率的电气通道；而从低压侧(输入端)往高压侧(输出端)看是二次供电的高导磁回路；是采用高导磁高电阻率的镍锌铁氧体铁芯的二次供电系统原理上仍然为传统的电磁感应原理，是把现代电子技术的高频电源变电及送电的成熟技术移植到电力系统变电站的二次供电系统中来。这种能量传输方式，主要元件是铁氧体铁芯和线圈，在一种特殊的绝缘技术和连接方式下组成的二次供电系统是一种可以保持长期可靠送电的运行设备，并且其本身传输效率高，损耗小，传输器件的体积小，同时也不需要同时再采用其他的供电方式。

Description

基于电磁原理的高压环境下的二次供电技术

技术领域

本发明是对高电压侧信号处理电路供能方式一次全面的创新，所推出的基于电磁原理的高压环境下的供电技术，是一种新型的二次电源通用供电技术，它既可以有效传送几十瓦的能量，且高低压侧的电压又是隔离，将成为高电压等级下可靠的二次电源供电技术。 

背景技术

任何一种原理的电子式电压电流互感器若能够实现在高压侧对交流电压或交流电流信号直接完成A/D变换，并由光纤把数字化后的信息送回地面，实现了信息变换及传输过程的高低电位隔离的过程。能够实现这一过程，互感器高压部分的绝缘设计就可以简化，使传统电磁式电压电流互感器的制造成本大大地降下来，运行可靠性反而大大地提升。实现上述过程的关键技术就是二次电源的供电技术。 

常见的高电压侧信号处理电路供能方式有两种。其一为线圈从母线取能的供电方式，该供电方式是利用电磁感应原理，由专用互感器从高压母线上感应得到交流电能，然后经过整流、滤波、稳压后为高压侧电路供电。该方式线圈处在高压端，绝缘要求低，造价也较低。缺点是母线未供电时或电流很小时(＜5％)，这种供电方式失效。另一种供电方式为激光供能方式。这种方法采用激光或其他光源从地面低电位侧通过光纤将光能量传送到高电位侧，由光电转换器件(光电池)将光能量转换成为电能量，再经过DC-DC变换后，提供稳定的电能输出。这种供电方式在实际使用中的可靠性比较高。其缺点主要是光电器件的价格比较高，且其主要部件激光晶闸管的工作寿命有限。因此实际应用中常将上述两种供能方式结合起来，即在高压侧供能模块内设计一个自动切换电路，在正常负荷时选择线圈供能方式，否则采用激光供能方式。 

除了上述两种供能方式外，还有高压电容分压器供电、蓄电池供能、太阳能供电等方式，但这些供能方式都存在一些致命弱点而不能被普遍应用。 

事实上，有源式电子互感器之所以仍不被用户大量采用，除了各种传感原理的技术、工艺成熟性与可靠性以外，很重要的一个原因就是供电电源的可靠性及使用寿命，可以说目前仍没有一个现场运行认可的解决方案。 

我们提出一种新型的二次电源供电技术，它既可以有效传送几十瓦的能量，且高低压侧的电压又是隔离，是一种高电压等级可靠的二次电源供电技术。 

发明内容

电网运行时，高压CT，PT都处于高电压(35-500kV)的运行环境中，攻克从低压侧向高压侧的二次供电的关键技术难关为： 

i)从低电压向高电压的供电回路必须是高电阻率的电磁元件以保证在高压运行环境漏电流小，从而既保证供电回路运行可靠性，又保证电网运行时CT，PT的可靠性。 

ii)二次供电技术必须传输效率高，损耗小，传输器件的体积小，才能保证在支柱式绝缘子的内孔有限空间内安装和可靠运行。 

我们选择高导磁高电阻率的新型软磁铁氧体材料作为二次供电的载体，这种磁材料的特点是： 

i)高电阻率 

专门选用镍锌铁氧体材料烧制成的异形铁芯，电阻率达到10⁸～10⁹Ω/m. 

ii)高磁导率 

镍锌铁氧体铁芯的磁导率可以做500～3000，我们可以选择适用的磁导率以保证供电回路的传输效率。 

iii)铁氧体材料制成的铁芯适用于20～250kHz的高频交变信号的传输。由电磁感应的公式： 

                              E：感应电压(V) 

                              f：频率(Hz) 

E＝4.44f＊N＊Ae＊Bm           N：线圈匝数 

                              Ae：铁芯有效截面积(cm²) 

                              Bm：磁通密度的峰值(T) 

可以推论，由于传输交变信号的频率f是传统交流电频率的400-5000倍，即使铁氧体的磁通密度Bm比高磁导率的硅钢片，超微晶等导磁材料小10-20倍，传输同样的功率，我们仍可把线圈匝数或铁芯有效截面积有效的减下来，实现供电设备的小型化与能量的高效传输。 

