（1山东理工大学山东淄博255049；2山东科汇电力自动化有限公司山东淄博255087）
摘要：针对现有输电线路高压侧取能电源设计中存在的小电流时输出功率不足、大电流时二次侧电路热耗严重、电源电路复杂等问题，提出了一种新的高压侧取能电源设计方案。该方案通过合理选择磁芯材料和线圈匝数，减小了启动电流；同时通过使用分流电路、并控制电源电路输入功率的方法，有效控制了大电流时的电源热耗。实验结果表明，本设计可在母线电流为3A时即能输出140mW的功率以给设备供电，同时在母线电流增至600A时可将电源的输出功率控制在1.5W内以降低电源热耗。
关键词：输电线路；取能电源；启动电流；热耗
0引言
随着电网电压等级的不断提高，对电网运行状态的实时监测变得越发重要，因此电源的供给是关键问题之一。目前，在线监测设备终端电源的实现方式主要有光伏电池供电、蓄电池供电、激光供电、电压互感器（PT）供电、电流互感器（CT）供电和分压电容供电[1]。其中CT供电凭借成本低、体积小、安装方便的优点，成为在线监测设备终端电源供电的主流方式。
本文提出一种新型的高压侧取电电源的设计方法，该方法利用CT方式取能，采用初始磁导率较高的超微晶合金做为磁芯，并通过优化磁芯的参数、结构，达到了减小启动电流的目的；同时以控制电源电路的输入功率为出发点，根据母线电流的大小控制双向可控硅的通断，从而将不同阻值的电阻接入电路中，在大电流时利用并联电阻限制电源电路的输入功率，并对二次电流分流以降低电源电路的热耗。
1电路构成
本文设计的高压侧取电电源电路由取能CT、测量模块、控制模块、保护模块、分流电路、整流电路和稳压电路组成。取能电源的工作原理如图1所示。
图1取能电源原理框图
2取能线圈的设计
2.1取能分析
取能线圈的空载等效电路如图2所示。
图2取能线圈的空载等效电路
根据电磁感应定律可知，在取能线圈未饱和时，二次侧输出电压E2的表达式为：
（1）
（2）
式中：f为输电线路中电流的频率，N2为取能线圈匝数，为取能磁芯内通过的磁通，Bm为磁感应强度，S为铁芯截面积，为铁芯叠片系数。
取能线圈的输出功率为P，其表达式为
（3）
2.2取能线圈参数设计
本文设计的取能电源主要满足于故障指示器等小功率监测设备的供电，由于现有的功率指示器大都采用低功耗设计[11]，因此本文设计的取能线圈的功率要求为在原边电流大于等于3A时，电源可以输出不低于140mW的功率。
3分流电路设计
当原边电流数值较小时，不需要考虑对其进行分流。当输电线路上的电流达到数百安培时，必须对电源电路获得的功率做适当的控制使其处于低热耗状态。本文使用双向可控硅，利用每个周期的电流幅值来控制自身的导通与关断，决定电源电路是否进行分流。当取能线圈输出功率较低时，双向可控硅处于关断状态，取能线圈的输出功率全部供给电源电路，以满足负载所需要的功率；当取能线圈的输出电流较大时，双向可控硅根据电流大小依次导通，这时一部分电流流经电阻进行分流，减小电源电路的热耗。
图5分流电路示意
取电线圈输出电流控制框图如图所示，取电线圈并联3组双向可控硅和电阻，测量电路将Rogowski线圈的电流信号转换为电压信号，并作为控制可控硅导通与关断的控制信号。当电压信号U1大于D1的设定值Vset1时，D1导通，一部分电流流经R1分流；当电压增大，并且U2大于D2的设定值Vset2时，D2导通，一部分电流流行R2和R3进行分流。当电压继续增大，并且U3大于D3的设定值Vset3时，D3导通，一部分电流流行R1、R2和R3进行分流。采用此种方式对二次侧电流进行分流，可大大降低二次侧电路的热耗。
在无双向可控硅的控制下，流过电阻R0的电流为I。当电流增加，可控硅D1导通，R1起分流作用时，流过R1和R0的电流分别为
（4）
（5）
流经电阻R0的电流的变化量为
（6）
若电阻Ro要求的最低功率为P0，则电流Io必须满足公式：
（7）
将公式（2）带入即可求得电阻R3的阻值为
（8）
当电流增大致使D1和D2同时导通，R2和R3同时起到分流作用时，流经电阻R2、R3和R0的电流分别为
（9）
（10）
（11）
将公式（11）带入公式（7）可求出电阻R2的表达式。
4整机测试
按照上述分析，我们在电源电路加入了分流电路。当原边电流小于50A时，双向可控硅处于断开状态；当原边电流50<I<100A时，双向可控硅D1导通；当原边电流100<I<300时，双向可控硅D2导通；当原边电流大于300A时，双向可控硅D3导通。取R3=500，R2=300，R1=200，R0=2000。并联电阻后，二次侧电流、并联电阻分流大小和负载阻抗功率的关系分别如图所示。
图6R0功率变化图
由图6可以看出，在加入电阻分流之后，负载R0的功率始终被控制在0.5到1.4之间，在满足R0正常工作的同时，其热耗较分流之前明显降低。
5结语
针对现有取能电源设计中存在的小电流时输出功率不足、大功率时二次侧电路热耗严重、电源电路复杂等问题，对取能线圈进行改进，通过合理选择线圈匝数，减小启动电流；大电流时，保护电路工作，保护电源电路不被损坏；利用分流电路，简化电源电路，降低电源电路正常工作时的热耗。本文设计的取能电源能在3A~500A正常输出5V，40mW的功率，满足小功率监测设备的功率需求。
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作者简介：孙洪伟（1992-），男，硕士研究生，研究方向为电力系统自动化。