CN109936171A

CN109936171A - 一种运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统

Info

Publication number: CN109936171A
Application number: CN201910136438.5A
Authority: CN
Inventors: 邓亚奎; 沈映; 王科; 刘宇; 李时珍; 徐芸; 王允光; 朱启龙; 陈波
Original assignee: Honghe Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Current assignee: Honghe Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2019-06-25

Abstract

本发明公开了一种运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统，属于电力技术领域。该供能系统包括高压端供能系统、电流互感器在线取能系统和整流稳压装置。当电网正常工作或处于暂态过程时，电流互感器在线取能系统稳定输出直流电压，高压端供能系统处于降功率热备份工作状态；当电网首次通电或电网电流小于电流互感器在线取能的唤醒电流时，高压端供能系统满功率控制转换器稳定输出±5V电压；高压端供能系统功率的控制由低压区合并单元根据电流测量值动态控制。该混合电源系统不存在电流死区和唤醒时间问题，可满足运行干抗星架总支电流监测系统对电源工作的连续稳定性要求，而且多途径的能量来源可为混合电源系统提供更高的工作可靠性。

Description

一种运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统

技术领域

本发明涉及电力技术领域，特别涉及一种运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统。

背景技术

高质量的直流电源供应是高压端监测设备高压区电子电路稳定运行的基础，也是高压端监测的一项关键技术。在35KV以下的中压电力系统中，高、低压之间的绝缘较易实现，电子电路可以工作在低压区，电源也可由低压区直接供应；在110KV以上的高压、超高压和特高压电力系统中，高、低压之间的绝缘通过光纤实现，没有任何电磁联系，如何在高压区获得连续稳定的电源供应便成为高压端监测设备研制中的一项技术难题。目前，高压端监测设备电源研究与应用中存在的主要问题有：供能功率、长期工作可靠性和制造维护成本。

为了解决上述问题，现有技术中有高压端供能系统和电流互感器在线去能系统两种供能系统。

高压端供能系统技术成熟，目前，ABB，Photonic Power Systems和Siemens 等国外公司的产品大多采用高压端供能系统方式，高压端供能系统的突出优点是电源能量供给稳定，不受电磁干扰和电网运行状态的影响，具有良好的发展前景，受到国内外研究人员的关注。高压端供能系统主要缺点是光电池的转换效率较低，一般为10-30％，大功率光电池的转换效率为22％左右。大于1W的固体激光器的平均使用寿命在5000-6000小时，即连续工作一年左右就需要更换，由此产生了高昂的维护成本和工作连续可靠性问题。

电流互感器在线取能的原理是：利用电磁感应原理，使用常规电流互感器直接从待测高压母线上感应交流电压，然后经过整流、滤波、稳压后供给高压区电路使用。电流互感器在线取能方式的电源电位悬浮于高压区，故称为悬浮式电源。因在线取能，悬浮式电源必然受到电网运行状态的影响。电网母线电流变化的动态范围很大，最低可能只有几安培，而发生短路故障时暂态电流可能达到数十干安培。因此，悬浮式电源的设计难点之一在于较小的工作死区：当母线电流为接近空载的小电流时，应能够获取足够能量以保证电源供应，即唤醒电流小；当母线电流为大电流状态时，除保证能量供应外，还要给予电源本身足够的保护，避免因电流互感器饱和产生的高幅值窄脉冲电压对电源和后续电子电路造成损害。因此，电流互感器在线取能电路简单、成本低，但存在供能功率、唤醒时间和(或) 电流死区问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种将高压端供能系统和电流互感器在线取能相结合从而解决电源工作的连续稳定性问题的运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统。

本发明提供的运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统包括高压端供能系统、电流互感器在线取能系统和DC/DC转换器，

当电网正常工作或处于暂态过程时，所述电流互感器在线取能系统控制所述 DC/DC转换器稳定输出±5V电压，高压端供能系统处于降功率热备份工作状态；

当电网首次通电或电网电流小于电流互感器在线取能的唤醒电流时，所述高压端供能系统满功率控制所述DC/DC转换器稳定输出±5V电压；

所述高压端供能系统功率的控制由低压区合并单元根据电流测量值动态控制。

作为优选，所述暂态过程包括线路短时开断、重合闸。

作为优选，所述电流互感器在线取能系统包括速饱和电流互感器、磁阀式饱和电流互感器、尖峰电压抑制限流保护器、全桥整流保护器、预稳压器、PWM、尖峰电压抑制和限流保护器，当一次母线通过电流时，速饱和电流互感器和磁阀式饱和电流互感器二次输出端产生交流感应电压，经全桥整流后变为脉动直流电压，采用PWM开关电源技术进行预稳压，再经二型滤波器滤波后，由DC/DC 转换器稳定输出±5V电压，供后续电子电路使用。当一次母线电流为大电流时，速饱和电流互感器和磁阀式饱和电流互感器二次输出端产生高幅值的尖峰脉冲电压，所述尖峰电压抑制和限流保护器用于对所述尖峰电压抑制和限流保护。