1、二次供电技术的基本电磁回路设计 

●我们专门设计高导磁高电阻率的异形铁氧体铁芯，如图1所示。 

●在异形铁芯的两侧各装一个线圈A和B。如图2所示。 

从原理上说，我们对线圈A施加一定的交变高频电压u₁，在异形闭合的导磁回路中将产生足够强的高频磁通Ф。该磁通Ф将激励线圈B感应出电压u₂，这个能量传输原理就 是传统的电磁感应原理或者说是普通变压器的原理。 

●基本电磁回路元件设计必须满足以下条件 

i)为了保证基本电磁回路的能量传输效率，导磁回路的长度不能太长，还必须有一定的铁芯有效截面积。异形铁氧体铁芯尺寸就是按照这个原则设计的。实验表明，我们输入的高频电压的频率控制在20～50kHz左右，选择好线圈的匝数，可以实现异形变压器的传输效率达到90～95％。 

ii)尽管我们选择高电阻率的铁氧体磁芯，电阻率达到10⁸～10⁹Ω/m，如图3所示.。但只靠铁氧体本身的绝缘水平远不能满足高压设备的绝缘要求。我们必须加强线圈A，线圈B对铁氧体铁芯的绝缘水平。参照干式变压器的绝缘要求，我们可以实现线圈对铁芯的电阻率达到10¹²Ω的水平。 

●异形铁氧体铁芯用环氧树脂灌封后的电气特性 

灌封后异形变压器的阻抗等值电路图如图4所示 

i)电阻R是由线圈A对铁氧体铁芯之间的绝缘电阻R_A，线圈B对铁氧体铁芯之间的绝缘电阻R_B，和铁氧体铁芯内阻R₁所组成的。即：R＝R_A+R_B+R₁其绝缘等级达到10¹²Ω的水平 

ii)电容C是异形变压器两端的线圈A，B之间的电容量，相当于平行导电极板之间形成的，灌封后其容抗大概在2～4×10⁸Ω的数量级。 

iii)经过绝缘处理后，基本电磁回路元件的工作电压可以达到15～20kV，工频耐压可以达到45kV左右。事实上绝缘处理基本电磁回路元件工频耐压水平取决于线圈A和线圈B之间的电气距离D与绝缘材料耐压水平有关。 

以环氧树脂绝缘材料的绝缘能力15～20kV/mm推算，5mm左右的环氧树脂绝缘层就能达到理想工频耐压水平。 

基本电磁回路元件的高压实验数据为： 

实测元件的交流阻抗为1.70～2.0×10⁸Ω。 

工频耐压试验45kV一分钟通过。 

施加直流电压2kV时，漏电流为2μA。 

●异形铁氧体铁芯灌封后，导磁回路特性没有发生变化，不会影响磁回路的传输效率。对线圈A施加高频电压，基本电磁回路元件的传输效率可以达到90～95％。传输效率很高。 

以上分析可以看出，一个基本电磁回路的元件的特性为： 

从高压侧(输出端)往低压侧(输入端)看的是高电阻率的电气通道。而从低压侧(输入端)往高压侧(输出端)看是二次供电的高导磁回路。我们正是用这种器件双向不同电磁特性来实现高压环境下的二次供电。 

2、异形变压器串接电路设计原则 

一个基本电磁回路元件的电阻率不能满足高压运行设备的绝缘要求。显然对于不同电压等级的二次供电回路，必须串接不同数量的基本电磁回路元件。如图5所示。 

●以35KV电压等级的二次供电回路设计 

设一个基本电磁回路元件交流阻抗为2×10⁸Ω.如果二次供电回路串接3个基本电磁回路元件组成一套二次供电系统。 

按照基本电磁回路元件的传输效率为90％，要求二次供电回路最终的输出功率为15W，则输入端的传输功率大约在22W左右，就能满足二次供电的容量的要求。 

在35kV电压等级的母线上运行时： 

i)通过串接电磁回路的工频电流为： 

$I_1=U_1/4\mathrm{Xc}=\frac{35\×{10}^3}{\sqrt{3}\×3\×2\×{10}^8}=3.37\×{10}^{-5}A=0.04\mathrm{mA}$

正常运行时，工作电流很小，可以保证导磁回路功耗低，不发热。 

ii)工频耐压试验时，需要施加95×10³V交流电压，此时的工频电流为： 

$I_2=\frac{95\×{10}^3}{2\×3\×{10}^8}=15.83\×{10}^{-5}A=0.15\mathrm{mA}$

实际上，串接基本电磁回路元件的个数取决于35kV电压等级的工频耐压要求。以每个基本电磁回路元件的工频耐压为42kV计算，串接三个基本电磁回路元件时工频耐压能力为126kV，就能保证35kV工频耐压为95kV的要求。 

