基于ct感应取电的电缆在线监测设备供电电源的设计.doc

基于ct感应取电的电缆在线监测设备供电电源的设计.doc

《基于ct感应取电的电缆在线监测设备供电电源的设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ct感应取电的电缆在线监测设备供电电源的设计.doc（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计论文

基于CT感应取电的

电缆在线监测设备供电电源的设计

学生姓名：

班级：

电自1320

学号：

指导教师：

所在单位：

电气工程学院

答辩日期：

2017年6月19日

摘要

电缆线路往往布置各种监测设备，用于监视电缆运行状态，持续可靠的供电电源是监测设备发挥作用的重要前提。

论文主要研究一款基于电流互感器（CT）感应取电的电缆监测设备供电电源。

CT取电电源设计需要解决两个核心问题：

取电CT参数计算方法和后级变换电路设计。

论文首先建立取电CT的简化电路模型，然后根据取电CT二次侧电压波形近似方波的特点，计算出流入整流滤波电路绝对值平均电流大小，进一步推导了负载电压与负载电阻、励磁电抗和一次电流的数学关系。

通过限定启动电流时负载电压和输出功率最大化，确定了取电CT的参数，并通过实验验证了上述分析的正确性。

笔者还研制了基于可控桥式泄能电路和可控硅泄能电路的CT取电电源样机，完成了样机测试与实验结果分析。

实验证明所设计的取电电源能够满足宽电流工作范围，为电缆线路监测设备提供了一套完整电源解决方案。

关键词：

电缆线路；CT取电装置；取电CT参数计算；CT取电后级电路

ABSTRACT

Cableandtransmissionlinesoftenexistinavarietyofmonitoringequipmentformonitoringequipmentthroughthecurrenttransformer（CT）toobtainenergyandCTparametersofthecalculationandpost-circuitdesignproblems,Thispapertakeuseofrectifierfiltercircuitasaresultofthesecondaryvoltagewaveformissimilartosquarewaveasthecut-inport,calculatetheaveragecurrentvalueflowingintotherectifierfiltercircuit,andusetheloadcurrenttoequalizetheaveragecurrenttofindoutthequantitativerelationshipbetweenthevoltageafterrectificationandtheprimarycurrentandexcitationreactanceandtheloadresistance,Andquantitativelydeterminethesizeoftheloadresistancewhenthemaximumpoweristaken,AsetofaccurateandpracticalcalculationmethodofCTcoreandturnsparametersisputforwardtoquantitativelydeterminethestartingcurrentofCTtakingthedeviceandthetheoryExperimentalvalidation.Last,DesignedareasonableCTtotakepowerafterthecircuit,areasonablesolutiontothewidecurrentrangeofregulationanddischargeproblems.SoastoCTdesignofthecircuittogiveacompletesetofsolutions,averygoodsolutiontotheCTpowerplantengineeringengineeringproblems.

Keywords:

Cable;deviceofenergyharvestingfromtheCT;parametercalculationofCT;thecircuitofenergyharvestingfromtheCT

目录

摘要 1

ABSTRACT II

第1章绪论 1

1.1课题背景及研究的意义 1

1.2CT取电电源的研究现状 1

1.2.1如何使CT取电的启动电流尽量减小 2

1.2.2在正常工作电流范围如何保证输出电压稳定 2

1.2.3大电流冲击情况下瞬态电路保护 3

1.2.4储能装置、供电装置和负载之间有效配合 3

1.3本文完成的主要工作 4

第2章CT取电理论分析以及电流互感器参数选取 6

2.1引言 6

2.2CT取电理论分析 6

2.2.1整流滤波电路的分析 6

2.2.2CT铁芯和匝数的计算 11

2.3CT取电理论实验验证 13

2.3.1PSIM仿真实验 13

2.3.2实际电路验证实验 15

2.4本章小结 21

第3章CT取电装置后级电路设计 22

3.1引言 22

3.2CT取电后级电路设计 22

3.2.1防雷保护电路 22

3.2.2可控硅过压保护电路 23

3.2.3整流泄能电路 23

3.2.4泄流控制电路 24

3.2.5滤波储能电路 25

3.2.6防反复启停电路 26

3.2.7LDO稳压输出电路 26

3.3样机的制作 26

3.4本章小结 28

第4章试验场景的搭建和CT取电电源的测试 29

4.1引言 29

4.2试验场景的搭建 29

4.3CT取电电源的测试 30

4.3.1CT取电电源的启动电流测试 30

4.3.2CT取电电源负载时保护电路动作特性测试 30

4.4本章小结 33

结论 34

参考文献 35

致谢 37

37

第1章绪论

1.1课题背景及研究的意义

随着我国城市化进程加快，电力电缆在电网中的作用越来越重要。

不当操作、水分浸入、外力破坏导致的机械损伤、过电压或过电流、电缆服役年限增长导致的绝缘老化、腐蚀等因素会使电缆出现故障。

电缆故障发生形式通常可分为以下3种类型：

①电缆中的金属导体断路；②电缆导体对导体短路或导体对地短路；③绝缘电阻严重下降[1]。

绝缘损坏导致短路和绝缘电阻严重下降占所有电缆故障的绝大部分。

统计资料表明，大多数电缆绝缘缺陷可能会持续数年才会最终导致故障。

电缆接地系统出现开路故障时，金属护层电流会低于正常值，电缆接地系统出现短路故障时，金属护层上电流会高于正常值，提高电缆可靠性和工作年限的办法是及时找到电缆的缺陷部位并修复好，因此电缆状态监测设备被广泛地应用于电缆的监测中[2]。

