高壓電纜感應式取電電源分析及設計

摘要：通過(guò)建立高壓電纜感應取電的精確工作模型，推導了取電線(xiàn)圈輸出功率與輸出電壓、負載阻值、磁芯參數及線(xiàn)圈匝數的關(guān)系，并提出取電線(xiàn)圈的設計方法。設計了一種兩級穩壓電路，第1級采用滯環(huán)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(gè)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(guān)鍵詞：電源；高壓電纜；穩壓電路

1 引言
對于高壓輸電線(xiàn)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(shí)用價(jià)值。常見(jiàn)的供電方式有太陽(yáng)能電池供電、電流感應式供電和高壓側電容環(huán)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(lái)進(jìn)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(jìn)行取電的模型時(shí)，一些文獻也采用了CT結構。然而，由于CT實(shí)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(shí)存在較大的誤差。
在此采用新型高壓電纜取電線(xiàn)圈模型進(jìn)行分析，推導出取電線(xiàn)圈輸出功率與輸出電壓、負載阻值、磁芯參數及線(xiàn)圈匝數間的關(guān)系，并提出了取電線(xiàn)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(shí)，輸出電壓能保持恒定，同時(shí)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(cháng)其使用壽命。最后通過(guò)實(shí)驗驗證了理論的正確性。

2 取電線(xiàn)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(shí)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(dòng)勢平衡方程：N1i1(t)=N2i2(t)+N2im(t)，可建立圖2a所示的取電線(xiàn)圈負載工作模型。圖2a將取電線(xiàn)圈統一折算到次級進(jìn)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(xiàn)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(jìn)行簡(jiǎn)化：由于高壓電纜的電流源性質(zhì)，初級漏阻抗可忽略；對取電線(xiàn)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(shí)際功率計算中可用實(shí)測電壓數據加上其壓降來(lái)逼近真實(shí)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(xiàn)圈輸出功率的分析也主要由Lm決定。綜上，簡(jiǎn)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(diǎn)外始終大于零，穩態(tài)時(shí)u(t)，im(t)波形見(jiàn)圖3。

根據法拉第感應定理，取電線(xiàn)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(shí)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(xiàn)圈兩端方波電壓的絕對值為：
u=4N2SBc／T (2)
u同時(shí)滿(mǎn)足：u=Lmdim(t)／dt，聯(lián)立式(2)解得：

式中：A=4(t-kT)／T；k=0，1，2…。