高压在线取电装置设计

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【摘 要】本文主要内容为一种低功率高压在线取电方案的设计，并对该系统进行仿真分析和试验，以评估该在线取电方案的有效性和合理性。通过仿真分析和试验验证可以确定，本取电方案安全、稳定、可靠，是一种切实可行的在线电源设计，可为高压电器智能装置的长时间可靠供电提供完善的解决方案。

【关键词】在线取电；智能装置；仿真分析；电源设计

0 引言

伴随着智能电网的快速发展，越来越多的传感器和数据采集器被安装在电力设备上。各种各样的传感器和数据采集器可以准确地测量出被监测位置所需的监测数据，这给设备的智能化及可靠性提供了有利的条件。由于此类设备一般安装在高压或者超高压电网设备上，通过低压系统对其进行供电可能会破坏高压设备的绝缘特性，所以存在一定的风险。为传感器和数据采集器提供一个理想的供电方式成为多数用户希望解决的问题。

目前市面上主要的供电方式有三种，分别是电池供电，PT在线取电，CT在线取电。三种取电方式特点如表1。

表1 常用的取电方式对比

综合分析，CT取电相对于另外两种取电方式来说，供电可靠性及自身安全的优点突出。此种取电方式的不利之处是随着一次负荷变化时，二次输出波动太大，因此必须增加后级处理电路。

1 方案设计

本设计方案主要由取能线圈、整流滤波电路、电压调整电路、单片机采样支路、稳压输出电路等部分组成。确保一次设备正常运行时取能设备输出电压恒定，并且能够长期稳定运行，在一次短时过负荷和一次短路时保证自身装置的安全性和输出的稳定性。为满足大部分传感器或数据采集器工作要求，设计输出电压采用3.3V，输出电流不小于200mA。

图1 电路原理图

一般来说，CT供电装置启动的最小一次电流被成为最小取电电流，理想情况下最小取电电流越小越好，但是电流越小，对CT线圈及后级的处理电路要求就越高。综合考虑电力系统实际工况，我们将装置的最小取电电流确定为50A。主线圈W1、W2、W3和W4的匝数应对应为50、50、100和200，电压阈值上下限分别设为15V和20.6V。高压上限则逐级投入继电器K1到K3，低于下限则逐级退出K1到K3。电路原理图如图1所示。

1.1 取能线圈

CT线圈的二次输出电流随着一次电流的波动而波动，取电的难点在于一次电流较小时输出电流太小，一次电流较大时输出的电流又太大，不能满足其他装置供电需要。为解决这个矛盾，储能线圈（W1、W2、W3、W4）采用多线圈设计，随着一次电流的改变，逐次投入或退出线圈以改变一次侧和二次侧的匝数比，使二次输出电流处于一个合理的范围内。

其中W1为主线圈，W2、W2和W4为分组偷窃线圈，线圈匝数如图所示。线圈分别由三个继电器K1、K2、K3进行投切控制，控制信号来自后级单片机处理电路。

1.2 整流滤波电路

整流滤波部分电路主要由整流桥（D1）、稳压管（D3）和三阶滤波器（L1、C1、C2）组成，作用是将二次线圈交流输出转换为直流输出，同时滤去电路中的交流成分。稳压管是为了保证设备在一次过负荷或短路时安全工作。

图中D3是为了确保输出电压稳定在30V以下，电感（L1）和电容（C1、C2）组成一个低通滤波器，截止频率预定为20Hz。根据定K型滤波器设计手册[1]，组件参数如下：

C=1F/{20Hz/（1/2pi）Hz}=7.96mF

根据标准电容容值表，将电容C的容值定位6600μF，那么电感L的参数为13.2mH。

1.3 电压调整电路

电压调整电路主要由取样电阻（R5、R6）和MOS管（Q1）组成，保证一次负荷在一定范围内波动时，电压调整电路输出电压在较小的范围内波动，满足后级电路的需要。

1.4 单片机采样及控制输出

图2 单片机的算法框图

单片机采集经电压调整电路输出的电压，如果发现此电压高于或低于某一阈值，则表明一次电流已经增大或减小到电压调整电路所允许的电压范围，单片机将通过投切继电器（K1、K2、K3）来使CT二次输出稳定到电压调整电路所允许的范围。这样保证电路的正常连续运行。单片机的算法框图如2所示。

1.5 稳压输出电路

稳压输出电路作用是将前级波动的电压变成稳定的3.3V的电压输出，满足传感器或数据采集器的使用要求。稳压输出电路主要由线性稳压芯片（U1），ADJ校准电路（R2、R3）和高频滤波电容（C3）组成。

图中LT1085CM是一款线性稳压芯片，容值为100nF的瓷片电容C3可以滤去输出电源所上的高频杂波，从而是电压稳定输出。

1.6 一次短路保护电路

配电设备在运行中，可能会发生短时间短路故障。此时流过CT一次回路的电流可以达到上千安培甚至上万安培，CT的二次会输出一个很大的过电流，为保证在在短路时取电设备可以安全运行，需要在电路里进行短路保护设计。

电路的取电保护设计主要由两方面组成，一是限定取电线圈铁芯的饱和倍数，使CT二次输出在一次短路使确定在一个范围内；二是利用稳压管D3使整流桥输出电压限定在一个可控的额范围内，从而保护后级电路的在一次短路时可靠运行。

2 电路仿真

我们利用NI公司的电路仿真软件Mulitisim10.0设计电路进行仿真运算。仿真电路图如图3所示：

2.1 仿真电路说明

在仿真电路中，使用表中电流源来替代取能线圈，使用9.9欧姆的电阻R4作为模拟负载，因为线性稳压芯片的输出除了为负载供电外，还要为自身的单片机及继电器供电，所以供电输入为这部分负荷预留100mA的裕量。因此当流过R4上的电流不随电流一次电流在某个区间变换且恒定为300mA以上，R4两端电压恒定为3.3V时，即可验证出方案设计符合设计目标。

2.2 施加连续电流的仿真结果如图4所示。

通过仿真结果我们可以看出，随着一次电流的增大，通过负载R4的电流能够保持在330mA左右，即输出电压能够保持在3.3V左右。

图4 施加连续电流的仿真结果

3 试验结果

以1A和5A电流源进行试验，试验结果如图5所示。

图5 1A（左）和5A（右）试验结果

当输入电流为1A时，通道CH1所示为稳压芯片输出电压，电压值为3.24V，通道CH2所示为稳压芯片输入电压，输入平均值为5.93V，峰峰值为6.38mV。当输入电流为5A时，通道CH1所示为稳压芯片输出电压，输出值为3.24V，通道CH2所示为稳压芯片输入电压，输入平均值为20.6V，峰峰值为141mV。

4 结论

本文提出一种CT供电的设计方案，并对设计方案进行的仿真研究。通过仿真和试验结果表明，该设计方案合理可行。此方案只提供了一个3.3V/200mA的解决办法，但通过分析可以发现，只要对方案部分元器件的参数进行修改即可得到多种输出规格的解决方案。本设计可为高压电器检测装置的在线取电设计提供参考。

【参考文献】

[1]远坂俊昭，著.彭军，译.测量电子电路设计―滤波器篇[M].科学出版社，2006-1.

[2]钱政.有源电子式互感器特质线圈功能方法[J].高电压技术，2008，34（2），260-263.

[3]GB 1208-2006 电流互感器[S].