●以110kV电压等级的二次供电回路设计 

二次供电回路串按6个基本电磁回路元件组成一套二次供电系统。供电回路最终的输出功率为15W，则输入端的传输功率大约在30W左右，就能满足二次供电的容量的要求。 

在110kV电压等级的母线上运行时： 

i)通过串接电磁回路的工频电流为： 

$I_1=U_1/6\mathrm{Xc}=\frac{110\×{10}^3}{\sqrt{3}\×6\×2\×{10}^8}=5.29\×{10}^{-5}A=0.053\mathrm{mA}$

ii)工频耐压试验时，需要施加200×10³V交流电压，此时的工频电流为： 

$I_2=\frac{200\×{10}^3}{6\×2\×{10}^8}16.7\×{10}^{-5}A=0.17\mathrm{mA}$

实际上，串接基本电磁回路元件的个数取决于110kV电压等级的工频耐压要求，以每个基本电磁回路元件的工频耐压为42kV计算，串接6个基本电磁回路元件时工频耐压能力为252kV，就能保证110kV工频耐压为200kV的要求。 

●220kV～500kV电压等级的二次供电回路设计初步推算数据为： 

i)220kV串接元件为12个，传输15W功率时，输入端传输功率大约为50W。工频耐压能力为504kV。就能保证220kV工频耐压为400kV的要求。 

ii)500kV串接元件为20个，传输15W功率时，输入端传输功率大约为115W。工频耐压能力为840kV。就能保证500kV工频耐压为780kV的要求。 

实验表明，220kV～500kV电压等级的二次供电回路设计，串接元件个数及传输功率都能达到要求。然而，由于串接元件个数增多，传输功率增大，出现头几个串接元件运行中发热则成为设计中的主要矛盾。 

显然220kV～500kV电压等级的基本电磁回路元件必须增加铁芯的导磁截面积，适当增加线圈之间的距离D。这样可以提高基本电磁回路元件的传输功率能力，增加基本电磁回路元件的工频耐压能力，减少元件的串接个数来实现220kV～500kV电压等级的二次供电回路设计达到设计指标的要求。 

●以上是35kV～500kV串接基本电磁回路元件的高压特性的初步理论计算，我们得出的初步结论是： 

i.串接电磁回路元件能否能通过工频耐压实验的主要技术指标是试验电流不超过1-5mA，且每个元件在绝缘处理后爬电距离满足要求。在制造中对单个电磁回路元件的绝缘设计时元器件表面要平滑，不允许有尖角毛刺，避免发生局部电场强度过大的情况。在整个元件的环氧树脂灌封时要避免出现气泡，以引起工频耐压或操作冲击电压实验时的击穿。 

ii.工频耐压试验电流大小的控制主要靠元件的串接数量及单个元件的绝缘阻抗大小，其关键抓好线圈与铁氧体铁芯之间的绝缘强度，并保证单个元件的环氧树脂灌封质量。 

iii.元件串接在高压环境下的均压问题 

由于基本电磁回路元件在制造过程中不可能做到电阻，容抗参数都一样，因此在多个元件串接后，在高压环境下运行必然存在每个元件的分压不均匀的问题。解决这一问题有两个途径： 

首先，严格控制基本电磁回路元件的制造工艺，控制元件参数偏差在允许范围内，每个元件都要达到42kV～50kV的工频耐压水平；其次，在支柱式绝缘子的内腔内，增加均压电阻保证串接基本电磁回路元件在高压运行环境下电压分布均匀。 

iv.任何电磁回路传输功率都存在温升问题，在传输功率给定的条件下设计中必须正确选择磁芯有效截面积及线圈匝数，以保证铁芯温升在允许范围内。 

温升过高对二次供电系统的影响主要是铁芯的磁导率，如果超过铁氧体铁芯的居里温度，铁氧体铁芯的磁导率下降为零，二次供电系统将无法运行。 

温升过高对支柱式绝缘子的影响是绝缘子内腔长期处于过高的温度下运行，将会影响绝缘子的使用寿命。 

我们希望铁芯的温升控制在40～50℃的范围内。 

3、样机试验 

图6给出35kV二次供电系统试验室运行的图片，图7给出110kV二次供电系统试验室运行的图片。实验过程如下： 

试验接线为图5所示。值得指出的是，实际现场的运行接线时高电压是施加在电流互感器的母排上，二次供电电源是与电流互感器的CT线圈的二次输出等电位的。在今后电子式电流互感器的生产中，电流互感器的绝缘子水平对二次供电系统的绝缘水平及运行影响不大。 

i)从低压侧往高压侧供电，调节输入端的交流电压以控制高频电源的输出幅值，调整高频电源的输出频率为20～30kHz，输出端整流后的直流电压15～20V，输出功率为15W。可以把2个12V，10W的灯泡点亮。 

ii)在低压侧往高压侧供电完成后，从高压侧对CT的母线施加高压可以观察到在施加高压到额定电压的过程中，二次供电系统始终处于正常的工作状态。 

4、本发明二次供电技术的优点： 

●采用高导磁高电阻率的镍锌铁氧体铁芯的二次供电系统原理上仍然为传统的电磁感应原理，是把现代电子技术的高频电源变电及送电的成熟技术移植到电力系统变电站的二次供电系统中来。推广该技术不存在技术原理的验证问题。 

