电网高压在线监测设备自供电电源
由于输电线路所处的地理环境、气候条件比较恶劣，导地线及金具锈蚀、绝缘劣化、导线舞动、导线覆冰等因素，都可能成为输电网安全运行的隐患，随着电网规模的不断扩大，国家电网公司建设坚强智能电网战略的提出，随着各种监测技术的不断进步，建设全面的输电网在线监测系统正在成为新时期的热点。为输电网在线监测系统提供稳定的电源，就是本设计的目的所在。
本文阐述的是电网高压侧在线监测设备的自供电电源设计，本设计是由悬浮式电源转换器、整流器、滤波电路、泄放电路、DC-DC电路组成，能够将不断变化的交流电转化为稳定的直流电，从而带动监测设备，使得监测设备能够持续稳定的运行。 HM000088
电网高压侧在线监测设备的自供电电源，本电源利用悬浮式电源转换器，从不断变化的交流电源上取得电流，将取得的交流电经过整流器变为直流电，由于电网电压的不稳定，导致这时的直流电不稳定，在几安至几千安之间变化，经过泄放电路，将过大的电流泄放出去一部分，然后将较小的电流通过DC-DC电路，得到稳定的输出电压，这个电压即是将要加诸在监测设备上的电压，成为监测设备的电源，使监测设备稳定持续的进行工作。
【关键词】电网高压侧 电源转换器 自供电电源
2.1取电方式
电网高压侧取电，一般利用高压输电线路周围感应的电磁能量转化为电能，为安装在附近的电气设备提供稳定的电源的新型感应取电装置。能保证负载设备的长期稳定供电，适合作为高压输电导线上在线检测、巡检、防盗等电气设备的电源供给装置。
这种取电方式其根本原理是电磁感应现象。电磁感应（Electromagnetic induction）现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。
电流互感器原理是依据电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的2次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。
电压互感器是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成，也是利用的电磁感应原理。当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。电压互感器变换电压的目的，主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量线路的电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器，
2.2互感器分类与设计
2.2.1 电压互感器
电压互感器计算依据是：额定一次电压、额定二次电压、剩余电压绕组（如果有）额定电压、二次绕组准确级及额定电压，极限输出、剩余电压绕组（如果有）准确级及额定电压、额定频率、绝缘水平。
铁心额定磁通密度选择：额定磁通密度是一个选择性很强的基本设计参数。不同的电压互感器其额定磁通密度值差别很
大。选择合适的额定磁通密度是产品设计中必须首先解决的问题之一。
额定磁通密度与互感器误差及过励磁特性直接有关，电压互感器在两个极限电压空载误差的差值不应过大，系统出现工频电压升高时，互感器铁心不应过饱和。
因此，选取这种电压互感器额定磁通密度时，需满足：测量用绕组在两个极限电压下空载误差的差值不应过大；系统出现工频电压升高时，互感器铁心不应过饱和；系统发生单相接地短路时，互感器铁心不应过饱和；互感器具有良好的过励磁特性，以尽量防止并联铁磁谐振发生。
绕组设计：首先需要选取合理的每匝电压et。et值直接影响产品的误差性能和经济指标。在确定磁通密度已经确定的情况下，et值愈大铁心愈大，硅钢片用量多，空载误差大，et值愈小绕组匝数愈多，导线用量 多，绕组阻抗压降大，误差大。用多方案计算比较，以求得到最佳每匝电压值。选择et值还应使二次绕组为整数匝，剩余电压绕组、保护绕组和其它二次绕组亦应尽量为整数匝，以减少因非整数匝所造成的误差。
绕组额定匝数计算公式为： （2.1）
et取值见表2.1
表2.1电压互感器每匝电压选择
互感额定电压 kV 10及以下 35 110及以下
每匝电压et，V/匝 0.4～1 0.7～1.3 1.8～3
2.2.2电流互感器
普通电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数(N1)较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流(I1 )通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流(I2 )；二次绕组的匝数(N2)较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路，见图2.1。
