文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.033
中文引用格式：谢志远，毕亭亭，李亚康，等. 高压输配电线路低下限死区感应取能电源的研究[J].电子技术应用，2016，42(1)：126-128，132.
英文引用格式：Xie Zhiyuan，Bi Tingting，Li Yakang，et al. Research of high voltage transmission line induction power supply with low limit deadband[J].Application of Electronic Technique，2016，42(1)：126-128，132.
0 引言
在电力系统安全运行中，智能电气设备对众多参数的监测起着关键作用[1]，因此，对其供电电源的研究有重要意义。目前主要供电方式是感应取能供电。
由于高压母线电流波动范围较大[2]，要求取能电源适应很宽的电流变化范围，较多研究者进行了相关研究[1，3，4]，若不增加备用电源，只能使电源在几十安培到上千安培范围内取能，死区较大。为此提出了一种感应取能电源设计方案，具有较宽电流工作范围，并通过仿真与实验进行了验证。
1 整体结构
该感应取能电源结构框图如图1所示。包括取能单元、总控制单元和后续电路，取能单元包括两个不同材质取能磁芯。测量线圈实时测量线上电流，作为控制信号，总控制单元通过对电流值判断，控制选取不同的磁芯。后续电路包括保护电路、整流滤波电路及DC/DC处理电路。
2 原理分析
感应取能电源原理类似于变压器[5]。设I1、I2分别为带负载后一次侧、二次侧的电流，Iμ为励磁电流，E2为二次侧感应电动势，U2为二次侧电压，N2为二次侧匝数，f为工作频率(50 Hz)，B为磁感应强度，μ为相对磁导率，A为磁芯截面积，l为磁路长度，R为电阻。结合电机学相关原理及变压器矢量图计算可得：
由式(3)、式(4)可知：二次侧带负载时，输出电压大小与工作频率、一次侧电流、二次侧匝数、磁芯磁导率、尺寸、负载有关；输出功率存在最值，该最值只与工作频率、磁芯磁导率、磁芯尺寸及一次侧电流有关。
利用Saber软件[6]对取能电源各相关参数间关系进行仿真分析。设定二次匝数100，负载30 Ω，使一次电流从5 A增加到60 A；设定一次电流1 A，二次负载10 Ω，使匝数从10增加到100；设定一次电流1 A，二次匝数100，使负载从10 Ω增加到200 Ω。结合仿真结果进行分析，可得出以下结论：
(1)二次匝数与负载确定时，增加一次电流，二次电压峰值随之增大，成线性关系，负载功率也随之增大，成平方关系。(2)一次电流与负载确定时，增加二次匝数，二次电压先增大后减小，负载功率也先增大后减小。匝数适当时，可使输出电压、功率达到最大。(3)一次电流与二次匝数确定时，增加负载，其上电压逐渐增大，功率先增大后减小。当阻值增加到一定程度，输出电压基本不变。阻值取合适值时，负载功率达到最值。
3 核心单元设计
3.1 取能磁芯
3.1.1 材料选择
制作磁芯的材料主要有硅钢片、坡莫合金和微晶合金，通过分析它们的特性参数可知，硅钢片饱和磁感应强度高，但初始磁导率较低，适合大电流时取能。坡莫合金初始磁导率较高，但是电流稍大就容易饱和。微晶合金初始磁导率很高，小电流时容易获得较大输出，适合小电流时取能。
3.1.2 磁芯匝数的确定
结合河北申科电子股份有限公司磁芯制品规格，小电流取能磁芯选定O型铁基纳米晶磁芯，外径D1=130 mm，内径d1=50 mm，高度h1=45 mm；大电流取能磁芯选定O型硅钢片，外径D2=122 mm，内径d2=78 mm，高度h2=15 mm。
由于硅钢磁芯取能技术较为成熟，此处不再赘述，下面进行小电流取能磁芯匝数的确定。根据铁基纳米晶合金磁化曲线上B与H关系，选取当一次电流较小时，磁芯工作点磁感应强度在0.70 T～1.05 T之间。稳压单元输入电压最小值为6 V。当一次电流为3 A～10 A时，计算得出二次匝数N1=21；当电流为10 A～100 A时，为保证磁芯饱和时二次电压不至过大，导致电流为100 A时切换造成的电压冲击过大，同时当额定负载为50 Ω时功率输出足够大(≥25 W)，令下式成立：