●这种能量传输方式，主要元件是铁氧体铁芯和线圈，在一种特殊的绝缘技术和连接方式下组成的二次供电系统是一种可以保持长期可靠送电的运行设备，不需要同时再采用其他的供电方式。 

●在高压环境下完成对高压系统的二次供电与激光供能方式相比较供电的效率要高得多，以110kV电压等级的二次供电系统为例，低压侧的最大输入功率大约为30W，就能满足高压侧CT的采样及传输数据的需求，应该说是一种节能的二次供电技术。 

●从结构上说，我们可以充分利用支柱式绝缘子内腔的空间来安装一批串接的基本电磁回路元件及传输数据的光纤并进行一次性的绝缘封装。既保证基本电磁回路元件的绝缘特性，又保证二次供电元件的结构强度，从而保证二次供电设备运行的可靠性。现场不必安装另外的二次供电用的高压设备。 

●高磁导率高电阻率的镍锌铁氧体是磁性材料领域中的一种常见材料，异形铁氧体批量生产后成本很低。一套完整的35kV电压等级的二次供电系统产品，其成本控制在2500～3000元左右。对于高压设备而言属于一种通用技术并且低成本的二次供电技术。 

●采用本专利技术的高压环境下的二次供电技术适用于对电子式电流互感器的二次供电。电流互感器的传感结构在高压侧，在支柱式绝缘子的上方二次供电电源高压隔离的距离就是支柱式绝缘子的高度，很容易与各种不同原理的电流互感器成为一体化的产品。 

●采用本专利技术为高压环境下的绝缘监测设备提供二次电源，为实现变电站全方位的智能化创造良好的条件 

该技术极可能成为35～500kV电压等级电流互感器创新型的二次电源通用配套设备，具有广阔的市场前景和良好的经济效益。 

附图说明

图1是异形铁氧体铁芯；图2是异形铁氧体铁芯导磁回路；图3是异形铁氧体铁芯阻抗特性实验数据和曲线，对图3注意以下两点：1、在空气中没有灌封的铁芯工频耐压实验升压到25kV发生表面放电而异形铁氧体铁芯没有击穿：2、异形铁氧体铁芯导磁回路必须全部灌封或在变压器油中，保证爬电距离时才能进行工频耐压试验；图4是异形变压器的阻抗等值电路图；图5是串接基本电磁回路元件的电气原理图；图6是35kV二次供电系统样机图；图7是110kV二次供电系统样机图。 

Claims (4)

1.一种基于电磁原理，高压环境下从低压侧往高压侧的二次供电技术。

它采用高导磁高电阻率的新型软磁铁氧体材料的异形闭合铁芯作为二次供电的载体，在异形铁芯两侧各装一个线圈，构成一个基本电磁回路元件。

基本电磁回路元件经过特殊的绝缘工艺处理，具备两个重要的物理特性：传输电能效率可达95％～98％，两侧线圈之间的阻抗达到2×10⁸Ω。

2.根据权利要求1，我们可以按照不同高电压等级串接不同数量的基本电磁回路元件，例如对于110kV电压等级可以串接6～8个基本电磁回路元件，低压侧输送功率30W，就可以在高压侧得到24V，15W的能量，同时该传输通道可以承受240～300kV的工频耐压实验。

这种二次供电技术具备双向不同的电磁特性：从高压侧(输出端)往低压侧(输入端)看是高电阻率的电气通道，而从低压侧(输入端)往高压侧(输出端)看又是二次供电的高导磁回路。

3.根据权利要求2所述，为了保证一定数量的串接电磁回路元件的传输效率，我们必须采用高频交流电压来传输能量，根据实验及理论计算高频交流电压的频率在20～50kHz范围内。

串接电磁回路元件传输20～50kHz的高频电源能量，是高频电源设计的一个新的突破；它既保证串接电磁回路元件的传输效率，实现传输过程中铁芯的不发热；又保证电磁回路元件的小型化，满足支柱式绝缘子的安装要求。

4.本专利技术是一种高压环境下的二次供电的通电技术，它既可以给有源式互感器供能，也可以为高压绝缘检测设备供能，又可以为高压直流的阀体控制设备供能，是一种应用范围十分广泛的供电技术。