电力电缆在线监测系统的感应取电电流互感器参数选择与优化

作者:庞丹;戴斌;雷鸣;田鹏;王启; 刊名:吉林电力 上传者:江鸿霞

【摘要】针对电缆线路在线监测系统感应取电的电流互感器(TA)参数选择问题,通过建立TA的简单拓扑模型,得到TA二次侧电压波形接近方波,可据此计算流入整流滤波电路的电流平均大小,并进一步推导负载获得最大功率条件,及励磁电抗和一次电流、负载电压和电阻之间的数学关系。通过考虑大电流工况限制及限定启动电流使负载电压和输出功率最大化等约束条件,确定感应取电TA的参数。仿真和试验证明了该方法能够精确计算TA取电装置的启动电流,并使负载工作点高度趋近功率峰值。

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电力电缆网在系统中占比提高的同时,电缆故障问题是我们必须面对的一个重要课题。导致电缆故障的原因主要有不当操作、过电压或过电流、外力破坏、绝缘老化等因素。确定电缆故障的准确位置并及时解除故障是目前提高电缆使用效率的有效方法。合理使用各种检测设备可以精准确定电缆故障的位置并及时解除故障,而电力电缆运行状态检测设备的稳定运行主要依靠持续稳定可靠的电源供给。基于电磁感应原理的电流互感器(TA)取电电源具有体积小、安装方便并且可以长期稳定供电的特点,适合于对监测设备的电源供给。TA取电电源参数选择应主要满足以下3点要求:满足监测设备的启动电流要求;尽量让负载功率达到最大;在大电流工况下不会导致温升过高而烧毁取电装置。 本文首先对TA取电电源进行建模,确定简单拓扑结构,TA二次侧电压的波形接近方波,据此计算流入整流滤波电路的电流平均大小,并进一步推导负载获得最大功率条件,及励磁电抗和一次电流、负载电压和电阻之间的数学关系。实现负载电压和输出功率的最大化,选取适宜的磁密最高限值和一次侧最大工作电流,保证取电TA二次侧绕组温升在合理范围内,最终确定取电TA参数。 1 TA参数计算 1.1 整流滤波电路分析 图1为取电TA的简单等效拓扑结构,其中is为正弦交变电流源;RL、UL分别为负荷电阻及其两端电压;Lm为励磁电感(保持不变);im为励磁电流;u2为二次侧电压;C为电容(足够大);i=is-im;D1至D4为二极管。 图2为TA二次侧电压u2、励磁电流im的仿真波形。整流滤波电路的非线性作用使得u2的波形无限接近方波,u2作用在励磁电感上得到的im波形为三角波。综上,有如下结论:二次侧电流i与u2相位相同;i的绝对平均电流约等于流过负载的平均电流有效值Iav;整流桥有1.4 V压降,所以TA二次侧电压的有效值U2比负载电压有效值UL高1.4 V。 设正弦交变电流源is表达式如下: 式中:Is为电流is的有效值;φ为初相位;T为周期。 在一个周期T内,励磁电流im的表达式为: u2过零时,i也过零,即u2(0)=i(0),可计算负载平均电流值,并考虑励磁电抗Xm=2πLm/T,得: 式(3)表明:UL是关于Is、Xm和RL的函数。设负载消耗功率为P,由最大功率条件?P/?RL=0,当Xm一定时,由式(3)可得到下面不等式: 式(4)表明:随着Is的增大,RL 逐渐趋近Xm。 1.2 TA铁心参数和线圈匝数计算 由于负载电压存在限值,在启动电流时刻,负载获取最大功率是最合理的。此时负载电阻为设备最低工作电压Ud和设备工作负载电流的比值。 设TA一次侧电流为Iq,由变压器原理可知: Is=Iq/N (5) 其中:N是取电TA二次侧匝数,只要Is不是太小,Xm=RL在大部分电流不同取值情况下都应能够实现功率最大化。实际上当Xm,min=RL时的取电功率与满足最大功率条件时的负载功率相差很小,因此为简化计算,令Xm,min=RL,则联立式(3)和式(5)即可计算得到取电TA二次侧匝数N。 为保证启动电流在设定值的范围内,只需使铁心材料满足下式: μS/l≥Xm,min/2πfN2 (6) 式中:f为一次侧电流频率;μ为铁心磁导率;S为铁心截面积;l为铁心磁路有效距离。 考虑到取电TA铁耗发热问题时,有: Ud+1.4=4fNBd,mS (7) 式中Bd,m为在电压Ud时的磁感应强度峰值。 因此,通过确定S即可确定Bd,m的值;通过确定铁心材料并对铁心进行空载试验,即可得到对应磁感应强度下磁导率μ的值;确定铁心形状,就可确定l的值,即可最终选取合适的铁心。 TA二次侧绕组

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