基于電磁原理的高壓環(huán)境下的二次供電技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是對高電壓側(cè)信號處理電路供能方式一次全面的創(chuàng)新，所推出的基于電磁原理的高壓環(huán)境下的供電技術(shù)，是一種新型的二次電源通用供電技術(shù)，它從高壓側(cè)(輸出端)往低壓側(cè)(輸入端)看的是高電阻率的電氣通道；而從低壓側(cè)(輸入端)往高壓側(cè)(輸出端)看是二次供電的高導(dǎo)磁回路；是采用高導(dǎo)磁高電阻率的鎳鋅鐵氧體鐵芯的二次供電系統(tǒng)原理上仍然為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)原理，是把現(xiàn)代電子技術(shù)的高頻電源變電及送電的成熟技術(shù)移植到電力系統(tǒng)變電站的二次供電系統(tǒng)中來。這種能量傳輸方式，主要元件是鐵氧體鐵芯和線圈，在一種特殊的絕緣技術(shù)和連接方式下組成的二次供電系統(tǒng)是一種可以保持長期可靠送電的運行設(shè)備，并且其本身傳輸效率高，損耗小，傳輸器件的體積小，同時也不需要同時再采用其他的供電方式。
【專利說明】基于電磁原理的高壓環(huán)境下的二次供電技術(shù)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是對高電壓側(cè)信號處理電路供能方式一次全面的創(chuàng)新，所推出的基于電磁 原理的高壓環(huán)境下的供電技術(shù)，是一種新型的二次電源通用供電技術(shù)，它既可以有效傳送 幾十瓦的能量，且高低壓側(cè)的電壓又是隔離，將成為高電壓等級下可靠的二次電源供電技 術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 任何一種原理的電子式電壓電流互感器若能夠?qū)崿F(xiàn)在高壓側(cè)對交流電壓或交流 電流信號直接完成A/D變換，并由光纖把數(shù)字化后的信息送回地面，實現(xiàn)了信息變換及傳 輸過程的高低電位隔離的過程。能夠?qū)崿F(xiàn)這一過程，互感器高壓部分的絕緣設(shè)計就可以簡 化，使傳統(tǒng)電磁式電壓電流互感器的制造成本大大地降下來，運行可靠性反而大大地提升。 實現(xiàn)上述過程的關(guān)鍵技術(shù)就是二次電源的供電技術(shù)。
[0003] 常見的高電壓側(cè)信號處理電路供能方式有兩種。其一為線圈從母線取能的供電方 式，該供電方式是利用電磁感應(yīng)原理，由專用互感器從高壓母線上感應(yīng)得到交流電能，然后 經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后為高壓側(cè)電路供電。該方式線圈處在高壓端，絕緣要求低，造價也較 低。缺點是母線未供電時或電流很小時（< 5% )，這種供電方式失效。另一種供電方式為 激光供能方式。這種方法采用激光或其他光源從地面低電位側(cè)通過光纖將光能量傳送到高 電位側(cè)，由光電轉(zhuǎn)換器件（光電池）將光能量轉(zhuǎn)換成為電能量，再經(jīng)過DC-DC變換后，提供 穩(wěn)定的電能輸出。這種供電方式在實際使用中的可靠性比較高。其缺點主要是光電器件的 價格比較高，且其主要部件激光晶閘管的工作壽命有限。因此實際應(yīng)用中常將上述兩種供 能方式結(jié)合起來，即在高壓側(cè)供能模塊內(nèi)設(shè)計一個自動切換電路，在正常負荷時選擇線圈 供能方式，否則采用激光供能方式。
[0004] 除了上述兩種供能方式外，還有高壓電容分壓器供電、蓄電池供能、太陽能供電等 方式，但這些供能方式都存在一些致命弱點而不能被普遍應(yīng)用。
[0005] 事實上，有源式電子互感器之所以仍不被用戶大量采用，除了各種傳感原理的技 術(shù)、工藝成熟性與可靠性以外，很重要的一個原因就是供電電源的可靠性及使用壽命，可以 說目前仍沒有一個現(xiàn)場運行認可的解決方案。
[0006] 我們提出一種新型的二次電源供電技術(shù)，它既可以有效傳送幾十瓦的能量，且高 低壓側(cè)的電壓又是隔離，是一種高電壓等級可靠的二次電源供電技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 電網(wǎng)運行時，高壓CT，PT都處于高電壓（35_500kV)的運行環(huán)境中，攻克從低壓側(cè) 向高壓側(cè)的二次供電的關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)為：
[0008] i)從低電壓向高電壓的供電回路必須是高電阻率的電磁元件以保證在高壓運行 環(huán)境漏電流小，從而既保證供電回路運行可靠性，又保證電網(wǎng)運行時CT，PT的可靠性。
[0009] ii)二次供電技術(shù)必須傳輸效率高，損耗小，傳輸器件的體積小，才能保證在支柱 式絕緣子的內(nèi)孔有限空間內(nèi)安裝和可靠運行。
[0010] 我們選擇高導(dǎo)磁高電阻率的新型軟磁鐵氧體材料作為二次供電的載體，這種磁材 料的特點是：
[0011] i)高電阻率
[0012] 專門選用鎳鋅鐵氧體材料燒制成的異形鐵芯，電阻率達到108?109Ω/πι.