由于一次绕组与二次绕组有相等的安培匝数，I1N1=I2N2，电流互感器额定电流比：I1/I2=N1/N2。电流互感器实际运行中负荷阻抗很小，二次绕组接近于短路状态，相当于一个短路运行的变压器。
穿心式电流互感器其本身结构不设一次绕组，载流(负荷电流)导线由L1至L2穿过由硅钢片擀卷制成的圆形(或其他形状)铁心起一次绕组作用。二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁心上，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路，见图2.2。
第1章 前言1
1.1 研究背景1
1.2 研究内容2
1.3 工作原理概述2
第2章 取电模块设计4
2.1 取电方式4
2.2 互感器分类与选取5
2.2.1电压互感器5
2.2.2电流互感器6
2.3 电流互感器使用7
第3章 整流模块设计9
3.1 整流器工作原理9
3.2 整流器的分类与选取9
3.2.1半波整流器9
3.2.2全波整流器10
3.2.3倍压整流器10
3.2.4桥式整流电路11
3.3 整流的设计12
第4章 泄放模块设计14
4.1 泄放电路作用14
4.2 泄放设计14
4.2.1 MOS管14
4.2.2整体电路设计14
第5章 滤波电路设计16
5.1 滤波的基本概念16
5.2 滤波电路的分类16
5.2.1电感滤波电路16
5.2.2电阻滤波电路17
5.2.3电容滤波电路18
5.2.4滤波电路的选取18
第6章 DC-DC模块设计20
6.1 DC-DC简介20
6.2 DC-DC转换器的调制方法20
6.2.1脉宽调制（PWM）20
6.2.2脉频调制(PFM)22
6.3 DC-DC的选择23
6.3.1额定功率23
6.3.2封装方式24
6.3.3温度范围与降额使用24
6.3.4变频与定频 25
6.3.5工作频率25
6.3.6隔离度 25
6.3.7电涌26
第7章Protel电路设计27
7.1Protel电路仿真的流程27
7.2 protel电路规划28
第8章测试结果与讨论29
8.1测试结果分析29
8.2问题讨论29
致谢30
参考文献31
附 录32
一、英文原文32
二、英文翻译 39
三、工程设计图纸 43
本文阐述的是电网高压侧在线监测设备的自供电电源设计，本设计是由悬浮式电源转换器、整流器、滤波电路、泄放电路、DC-DC电路组成，能够将不断变化的交流电转化为稳定的直流电，从而带动监测设备，使得监测设备能够持续稳定的运行。 HM000088
电网高压侧在线监测设备的自供电电源，本电源利用悬浮式电源转换器，从不断变化的交流电源上取得电流，将取得的交流电经过整流器变为直流电，由于电网电压的不稳定，导致这时的直流电不稳定，在几安至几千安之间变化，经过泄放电路，将过大的电流泄放出去一部分，然后将较小的电流通过DC-DC电路，得到稳定的输出电压，这个电压即是将要加诸在监测设备上的电压，成为监测设备的电源，使监测设备稳定持续的进行工作。
【关键词】电网高压侧 电源转换器 自供电电源
2.1取电方式
电网高压侧取电，一般利用高压输电线路周围感应的电磁能量转化为电能，为安装在附近的电气设备提供稳定的电源的新型感应取电装置。能保证负载设备的长期稳定供电，适合作为高压输电导线上在线检测、巡检、防盗等电气设备的电源供给装置。
这种取电方式其根本原理是电磁感应现象。电磁感应（Electromagnetic induction）现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。
电流互感器原理是依据电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的2次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。
电压互感器是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成，也是利用的电磁感应原理。当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。电压互感器变换电压的目的，主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量线路的电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器，
