高压断路器测温系统的感应取电电源设计
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摘 要：为了解决高压断路器测温系统中高压侧装置的供电问题，实现高压断路器测温系统的可靠工作，该文设计了一种基于高压母线感应取电的电源。完成了电源的硬件电路设计，经过实验，验证该电源可以满足设计要求，应用该电源可以为测温系统提供稳定的工作电压，可以有效地提高高压断路器测温系统的可靠性。
关键词：高压断路器 感应取电 CT
中图分类号：TM932 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）12（c）-0019-03
在現代电力系统的快速发展中，为了防止高压电气设备出现过热事故，确保电力系统的安全运行和可靠性，需要对高压电气设备安装温度监测装置。通过对国内外高压断路器测温技术的研究，目前使用较多的是无线测温技术，高压断路器测温系统高、低压侧采用无线通信方式进行数据的传输，可以实现高压隔离问题和数据采集的准确性[1]。此方法需要解决的主要问题之一是高压侧测温装置的供电问题，传统的供电方式比如使用蓄电池供电、太阳能供电、激光供电、超声电源供电，或多或少都存在一些不足或者技术难点，该文为高压断路器无线测温系统设计了一种从母线获取的感应电源，它可以实现测温系统的独立工作，可以大大提高测温系统的可靠性[2]。
1 系统概述
高压断路器无线测温系统的系统框图如图1所示，此系统主要包括温度检测模块、数据处理模块和上位机单元。温度检测模块安装在高压断路器内部的被测点，温度传感器的测温端嵌入在靠近梅花触头的触臂内来测量梅花触头的温度，实时进行高压断路器触头温度的采集。系统利用无线传输技术将数据发送给数据处理模块。低压侧的数据处理模块将数据接收处理后上传至上位机，进行温度显示、高温报警等处理。该系统中温度检测模块的电源来自高压断路器内部母线的感应取电，通过特制线圈制成的CT互感器环绕并固定在高压断路器触臂上。
2 感应取电电源设计
2.1 CT电源原理及安装
测温系统采用CT互感器（CT电源）通过高压母线取电技术为高压侧装置提供电源，供电CT的线圈环绕并固定在高压断路器触臂上，根据电磁感应原理，当断路器合闸通电后，CT电源就能在高压断路器的触臂上感应得到交流电电能，再通过整流、滤波、稳压处理后为高压侧温度采集模块供电。温度检测及蓝牙无线通信模块固定在触臂上，温度传感器的测温端嵌入在靠近梅花触头的触臂内来测量触头的温度，靠近发热点，能准确快速地反映断路器的触头温度变化情况。其在断路器触臂上的安装示意图如图2所示。
2.2 磁芯材料及线圈匝数的选择
在选择CT磁芯材料时，首先要考虑的是高压自具电源的启动电流尽可能小，因此要求选用高磁导率的磁性材料。同时，母线电流在大到数千安培时，磁芯要在尽可能小的电流下达到饱和，所以又要选用饱和磁感应强度较低的磁芯材料。可供选择的常用铁芯材料主要有硅钢材料、非晶材料和莫坡合金，它们的基本参数如表1所示。
根据以上原则，通过表1中的几种常用材料特性比较，该文使用坡莫合金IJ85作为CT互感器的铁芯材料。它不仅饱和磁感应强度低、磁导率高，而且有很好的初始导磁率，处于非饱和状态时，导磁率很大，感应电压随母线电流变化比较明显，易在小电流情况下感应出满足要求的电压[5，6]。
线圈匝数的确定需要理论和试验验证相结合。一方面，根据电磁感应原理，铁芯体积越大，启动电流越小，所以可以选择体积较大的铁芯，可是仅仅增大铁芯体积会使成本和重量增加。另一方面，在给定铁芯材料和负载的前提下，电源的启动电流与二次侧匝数有关。因此最终可以通过确定最佳的线圈匝数来减小电源的启动电流。线圈匝数和最小启动电流可以用电磁学的基本理论计算出它们之间的关系，再用这个线圈匝数制成CT电源带后续电路和实际负载上电实测，看是否满足指标要求，最后确定出线圈匝数为500匝。
2.3 CT输出电压的处理电路设计