[0013] ii)高磁導(dǎo)率
[0014] 鎳鋅鐵氧體鐵芯的磁導(dǎo)率可以做500?3000,我們可以選擇適用的磁導(dǎo)率以保證 供電回路的傳輸效率。
[0015] iii)鐵氧體材料制成的鐵芯適用于20?250kHz的高頻交變信號的傳輸。由電磁 感應(yīng)的公式：
[0016] E:感應(yīng)電壓（V)
[0017] f:頻率（Hz)
[0018] E = 4. 44f * N * Ae * Bm N :線圈阻數(shù)
[0019] Ae :鐵芯有效截面積（cm2)
[0020] Bm :磁通密度的峰值（T)
[0021] 可以推論，由于傳輸交變信號的頻率f是傳統(tǒng)交流電頻率的400-5000倍，即使鐵 氧體的磁通密度Bm比高磁導(dǎo)率的硅鋼片，超微晶等導(dǎo)磁材料小10-20倍，傳輸同樣的功率， 我們?nèi)钥砂丫€圈匝數(shù)或鐵芯有效截面積有效的減下來，實現(xiàn)供電設(shè)備的小型化與能量的高 效傳輸。
[0022] 1、二次供電技術(shù)的基本電磁回路設(shè)計
[0023] ?我們專門設(shè)計高導(dǎo)磁高電阻率的異形鐵氧體鐵芯，如圖1所示。
[0024] ?在異形鐵芯的兩側(cè)各裝一個線圈A和B。如圖2所示。
[0025] 從原理上說，我們對線圈A施加一定的交變高頻電壓Ul，在異形閉合的導(dǎo)磁回路中 將產(chǎn)生足夠強的高頻磁通Φ。該磁通Φ將激勵線圈B感應(yīng)出電壓u 2，這個能量傳輸原理 就是傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)原理或者說是普通變壓器的原理。
[0026] ?基本電磁回路元件設(shè)計必須滿足以下條件
[0027] i)為了保證基本電磁回路的能量傳輸效率，導(dǎo)磁回路的長度不能太長，還必須有 一定的鐵芯有效截面積。異形鐵氧體鐵芯尺寸就是按照這個原則設(shè)計的。實驗表明，我們 輸入的高頻電壓的頻率控制在20?50kHz左右，選擇好線圈的匝數(shù)，可以實現(xiàn)異形變壓器 的傳輸效率達到90?95%。
[0028] ii)盡管我們選擇高電阻率的鐵氧體磁芯，電阻率達到108?109Ω/πι，如圖3所 示_。但只靠鐵氧體本身的絕緣水平遠不能滿足高壓設(shè)備的絕緣要求。我們必須加強線圈 Α，線圈Β對鐵氧體鐵芯的絕緣水平。參照干式變壓器的絕緣要求，我們可以實現(xiàn)線圈對鐵 芯的電阻率達到1〇12Ω的水平。
[0029] ?異形鐵氧體鐵芯用環(huán)氧樹脂灌封后的電氣特性
[0030] 灌封后異形變壓器的阻抗等值電路圖如圖4所示
[0031] i)電阻R是由線圈Α對鐵氧體鐵芯之間的絕緣電阻RA，線圈Β對鐵氧體鐵芯之間 的絕緣電阻rb，和鐵氧體鐵芯內(nèi)阻札所組成的。即：尺二心+馬+札其絕緣等級達到10 12Ω的 水平
[0032] ii)電容C是異形變壓器兩端的線圈A，B之間的電容量，相當于平行導(dǎo)電極板之 間形成的，灌封后其容抗大概在2?4Χ10 8Ω的數(shù)量級。
[0033] iii)經(jīng)過絕緣處理后，基本電磁回路元件的工作電壓可以達到15?20kV，工頻耐 壓可以達到45kV左右。事實上絕緣處理基本電磁回路元件工頻耐壓水平取決于線圈A和 線圈B之間的電氣距離D與絕緣材料耐壓水平有關(guān)。
[0034] 以環(huán)氧樹脂絕緣材料的絕緣能力15?20kV/mm推算，5mm左右的環(huán)氧樹脂絕緣層 就能達到理想工頻耐壓水平。
[0035] 基本電磁回路元件的高壓實驗數(shù)據(jù)為：
[0036] 實測元件的交流阻抗為1. 70?2. ΟΧ 108Ω。
[0037] 工頻耐壓試驗45kV-分鐘通過。
[0038] 施加直流電壓2kV時，漏電流為2 μ A。