2.2互感器分类与设计
2.2.1 电压互感器
电压互感器计算依据是：额定一次电压、额定二次电压、剩余电压绕组（如果有）额定电压、二次绕组准确级及额定电压，极限输出、剩余电压绕组（如果有）准确级及额定电压、额定频率、绝缘水平。
铁心额定磁通密度选择：额定磁通密度是一个选择性很强的基本设计参数。不同的电压互感器其额定磁通密度值差别很
大。选择合适的额定磁通密度是产品设计中必须首先解决的问题之一。
额定磁通密度与互感器误差及过励磁特性直接有关，电压互感器在两个极限电压空载误差的差值不应过大，系统出现工频电压升高时，互感器铁心不应过饱和。
因此，选取这种电压互感器额定磁通密度时，需满足：测量用绕组在两个极限电压下空载误差的差值不应过大；系统出现工频电压升高时，互感器铁心不应过饱和；系统发生单相接地短路时，互感器铁心不应过饱和；互感器具有良好的过励磁特性，以尽量防止并联铁磁谐振发生。
绕组设计：首先需要选取合理的每匝电压et。et值直接影响产品的误差性能和经济指标。在确定磁通密度已经确定的情况下，et值愈大铁心愈大，硅钢片用量多，空载误差大，et值愈小绕组匝数愈多，导线用量 多，绕组阻抗压降大，误差大。用多方案计算比较，以求得到最佳每匝电压值。选择et值还应使二次绕组为整数匝，剩余电压绕组、保护绕组和其它二次绕组亦应尽量为整数匝，以减少因非整数匝所造成的误差。
绕组额定匝数计算公式为： （2.1）
et取值见表2.1
表2.1电压互感器每匝电压选择
互感额定电压 kV 10及以下 35 110及以下
每匝电压et，V/匝 0.4～1 0.7～1.3 1.8～3
2.2.2电流互感器
普通电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数(N1)较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流(I1 )通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流(I2 )；二次绕组的匝数(N2)较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路，见图2.1。
由于一次绕组与二次绕组有相等的安培匝数，I1N1=I2N2，电流互感器额定电流比：I1/I2=N1/N2。电流互感器实际运行中负荷阻抗很小，二次绕组接近于短路状态，相当于一个短路运行的变压器。
穿心式电流互感器其本身结构不设一次绕组，载流(负荷电流)导线由L1至L2穿过由硅钢片擀卷制成的圆形(或其他形状)铁心起一次绕组作用。二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁心上，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路，见图2.2。
第1章 前言1
1.1 研究背景1
1.2 研究内容2
1.3 工作原理概述2
第2章 取电模块设计4
2.1 取电方式4
2.2 互感器分类与选取5
2.2.1电压互感器5
2.2.2电流互感器6
2.3 电流互感器使用7
第3章 整流模块设计9
3.1 整流器工作原理9
3.2 整流器的分类与选取9
3.2.1半波整流器9
3.2.2全波整流器10
3.2.3倍压整流器10
3.2.4桥式整流电路11
3.3 整流的设计12
第4章 泄放模块设计14
4.1 泄放电路作用14
4.2 泄放设计14
4.2.1 MOS管14
4.2.2整体电路设计14
第5章 滤波电路设计16
5.1 滤波的基本概念16
5.2 滤波电路的分类16
5.2.1电感滤波电路16
5.2.2电阻滤波电路17
5.2.3电容滤波电路18
5.2.4滤波电路的选取18
第6章 DC-DC模块设计20
6.1 DC-DC简介20
6.2 DC-DC转换器的调制方法20
6.2.1脉宽调制（PWM）20
6.2.2脉频调制(PFM)22
6.3 DC-DC的选择23
6.3.1额定功率23
6.3.2封装方式24
6.3.3温度范围与降额使用24
6.3.4变频与定频 25
6.3.5工作频率25
6.3.6隔离度 25
6.3.7电涌26
第7章Protel电路设计27
7.1Protel电路仿真的流程27
7.2 protel电路规划28
第8章测试结果与讨论29
8.1测试结果分析29
8.2问题讨论29
致谢30
参考文献31
附 录32
一、英文原文32
二、英文翻译 39
三、工程设计图纸 43
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