作为优选，所述电流互感器包括多个速饱和电流互感器和多个磁阀式饱和电流互感器，所述多个速饱和电流互感器和多个磁阀式饱和电流互感器组成串并联阵列。

作为优选，所述速饱和电流互感器的铁心由坡莫合金1J85制成。

作为优选，所述速饱和电流互感器的最大负载电流阀值为2.88A。

作为优选，所述磁阀式饱和电流互感器的铁心材料选自选择27QG100， 30QG110，35QG125，35W230冷轧硅钢片。

本发明提供的运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统采用了电流互感器在线取能和高压端供能系统方式相结合便构成混合电源系统。该混合电源系统不存在电流死区和唤醒时间问题，可满足有源电子式电流互感器对电源工作的连续稳定性要求，而且多途径的能量来源可为混合电源系统提供更高的工作可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统中对速饱和电流互感器进行工作特性试验的装置结构示意图。

具体实施方式

为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

参见附图1，本发明提供的运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统包括高压端供能系统、电流互感器在线取能系统和DC/DC转换器，

作为优选，所述暂态过程包括线路短时开断、重合闸。

其中，速饱和电流互感器设计的具体步骤如下：

速饱和电流互感器工作的一次电流动态变化范围为2-50A，设计重点在于降低唤醒电流和一次电流较大时保证取能时间。因此，速饱和电流互感器的设计目标为：当一次电流为1.5A时，二次绕组感应电势有效值为5V；当一次电流为50A 时，二次绕组感应电势瞬时值大于5V时的取能时间为10ms。

1、铁心材料选择

当电流互感器结构一定时，根据式(3)

其中，E₂为二次绕组感应电势的有效值，f为一次电流i₁的频率，B_m为铁芯磁感应强度的峰值，N₂为2次绕组匝数。

要想获得较高的二次感应电势E₂，应使B_m增大；当一次电流很小时，要获得较大的B_m就要求铁心具有很高的初始磁导率。同时，当一次电流较大时，为了限制二次绕组输出的平均感应电压Ea，由式(4)可知，

铁心应具有较低的饱和磁感应强度B_S，而且，如果B_S较低，铁心的损耗就较小，温升也较小。

根据以上原则，选用磁导率高、饱和磁感应强度低的坡莫合金1J85作为铁心材料。

2、速饱和电流互感器结构设计

通常，电流互感器结构设计除考虑电流互感器的电磁性能外，还要考虑损耗、温升、绕组绝缘和安装空间等因素。当只考虑电流互感器的电磁性能和安装空间要求时，我们对铁心结构尺寸和线圈匝数给出一个粗略的计算方法，同时需要大量的实验验证。

3、负载电流阀值整定

对于恒定负载，当一次母线电流逐渐增大时，电流互感器二次绕组感应电压也逐渐增大，负载电流也随之增大，系统温升将增高。为了限制系统温升，需要限制最大负载电流，即整定负载电流阀值。阀值选取过大，会导致系统温升较高；阀值选取过小，会使铁心过早进入饱和区，减少取能时间而降低电流互感器输出功率。解决方法是在于保证取能时间为10ms的前提下，计算出最大负载电流阀值，再根据该阀值设计电流互感器二次绕组的线径和电源限流电路，以保证系统温升在允许范围之内。

当铁心饱和时，铁心的磁场强度为5.296A/m，所需的励磁电流有效值为 1.083A。当一次母线电流50A、取能时间为10ms时，最大负载电流阀值为：

4、工作特性试验

参见附图2，坡莫合金1J85材料价格较高，因此，工作特性试验采用输出功率较小的速饱和电流互感器，其结构参数为：D＝80mm，d＝20mm，h＝30mm，试验装置如图2所示。当负载电阻为50Ω。

磁阀式饱和电流互感器的具体设计方法如下：

1、工作原理

普通电流互感器饱和过程中磁导率变化和一次电流变化失配导致了二次绕组感应电势畸变为尖峰脉冲电压。如果在铁心饱和过程中，划分若干电流区间，每个区间都控制磁导率变化使其与对应区间的电流变化相配合，则铁心在整个磁饱和过程中都将能够满足对取能时间的要求。