得出二次侧匝数N2≤95。当电流>100 A时，匝数设置为600匝，此时二次侧电流很小。结合MCT工具进行建模及电路仿真。经过多次分析，确定当电流为3 A～10 A，匝数为25，仿真波形如图2。当电流为10 A～100 A，匝数为80，仿真波形如图3。当一次电流较大，大电流取能磁芯二次匝数为550，仿真波形如图4。
3.1.3 磁芯切换
根据电流范围选择不同磁芯取能，可拓宽取能电源对电流的适应范围。不同电流范围内，总控制单元控制继电器导通/关断选取不同的磁芯或抽头：3 A～100 A时选取小电流取能磁芯，大电流取能磁芯短路不工作；100 A～1 000 A时，选取大电流取能磁芯，小电流取能磁芯短路不作使用。磁芯切换控制框图如图5。结合上文分析及测试，将小电流取能磁芯的二次绕组设置为3个子抽头，不用的抽头断开。电流为3 A～10 A，J1闭合，选择匝数N1，25匝；电流为10 A～100 A，J2闭合，共接入80匝；电流为100 A～1 000 A，J3闭合，直接将小电流取能磁芯二次侧短路。3个绕组切换框图如图6。
3.2 保护电路
发生雷击时，取能磁芯会感应很高的冲击电压，对后端电路不利。因此，在整流滤波电路两端并接瞬变抑制二极管(TVS)，以限制输出的冲击电压。电路图如图7所示。
3.3 DC/DC处理电路
比较理想的稳压器是LM5576，输入电压范围6 V～75 V，通过内部集成的170 mΩ N沟道MOSFET，可使输出电流为3 A。本次设计输出电压为5 V，电路如图8所示。
为滤除噪声，C1选择0.47 μF陶瓷电容。C2和C3使电感纹波电流平滑，选择22 μF陶瓷电容和150 μF有机电容。为限制VIN引脚处纹波电压，C4、C5选择2个2.2 μF、100 V陶瓷电容。D1选择DPAK封装的100 V肖特基二极管。
4 实验测试与结论
按设计参数制作磁芯。实验所用升流器型号是KLJC-Ⅲ，可输出0 A～1 000 A电流，利用滑线变阻器充当负载。测试平台示意图如图9所示。
首先测试小电流取能磁芯。选择25匝，负载50 Ω，电流从1 A增加到10 A，观察负载电压有效值及波形，测试数据如表1。选择80匝，电流从10 A增加到100 A，测试数据如表2。其次测试大电流取能磁芯。选择匝数550匝，负载50 Ω，电流从100 A增加到1 000 A，测试数据如表3。最后进行电源整体测试。测试DC-DC输出电压，测试数据如表4。
测试结果表明，当母线电流为3 A时，取能电源开始工作，死区较小，且通过切换抽头或磁芯，避免磁芯过度饱和，能够实现在3 A～1 000 A电流变化范围内稳定供能。通过理论分析与仿真测试可知，如果在相关参数上加以调整，此电源设计方案能够适应不同智能电气设备的供电要求。
参考文献
[1] 张立洪.高压侧感应电源的研究与设计[D].秦皇岛：燕山大学，2013.
[2] 何晓阳，王小英，王铮，等.高压输电线自具电源的设计[J].电子技术应用，2015，41(3)：137-140，144.
[3] 肖波，徐敏捷，席朝辉，等.高压侧感应取能电源的研究[J].高压电器，2013(1).
[4] 张露.电力电缆测温系统取能电源设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.
[5] 黄新波，石杰，陈小雄，等.基于互感取能的导线监测传感器电源设计[J].高压电器，2014(9)：16-22.
[6] APOLONIO R，VASCONCELL A B.The use of Saber simulator for non-linear magnetic devices simulation：analysis and improvement[C].IEEE International Symposium on Industrial Electronics，ISIE′03，Uberlandia，Brazil，June 2003：511-515.