对于电缆线路上的在线监测设备，由于周围无常规220V交流电源，通常使用锂电池供电，或者就地寻找其他形式的能量进行转换。

锂电池供能存在使用寿命短，低温放电电流小，高温易爆等缺陷，大大降低了电源可靠性。

定期更换电池还带来了维护工作量大和成本增加问题[3]。

电流互感器（CT）取电电源利用CT电磁感应原理获取电能的一种装置。

CT取电电源具有体积小、安装方便、能够长期稳定供能等优点，现场需求量大[4]。

由于CT取电电源技术尚不成熟，生产现场也出现过不少CT取电电源运行过程中出现烧毁现象，并波及到整个监测终端或运行的电气设备。

因此，提升CT取电电源的可靠性一直是工程师们努力的方向。

研制出高可靠的CT取电电源将进一步推动电缆线路无线传感器网络的普及[5]。

1.2CT取电电源的研究现状

CT取电电源是目前热门的研究课题，先后有大量的论文发表。

如何在小电流时获取足够多的电能以及如何在大电流的情况下提供泄放通道，保证设备安全，还有如何在电流变化时，对储能装置、供电装置和负载之间进行有效的配合。

关于CT取电电源的这些问题都有待进一步研究。

1.2.1如何使CT取电的启动电流尽量减小

当一次电流较小时往往取电功率不足以给设备进行供电。

能够让设备正常工作一次电流最小值称为启动电流。

如何减小启动电流从而使设备具有较小的工作死区。

文献[6]论证了取电线圈在未饱和时的输出功率与副边匝数、负载电流、磁化电流等的对应关系，提出了采用电流—电压型Boost预稳压电路，可以减小高压电缆启动电流和输出电压的纹波。

文献[7]提出了最优参数匹配方法，通过合理配置铁芯截面积、次级绕组匝数、电池电压等参数，使得感应取电装置在相同的铁芯和高压母线电流条件下取到相对较多的电能。

文献[8]采取在电流互感器副边并联匹配电容的措施以增大取电功率，并在电流互感器的参数已知或可测量的前提下，给出了匹配电容值计算方法。

文献[9]提出了一种五级电荷泵电路的电流互感器取能电源供电方案，以达到较小的启动电流。

此外，在铁芯材料层面上，在一次电流、匝数、磁通面积不变的条件下，只有提高初始磁导率才能减小启动电流。

硅钢片等传统导磁材料的饱和磁通密度较高，但初始磁导率很低，而新型纳米晶磁材料如铁基微晶的初始磁导率值上升了约40倍。

在设备层面上，应尽可能降低设备能耗和使用低压设备，或者采用多个CT并联和串联的方法[10]，实现减小启动电流。

1.2.2在正常工作电流范围如何保证输出电压稳定

由于线路负载电流变化范围较大，所以要求CT具有较宽的工作电流范围，小到几安培大到几百安培，在如此宽的工作电流范围如何保证输出电压的稳定，并在大电流情况下能长时间稳定工作。

文献[7]设计了一种两级稳压电路，使高压侧电流在较大范围内变化时，输出电压能保持恒定，同时提高磁芯的输出功率，减少输出电压纹波并有效防止磁芯饱和，从而延长其使用寿命。

文献[10]提出一种新型变换器式取能电路,采用取能线圈和辅助线圈2个绕组，利用磁链守恒和开关电源的脉宽工作特性，使取能绕组整流后的电压受闭环控制得到稳压。

文献[11]通过控制法拉电容充电电流，把取电线圈的输出功率限定在一个较小的范围，从而使电流互感器取电电源可以适应较大的导线电流范围。

文献[12]对铁耗进行了计算，并给出了特定铁芯铁耗的计算公式，合理设计铁芯的最大工作磁场强度来保证铁芯温升不太大来提高设备可靠性。

1.2.3大电流冲击情况下瞬态电路保护

出现大电流情况时，如电缆接地短路故障，电缆故障电流高达数千安培，持续时间长达数秒，或者电缆遭受雷击时也会产生一个陡度极高的电流脉冲，它会通过CT耦合到二次侧，在二次侧感应出尖峰电流，如何在这两种情况下保证CT取电装置躲过该电流而不损坏设备。

文献[3-12]均采用瞬态抑制二极管来消除此电流脉冲。

1.2.4储能装置、供电装置和负载之间有效配合

由取电电源的储能设备一般选择电池和超级电容，他们将CT吸收的多余能量先储存起来，在输电线路电流小至不能满足监测设备正常工作时，储能设备自动接入持续供能。

电池包含锂电池及蓄电池，是目前应用在CT取电电源中最多的储能设备。

电池最大的特点是能量密度高，即较小的体积可以储存较多的能量，使得取电CT在输电线路断电后持续工作数小时至数十小时。

但电池功率密度较小，即容量不大的情况下只能释放较小的功率，难以满足具有瞬时大功率特性的监测设备。

除此之外，它的工作温度也有限制，低温放电电流小，高温易爆，充放电次数较少，