在普通电流互感器磁路中设置磁阀即构成磁阀式电流互感器。如果通过磁阀调节在线取能电流互感器磁路的有效磁导率，以满足和一次电流理想配合曲线的要求，则磁阀形状、截面积和长度的设计将非常复杂，从而导致加工困难。然而，如果要实现有效磁导率与一次电流间的区间配合特性，则磁阀截面积和长度的设计及加工要容易得多。因此磁阀式饱和电流互感器采用有效磁导率与一次电流区间配合方法设计。

区间配合方法要求在铁心磁路中设置若干截面积和长度不等的磁阀。当磁路中的磁通量不足以使某一磁阀饱和时，该磁阀工作在线性区，磁阻很小，可以忽略；当磁路中的磁通量增大使其饱和时，磁阀磁阻迅速增大，此时该段磁阀相当于变长度的气隙，改变了磁路的有效磁导率。当磁路磁通量一定时，磁阀饱和与否由磁阀截面积决定。因此，可由磁阀的截面积来决定电流互感器有效磁导率与一次电流的配合区间，由此时整个磁路中饱和的磁阀长度控制该区间内电流互感器的有效磁导率。

由n段磁阀可决定n+2段电流区间。在每个电流区间内，如果满足铁心有效磁导率与一次电流间的配合特性要求，则在整个一次电流变化范围内二次绕组感应电势都将满足对取能时间的要求。

2、磁阀式饱和电流互感器设计

磁阀式饱和电流互感器工作的一次电流动态变化范围设计为50-7000A重点要解决一次电流区间的合理划分以及与电流互感器有效磁导率的配合问题。设计目标为：在一次电流动态变化范围内，二次绕组感应电势瞬时值大于5V时的取能时间大于10ms。

(1)铁心材料选择

磁阀式饱和电流互感器的有效磁导率主要通过深度磁饱和的磁阀长度来控制，而深度磁饱和的磁阀相当于一段气隙，如果铁心的磁导率较高，则易于准确地确定给定电流区间内电流互感器的有效磁导率。为了拓宽电流互感器工作的一次电流动态变化范围，铁心应具有较高的饱和磁感应强度。然而，饱和磁感应强度越高，铁心的损耗就越大，为降低损耗，应选择较薄的铁心材料。

因此，铁心材料应选用高磁导率、高饱和磁感应强度和低损耗的较薄磁性材料，可以考虑选择27QG100，30QG110，35QG125，35W230等冷轧硅钢片。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统，其特征在于，包括电流互感器在线取能系统和DC/DC转换器，

当电网正常工作或处于暂态过程时，所述电流互感器在线取能系统控制所述DC/DC转换器稳定输出±5V电压；

当电网首次通电或电网电流小于电流互感器在线取能的唤醒电流时，所述运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统满功率控制所述DC/DC转换器稳定输出±5V电压；

2.根据权利要求1所述的运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统，其特征在于，所述暂态过程包括线路短时开断、重合闸。

3.根据权利要求1所述的运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统，其特征在于，所述电流互感器在线取能系统包括速饱和电流互感器、磁阀式饱和电流互感器、尖峰电压抑制限流保护器、全桥整流保护器、预稳压器、PWM、尖峰电压抑制和限流保护器，当一次母线通过电流时，速饱和电流互感器和磁阀式饱和电流互感器二次输出端产生交流感应电压，经全桥整流后变为脉动直流电压，采用PWM开关电源技术进行预稳压，再经二型滤波器滤波后，由DC/DC转换器稳定输出±5V电压，供后续电子电路使用。当一次母线电流为大电流时，速饱和电流互感器和磁阀式饱和电流互感器二次输出端产生高幅值的尖峰脉冲电压，所述尖峰电压抑制和限流保护器用于对所述尖峰电压抑制和限流保护。

4.根据权利要求3所述的运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统，其特征在于，所述电流互感器包括多个速饱和电流互感器和多个磁阀式饱和电流互感器，所述多个速饱和电流互感器和多个磁阀式饱和电流互感器组成串并联阵列。

5.根据权利要求4所述的运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统，其特征在于，所述速饱和电流互感器的铁心由坡莫合金1J85制成。

6.根据权利要求4所述的运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统，其特征在于，所述速饱和电流互感器的最大负载电流阀值为2.88A。

7.根据权利要求4所述的运行干抗星架总支电流监测高压端供能系统，其特征在于，所述磁阀式饱和电流互感器的铁心材料选自选择27QG100，30QG110，35QG125，35W230冷轧硅钢片。