柱上开关用电容取电装置研究

0引言

传统羊角PT形式的电磁取电方式,长期运行过程中易发生铁磁谐振现象,从而导致设备损坏中断供电,安装的尺寸也比较大,且难以小型化。同时,越来越多的电子化产品正迈向融合发展,对供电的可靠性、稳定性提出了更高要求,所以亟待研发一种新的取电方案,既可以解决电磁取电带来的弊端,又不影响设备的用电需求,能在既有标准下不需要大范围重新调整柱上开关整体外形结构尺寸,为后续的批量化改造及普及使用带来方便。本文提出了一种可替代的形式—电容分压取电匹配安全隔离变压器的取电方案,生产制造成本不高,安装体积小,对电网的影响小,成为一种可行的取电方案。

1 原理分析

电容分压降压器是在高低压之间接入高、低压电容,形成分压臂,分压后接安全隔离变压器,由变压器稳定输出供电。如图1所示,高压电容器C₁负责分压降压,低压电容器C2负责稳定输出,通过调整两只电容的大小比值,将高压降低至安全隔离变压器输入电压,调整一二次匝数比将电压降至用电设备工作电压或接整流电路供给直流^[1—2]。

将图1连接图进行简化,如图2所示,仅考虑正常工频下励磁感抗,简化为Lm,负载仅考虑接入纯阻性负载R,当接入输入电压为U的线路后,电容器C₁ 的阻抗Z_C1=1/jwC₁, 电容器C2的阻抗ZC₂=1/jwC₂,其中w为交流电频率。

根据电容器串联分压公式,空载时点2与点3之间电压差U●₂₃的大小满足如下公式:

即通过高低压电容器形成了降压通道,将高电压转换成可以使用的低电压,同时再经过安全隔离变压器变换成可使用的标准低电压。

2参数设计

基于以上原理分析,设计初步分压电路^[3—4],如图3所示。

由分压公式(1)可知,高压电容器C₁容值相对于低压电容器C₂容值越大,分压电压U₂₃的值就越大,所能带动的供电负载功率就越大,所以高压电容器C₁是提高整体供电效率的关键元器件。假设以上电路接入工频电压为U、角频率为w的高压线路,流过的取电电流为I₀,节点2与节点3之间电压差为U₂₃,高压电容器为C₁,此时线路取电电流I₀满足如下关系:

I₀=(U-U₂₃)×jwC₁  (2)

同时考虑到在线路上通过分压电容器取电,这种方式类似于在电网上连接用电设备,在取得有功分量的同时也会不同程度地给电网注入无功分量,造成电网污染,往往一条配网线路上会架设多台柱上断路器,积少成多的无功分量会挤占线路的输送容量,降低设备的使用效率,所以电网管理制度对线路上取电电流的大小有限制,取电电流太大会影响线路的电能质量,也会导致对配电终端故障的误判,在设计时将取电电流控制在10 mA左右^[5],由此列出高压电容器C1的取值范围公式:

当I0取最大值10 mA时,U取配电线路相电压值5774 V,w为系统角频率。代入对应数值,得到高压电容器C₁与U₂₃之间关系表达式:

C₁(5774-U₂₃)≤3.18× 10^-5  (4)

经过分压电容器降压后,将高电压降低到U₂₃,再经过安全隔离变压器变压,满足实际负载使用电压。安全隔离变压器一方面能调整电压/电流关系,平衡容性负载,减少无功分量的并网,另一方面也能起到隔离原副边的作用,可防止高低压间直接连接,起到安全防护作用^[6]。考虑到计算简便,进一步简化图3中的安全隔离变压器,在工频运行状态下漏电抗近似忽略不计,同时励磁损耗控制得也比较好,此时简化电路得到如图4所示电路^[7]。

根据简化后的变压器等效电路,负载端功率公式为:

P=UIcos φ   (5)

式中:P为有功功率;U为负载端电压;I为负载电流;φ 为功率因数角。

根据以上公式,可得出带载能力的大小取决于如下3点:1)负载端电压U;2)流过负载的电流I;3)功率因数cos φ。即尽可能提高这三个制约因素可以有效提高带载能力。对于纯阻性负载,功率因数暂不需要考虑并认为其值为1;关于负载端电压U取值,当其取大值时能提高供电功率,但同时会增加变压器及低压电容器C₂的体积,绝缘等级也会变高,并导致安装不便、成本增加,取小值则可能达不到理想的输出功率,因此需要综合考虑取值。除此之外,还可以提高制约因素负载电流I的取值,因取电电流受电网运行管理规定制约,拟按上限取最大值,所以只能通过电路配置尽可能使全部的取电电流流过负载,从而获得更大的功率。通过电路分析,实际使用中安全隔离变压器的励磁阻抗不是理想状态下的无穷大,会消耗一部分无功功率,利用励磁感抗的存在与低压电容器C₂构成并联回路,调整两者之间比值大小,使其尽可能处于并联谐振状态,根据并联谐振条件列出如下等式:

