电流互感器磁通调制的设计方法分析

刘静鲜

摘 要：有源电子式电流互感器的母线式电源具有感应电压较高、热耗能过大的缺点，容易对运行工况造成不良影响。本文提出了一种通过控制电路开关快速导通与闭合的磁通调制方式获得稳定电压输出的思想，进行母线式电源的设计。电源的电路设计中包括主绕组与控制绕组两个部分，通过控制绕组的通断与占空比，控制电流互感器中的磁通量，实现对感应电压的控制。在电流互感器中固定一次电流情况下，对调节占空比与通断频率的主绕组感应电压进行仿真与实验，结果证明这种设计方法能够稳定主绕组感应电压，获得较为理想的输出电压，是电流互感器电源设计的有效方法。

关键词：电流互感器；母线式电源；磁通调制

中图分类号： TM45 文献标识码：A

传统电力系统中的电流互感器没有信息传输与处理的功能，在现代数字化的电力系统中的应用越来越少，逐渐被能够完成信息传输与处理的有源电子式或无源光学的电流互感器取代。而有源电子式电流互感器在高压一次的电路中需要外部能量的供应才能够完成正常的功能运作，而当前主要的供能技术包括母线取电、激光供能、微波功能与超声波供能等多种方式。电流互感器电源设计中的主要问题是大电流所产生的热能消耗，而开关电源能够通过半导体元件的高速闭合与导通完成输出电流的整流稳压效果，能够保持较高的效率与良好的稳定性。所以本文通过开关电源的半导体高速导通与闭合的理念应用于小型电流互感器电源设计中，以磁通调制的方式解决这一问题。

一、电流互感器电源的设计问题

电流互感器是连接电力系统中一次设备与二次设备的关键节点，能够准确有效测量电力系统的各项基本参数，还能够为自动化电力系统中的计量、保护与监控部分提供信号支持。传统的电磁感应方式的电流互感器，在正常工作的过程时，一次绕组串联在回路中，二次绕组则经过负荷闭合，确保负荷电流与一次绕组的电流呈正相关。通过二次绕组电流的测量完成一次绕组电流的计算。而在现代自动化电力系统中，电力生产与传输的实际电容量不断增多，电网电压等级也不断提升，同时数字化变电站也逐渐成为电力系统发展的主要方向。智能化电力系统对电流互感器的要求也不断提高，而由于存在铁磁谐振、固有磁饱和、频带较窄、动态程度较低、工艺复杂以及造价较高的缺点，传统的电流互感器已经无法满足电力系统的要求。而新型的电子式电流互感器已经成为当前电力系统互感器研究的特点方向，几乎弥补了传统电流互感器的所有缺点。电子式电流互感器的实际应用中，与整体系统运行稳定性直接相关的关键因素是高压侧采样电路的供能电源稳定性，所以供能方式的选择是电子式电流互感器的关键问题。电子式电流互感器可以分为三个模块，分别为高电压侧、低电压侧与光纤传输。由于高电压侧与低电压侧之间的连接由光纤完成，没有电磁联系，所以高电压侧电路的电能供应成为电子式电流互感器设计的关键问题。当前的主要电源供能方式包括激光供能、母线式自具供能、高压电容分压器供能、蓄电池供能、超声电源供能等。其中母线式供能是通过电磁感应的原理，通过铁磁式互感器与高压母线进行电磁感应而获得电能，通过信号的整流、滤波、稳压处理后，为高压侧供电，具有结构简单、实用方便的优点。而电力系统的负荷变化较大，母线电流也不是稳定变的，有可能瞬间电流在短路时达到额定电流的数十倍。这种不稳定的环境为电源中的互感器与稳压电路带来了较大的风险，所以在母线式电源设计中控制电压信号的稳定性极为重要。而开关电源能够通过半导体元件的高速闭合与导通完成输出电流的整流稳压效果，能够保持较高的效率与良好的稳定性。

二、设计原理

有源电子式电流互感器高压侧的电子模块需工作电源，利用激光供电和高压取能技术实现对高压侧电子模块的供电是目前普遍采用的方法，这也是有源电子式互感器的关键技术之一。电路互感器的供能部分安装在高压母线上，母线经由电流互感器的中心穿过。交流母线的电流转换为交流电压输出的基本电路原理，如图1所示。电流互感器的二次绕组分为两个独立部分，分别为主绕组与控制绕组。

在不考虑绕组的前提下，主绕组中的输出电压满足法拉第定律：

而主磁通Φp与母线电流ip直接相关：ip（t）=Ipsinωpt（2）Фp=Cip（3），其中C为常数，与电流互感器的结构与尺寸直接相关。所以可以得出：（4）或（5）

再对控制绕组进行分析，在控制绕组的开关处在闭合状态时，磁芯中的磁通量几乎为零，所以这时主绕组的感应电动势也接近为零，即为uˊs约等于0。在控制绕组的开关处于开启的状态时，主绕组的负载电阻上的电压符合公式（5）。所以，在这个系统中，存在两种频率，即为母线电流的额定频率与控制绕组的开关频率。母线电流的额定频率为50Hz，而控制绕组的开关频率相比母线频率大幅度提高。而这种过程中uˊs变换情况相当以一系列幅值为1的脉冲信号进行抽样。

其中，k为t1/Tc，表示在开关上控制信号的脉宽比，而t1表示主线圈中的感应电压导通时间。

三、仿真结果

以MATLAB对电流互感器的取能进行模拟分析。电流源的幅值设定为1500A，主绕组在单独感应情况下的电动势有效值为100V，控制绕组单独感应的电动势有效值为400V，电感设定为2mH，电容设定为10μF。以控制开关的通断频率与脉宽比进行调节，获得不同条件下的主要组感应电压us以及整流处理后的负载两端电压的uo仿真波形。根据仿真波形可以得出结果，负载端的电压波形接近正弦曲线，而波纹较大；在相同的开关频率条件下，脉宽比越大，则波纹越大，而负载电压的输出幅度越小；而频率越高，负载端的电压波纹越小。

结语

实验与仿真的数据结果显示，通过调节控制电路信号的脉宽比能够对二次绕组负载电压的输出幅度进行控制，同时能够保持电压输出为正弦波形。所以根据常规的变压整流滤波理论，可以完成稳定的输出电压。电流互感器母线电源工作过程中，二次绕组的高压脉冲是主要的安全风险之一。二次绕组高压脉冲对电源整体的绝缘性能要求较高，还可能把超出控制的电能输入电源，快速提高电源的热量，导致电源设备由于过热而烧毁。以快速通导与断开进行绕组控制的设计思路，能够有效避免二次绕组高压脉冲的发生，对电流互感器母线式悬浮电源的设计优化有重要的意义。但本次研究还存在很多不足，输入的频率信号的发生设备只能提供单一频率的输出，无法对不同频率的输出结果进行验证，同时也没有较大的电流输出设备，导致验证结果可信度不足。在下一步的实验研究中，主要目标为不同频率以及大电流环境下是否能够得出一致的仿真结果。

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