[0039] ?異形鐵氧體鐵芯灌封后，導(dǎo)磁回路特性沒有發(fā)生變化，不會影響磁回路的傳輸 效率。對線圈Α施加高頻電壓，基本電磁回路元件的傳輸效率可以達到90?95%。傳輸效 率很高。
[0040] 以上分析可以看出，一個基本電磁回路的元件的特性為：
[0041] 從高壓側(cè)（輸出端）往低壓側(cè)（輸入端）看的是高電阻率的電氣通道。而從低壓 側(cè)（輸入端）往高壓側(cè)（輸出端）看是二次供電的高導(dǎo)磁回路。我們正是用這種器件雙向 不同電磁特性來實現(xiàn)高壓環(huán)境下的二次供電。
[0042] 2、異形變壓器串接電路設(shè)計原則
[0043] 一個基本電磁回路元件的電阻率不能滿足高壓運行設(shè)備的絕緣要求。顯然對于不 同電壓等級的二次供電回路，必須串接不同數(shù)量的基本電磁回路元件。如圖5所示。
[0044] ?以35KV電壓等級的二次供電回路設(shè)計
[0045] 設(shè)一個基本電磁回路元件交流阻抗為2X 108Ω .如果二次供電回路串接3個基本 電磁回路元件組成一套二次供電系統(tǒng)。
[0046] 按照基本電磁回路元件的傳輸效率為90%，要求二次供電回路最終的輸出功率為 15W，則輸入端的傳輸功率大約在22W左右，就能滿足二次供電的容量的要求。
[0047] 在35kV電壓等級的母線上運行時：
[0048] i)通過串接電磁回路的工頻電流為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于電磁原理，高壓環(huán)境下從低壓側(cè)往高壓側(cè)的二次供電技術(shù)。 它采用高導(dǎo)磁高電阻率的新型軟磁鐵氧體材料的異形閉合鐵芯作為二次供電的載體， 在異形鐵芯兩側(cè)各裝一個線圈，構(gòu)成一個基本電磁回路元件。 基本電磁回路元件經(jīng)過特殊的絕緣工藝處理，具備兩個重要的物理特性：傳輸電能效 率可達95%?98%，兩側(cè)線圈之間的阻抗達到2Χ108Ω。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1，我們可以按照不同高電壓等級串接不同數(shù)量的基本電磁回路元 件，例如對于llOkV電壓等級可以串接6?8個基本電磁回路元件，低壓側(cè)輸送功率30W，就 可以在高壓側(cè)得到24V，15W的能量，同時該傳輸通道可以承受240?300kV的工頻耐壓實 驗。 這種二次供電技術(shù)具備雙向不同的電磁特性：從高壓側(cè)（輸出端）往低壓側(cè)（輸入端） 看是高電阻率的電氣通道，而從低壓側(cè)（輸入端）往高壓側(cè)（輸出端）看又是二次供電的 高導(dǎo)磁回路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述，為了保證一定數(shù)量的串接電磁回路元件的傳輸效率，我們必 須采用高頻交流電壓來傳輸能量，根據(jù)實驗及理論計算高頻交流電壓的頻率在20?50kHz 范圍內(nèi)。 串接電磁回路元件傳輸20?50kHz的高頻電源能量，是高頻電源設(shè)計的一個新的突 破；它既保證串接電磁回路元件的傳輸效率，實現(xiàn)傳輸過程中鐵芯的不發(fā)熱；又保證電磁 回路元件的小型化，滿足支柱式絕緣子的安裝要求。
4. 本專利技術(shù)是一種高壓環(huán)境下的二次供電的通電技術(shù)，它既可以給有源式互感器供 能，也可以為高壓絕緣檢測設(shè)備供能，又可以為高壓直流的閥體控制設(shè)備供能，是一種應(yīng)用 范圍十分廣泛的供電技術(shù)。
【文檔編號】H01F38/14GK104104234SQ201310116607
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月7日
【發(fā)明者】魏孝銘 申請人:華云逸力(北京)光纖傳感技術(shù)有限公司