即:

当处于完全谐振状态时,取电电流I₀几乎全部流入纯阻性负载R,此时近似得出负载功率P_L:

当电路处于完全谐振状态时,高压电容器C₁与安全隔离变压器等效励磁线圈Lm中的电流大小相等、极性相反,处于完全抵消状态,此时可以得出取电电流与线路负载之间关系如下:

目前市场上的配网馈线终端的整体功耗在15 VA 以下,同时终端会配置带整流功能的电源模块及后备电源,正常工作时线路上取电电流值较小,所以I0拟按最大值10 mA取,输出给电源单元的功耗P_L取15 VA,代入对应数值得到分压电压U₂₃取约1 500 V,此时得安全隔离变压器的体积相对不大,等效带载电阻RL近似为1.5× 10⁵ Ω(转换到实际负载时,需要除变比N₂),根据式(4)即得出高压电容器C₁容值取7.44 nF,再根据式(1)分压公式,分别代入高压电容器C₁、分压电压U₂₃ ,即求出低压电容器C₂容值约为21.2 nF,在得到低压交流电后,整流为终端所用直流电(24 V),此部分技术目前比较成熟。

3 验证

3.1 软件仿真

根据以上分析原理,在仿真软件中搭建交流部分仿真电路,如图5所示。

模拟仿真环境,输电线路系统为10 kV配电系统,单相输入电压取5 774 V,线路取电电流暂按最大值取10mA,变压器仅考虑励磁电感,输入侧电压1500V,输出侧电压220 V,变比6.82,二次侧负载阻值3.22 kΩ,高压电容器C₁容值取7.44 nF,低压电容器C₂容值取21.2 nF,根据低压电容器C₂容值选取匹配变压器,使其本身特性匹配并联谐振,励磁电感为478.5 H。先将转换开关S₁调至断开状态,测量点2与点3之间电压差为1.507 kV,线路取电电流为10.12 mA,符合理论分析,满足电容分压要求。接下来,将转换开关S₁调至闭合状态,得到仿真结果:点2与点3之间电压差为1.492 kV,线路取电电流为10.324 mA(此时负载阻抗为3.2 kΩ),变压器输出侧电压为218.785 V,负载功率为14.959 W,测量数据如图6所示。

改变负载电阻大小,观察取电电流、各端口电压及负载所获功率,数据如表1所示。

分析以上试验数据得出结论,当负载电阻减小时,整体阻抗减小,在线路电压不变的情况下,取电电流将会部分增大,但整体取电功率减小,在出现负载电阻值最大负偏差22.41%时,取电功率减小5.1%;当负载电阻增大时,整体阻抗增大,在线路电压不变的情况下,取电电流将会部分减小,但整体取电功率先增大后减小,在出现负载电阻值最大正偏差24.21%时,取电功率减小0.87%。即在设计负载下,有限的负载变化对取电功率的影响相对较小,同时后端匹配相应的电源模块进行整流输出,可以提高供电的整体可靠性。

3.2 实物接线

现场实物及接线如图10所示,其中电容分压取电设备采用外置式,分别取电源侧A相相电压及负荷侧C相相电压,方便现场在不必更换开关本体的情况下独立拆装,同时将安全隔离变压器及整流模块集成到取电设备底部,减小体积占用,装置直流输出,实验装置如图11所示。

升压前,检查电容分压取电设备接地柱已接地线,通过一次升压升流台体将取电设备一次侧高压升至额定相电压(约5 774 V),稳压观察低压直流输出,用万用表电压档进行输出电压值测量,其值为24.3 V,符合设计。

4 结论

本文提供了一种应用于柱上真空断路器的电容分压取电方案,通过多个电容组成的分压臂进行分压,再由安全隔离变压器进行降压输出。得出如下结论:

1)采用电容分压取电加安全隔离变压器方式,当负载出现小范围变化时,所获得的输出功率较稳定,用电可靠性高,同时高低压隔离,安全系数高;

2)区别于羊角电磁互感器取电,高压部分外绝缘伞裙数量减少,单台占用空间体积小,成本低。

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2025年第2期第4篇