高壓電纜感應式取電電源分析及設計

摘要：通過建立高壓電纜感應取電的精確工作模型，推導了取電線圈輸出功率與輸出電壓、負載阻值、磁芯參數及線圈匝數的關系，并提出取電線圈的設計方法。設計了一種兩級穩壓電路，第1級采用滯環控制的Boost電路預穩壓，輸出較高的電壓以獲取大的輸出功率，并有效防止磁芯飽和；第2級采用Buck電路獲得所需的供電電壓。最后，為驗證理論推導的正確性，設計了一個取電穩壓電路，在電纜電流為0．2～1 kA范圍內，該取電電路可穩定輸出15 V／18 W的直流電。
關鍵詞：電源；高壓電纜；穩壓電路

1 引言
對于高壓輸電線路上的電氣設備，研究穩定可靠、具有較大輸出功率的供電電源具有重要的工程實用價值。常見的供電方式有太陽能電池供電、電流感應式供電和高壓側電容環分壓供電。
在此研究電流感應式取電電源的設計。在電力系統中，電流互感器(CT)將初級電流轉換為較小的次級電流，用來進行保護、測量等。為了測得初級電流值，CT所接的負載通常為電阻，因而CT輸出電壓電流均為正弦波；為提高測量精度，應使勵磁電流很小。在分析CT應用于高壓電纜進行取電的模型時，一些文獻也采用了CT結構。然而，由于CT實際所接為整流負載，使其輸出電壓為方波，相應的勵磁電流也不是正弦波且不能忽略，這一區別導致電流感應式取電電源采用CT電路構建模型分析設計時存在較大的誤差。
在此采用新型高壓電纜取電線圈模型進行分析，推導出取電線圈輸出功率與輸出電壓、負載阻值、磁芯參數及線圈匝數間的關系，并提出了取電線圈的設計方法。在此基礎上設計了一種兩級穩壓電路，使高壓側電流在較大范圍內變化時，輸出電壓能保持恒定，同時提高磁芯的輸出功率，減少輸出電壓紋波并有效防止磁芯飽和，從而延長其使用壽命。最后通過實驗驗證了理論的正確性。

2 取電線圈負載工作模型分析及設計
2．1 模型分析
圖1示出高壓電纜取電原理圖，設N1，N2分別為初、次級匝數，N1=1匝；i1(t)為高壓側正弦電流；i2(t)為實際流至負載的電流；im(t)為勵磁電流，根據電磁感應定律及變壓器磁動勢平衡方程：N1i1(t)=N2i2(t)+N2im(t)，可建立圖2a所示的取電線圈負載工作模型。圖2a將取電線圈統一折算到次級進行分析。i1(t)／N2為初級折算到次級的等效電流；R1，L1為初級漏阻、漏電感；Rm，Lm為勵磁電阻、電感；R2，L2為次級漏阻、漏電感；u(t)為取電線圈兩端電壓；C為穩壓電容；uo為負載電壓。

對圖2a所示模型進行簡化：由于高壓電纜的電流源性質，初級漏阻抗可忽略；對取電線圈而言，次級漏阻抗相對勵磁阻抗非常小，可忽略；考慮整流橋的壓降，在實際功率計算中可用實測電壓數據加上其壓降來逼近真實的輸出功率，因而模型中也可忽略；在勵磁阻抗中，Lm遠大于Rm，即取電線圈輸出功率的分析也主要由Lm決定。綜上，簡化后模型如圖2b所示。
2．2 負載電流連續
設C足夠大，i2(t)連續，即i2(t)除二極管換向點外始終大于零，穩態時u(t)，im(t)波形見圖3。

根據法拉第感應定理，取電線圈兩端電壓為：
u(t)=N2dψ／dt=N2SdBc／dt (1)
式中：S為磁芯橫截面積；Bc為磁芯工作時的磁感應強度。
對式(2)在0～T(T為初級交流電流周期)內積分，可得取電線圈兩端方波電壓的絕對值為：
u=4N2SBc／T (2)
u同時滿足：u=Lmdim(t)／dt，聯立式(2)解得：

式中：A=4(t-kT)／T；k=0，1，2…。