磁感应线圈从高压母线感应出来的是交流电压，在供给温度检测模块电路之前，CT二次侧的感应电压要经过整流电路、滤波电路、稳压，DC-DC变换等处理后才能为高压侧电路提供所需的电压，电路图如图3所示。
2.3.1 整流电路
首先要把CT二次侧绕组的输出电压由交流变成直流，该文采用全波整流桥电路。为了保证二极管在输出电压较大时不被击穿以及减少压降损失，在选择二极管时，要求有足够的耐压值和要有较小的正向导通压降[7]。通过比较筛选采用肖特基二极管，由于此整流电路的电流并不是很大，而整流电压相对较高，所以设计中要选择耐压强度较高的肖特基二极管。
2.3.2 滤波电路
整流电路后输出的直流电的脉动还是比较大，里面含有较大的交流成分，所以要用滤波电路滤除其中的交流成分。在此设计采用复式滤波电路——LC-π型滤波电路，在电容C滤波的基础上再加上一级LC滤波，比LC滤波电路效果更好。
2.3.3 DC-DC变换电路
由于高压断路器母线电流的变化范围较大，所得到的直流电压范围也比较宽，根据温度检测模块电路的需要，要把整流、滤波后的电压变为5V以供其使用。该文采用78L05三端稳压器，它的输入电压范围是7～30V，输出为+5V直流电压。实际使用中也可以根据不同的电压需求来选择对应的稳压器。
2.3.4 保护电路
（1）过电压的防护。采用双向瞬态电压抑制二极管（TVS）器件，双向TVS能在正反两个方向抑制瞬时大脉冲功率，其正反两个方向具有相同的击穿特性和钳位特性。根据这个功能，可以吸收电路中可能出现的异常过电压，避免电路元件因过电压而损坏。
（2）电压保护与能量泄放。整流滤波后的输出电压会跟随断路器母线电流的增大而增大，铁芯饱和后，CT感应出的电压也较大，所以要避免过电压使DC-DC模块受到损坏。当电压较高时，稳压二极管D1击穿，三极管Q1导通，为能量释放提供通道;当电压较低时，D1不会击穿，所以不会影响小电流时电源的正常工作。
（3）稳压器的保护。电路输出端一般并联一只大容量的电容器C4来减少纹波电压，但是如果输入端发生短路时，电容器C4上存储的电荷就会通过78L05内部的电路泄放。由于电容器释放的能量较大，极可能会造成78L05的损坏。为了保护稳压管，可以在输入和输出之间接一个保护二极管D2，这样它就会为电容器C4上电荷的泄放提供一个通道，起到保护稳压器的作用[8]。
3 实验结果
实验采用2500A的电流发生器模拟母线电流为CT电源提供测试工作电流;CT电源是被浇铸封装在硅胶，再如图2所示那样套在高压断路器触臂上的。CT电源的铁芯选用坡莫合金IJ85材料，形状为圆形，其样机规格为56/48/12，线圈所用的漆包线的线径为0.19mm，CT线圈匝数为500匝。电源样机测试结果如表2所示。
4 结语
该文为高压断路器测温系统设计的高压母线感应取电电源，有效地解决了系统高压侧温度检测模块的供电问题，能够为高压侧电路提供稳定的工作电源;实现了测温系统的独立工作，可以大大提高测温系统的可靠性。
参考文献
[1] 吴晨静.高压开关柜无线实时测温系统的研究及应用[D].华南理工大学，2017.
[2] 孙正来，孙鸣.高压开关柜温度在线监测技术研究[J].电力信息化，2008，6（6）：62-66.
[3] 李红斌，陈庆.电子式低功耗电流互感器的设计[J].传感器技术，2004，23（3）：31-33.
[4] 刘忠战.电子式电流互感器高压侧自励源供能方法研究[J].高压电器，2006，42（1）：55-57.
[5] 高迎霞.电子式电流互感器高压侧电路及电源的研究[D].燕山大学，2006.
[6] 申烛，王士敏，罗承沐.电子式电流互感器的研制[J].电力系统自动化，2002，26（18）：41-44.
[7] 何希才，江云霞.现代电力电子技术[M].北京：国防工业出版社，1996.
[8] 曲学基，王增福，曲敬铠.稳定电源电路设计手册[M].北京：电子工业出版社，2003.
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