暂态录波型故障指示器ＴＡ取电研究 王洪林 ，朱俊强 ，董涛 ，刘柱揆 ，范黎涛 （１．云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明６５０２１ ７； ２．上海晟斯智能技术有限公司，上海闽行２００５４０） 摘要：暂态录波型故障指示器对ＴＡ取电设计提出了很高的要求，在满足小电流下（５ Ａ）有效取能的同时， 还要能在大负荷电流下（６００ Ａ）长期运行而不至于发热损坏。考虑装置体积和取能线圈载流量约束，通过理 论计算和实验对比，确定小电流取能需要比较大的磁通密度，而大负荷电流下必须利用铁芯的饱和特性减 少能量传变方能满足温升要求。结合ＡＤ】公司ＡＳＰ５０９１能量管理芯片典型电路，分析了取能ＴＡ铁芯线圈参 数和后续回路的配合关系，给出了实测数据和优化设计方案。 关键词：故障指示器；暂态录波 ＴＡ取电 磁饱和 ＡＤＰ５０９１ 中图分类号：ＴＭ７】】 暂态录波型故障指示器是近年来出现的配电自 算和实验分析。 动化新设备，能够以较小的投资实现配电线路区段 故障定位功能。尤其对于小电流接地系统的单相接 地故障，通过对接地瞬间的暂态电流进行高采样率 永久性接地故障的有效识别”］。 １ ＴＡ取电模型及相关公式 ＴＡ取电可按照图１变压器负载等效模型进行分 ５－６］ｏ该模型忽略Ｙ＝ｔ￣Ｉ线性畸变、漏磁、ＴＡ气隙、 录波，上送后台系统进行比对分析，能实现瞬时和 析［绕组电阻等影响，主要用来揭示理想情况下的取电 暂态录波型故障指示器一般采用ＴＡ取电结合 原理。 超级电容储能作为主电源方案，同时配有大容量一 次性电池作为后备［２－－４１￣高采样率录波需要ＣＰＵ和 ＡＤ系统不间断工作，电源设计要求显著高于传统 的短路型故障指示器。传统只反映相间短路的故障 ｃ 指示器可以利用大的短路电流瞬间储能。而暂态录 波型故障指示器必须适应线路负荷电流的变化，实 时取能以满足高速采样存储的要求。 根据配电线路的负荷特点及相关技术规范，结 合低功耗ＣＰＵ系统和ＡＤ采集回路功耗设计参数， ）．ｖ． 一（ 图１ ＴＡ取电等效模型 根据此模型可推导出一系列解析公式： 厶＝Ⅳ ，２ Ｉｏ＝ＨＬ （１） （２） 确定１０ ｋＶ线路暂态录波型故障指示器ＴＡ取电回 路的主要需求包括： ·Ｂ：，ｕＨ （３） 长期工作线路电流范围：０～６５０ Ａ； 小电流取电性能：线路电流５ Ａ时，有效取能不 小于５ ｍＷ； Ｅ２＝√２兀＿，Ⅳ２ 尸： ，２ （４） （５） ·式中： 为一次电流；厶为铁芯励磁； 为二次电流； ·短时线路故障电流冲击：２ｏ ｋＡ，２ Ｓ； 蚀。 Ｍ为二次绕组匝数； 为铁芯磁路长度； 为铁芯截 场强度； 为二次感应电动势； 为系统频率；ＪＰ为 ·抗腐蚀性能：５％ＮａＣＩ中性盐雾试验９６ ｈ无锈 面积； 为铁芯磁导率； 为铁芯磁密；Ｈ为铁芯磁 以下将主要针对上述典型需求参数进行理论计 二次回路功率。 ２０１ ８￣－：ｇｌ Ｎ总第３６８期 蓑村鼋蠢｛匕 针埘以Ｉ 公式ｕｒ以这样进行理解：似定 次 芰，线路·次电流， ：ｌ火芯Ｉ｛Ｉ感 ＩＩＪ磁场强度 ， 到磁 材料以供给更多能量，而大电流时则 ‘ 铁芯深 饱平¨以减少二：次ｌ几１路多余的能量发热。此外，吠际 乘以铁 ：磁 ； ，耦合到 次产生空 的取电ＴＡ为卜ｕ式结构，卡广１处［人】结构十 受 哉感 ｝ 动势Ｅ，；Ｉｎｉ吠际 次按仃负载 ，…路导 素ｕＪ’能存存有少 气隙，气隙增加的磁 会人人降 通将 · ：次电流，｝ 流 磁路ｃｆ１将 衡掉部分 低小电流时的取能水 。次Ｊ ｄ－的磁场，从ｉｎｊ会降低 次感 电动势；最 公式（６）【ＩＪ消去了二次绕组匝数参数， 他 。然 终 卜衡念取 功率取决Ｉ： 次接人的负载特性、铁 人 以为 次绕组的匝数在设讣［｝１ ：小 磁 半变化等冈祟。 而 述分析忽略ｒ铁芯磁饱和之后 磁的彤 Ｊ， 能取ｆ ｝ 将，、＝５０Ｈｚ代入公式（４），最终根据公式（５）推 必须以特定的 次负载和绕组匝数ｌ， 甘 ㈨Ｕ 拔的 想情况『 的：次取电功率为： 尸一￡！，１＝２２２ＢＳ（１ｌ—ＢＬ／ＩＩ） （６） 公 （６）的意义 ｒ以根椭铁 磁密计算 剑 次的助牢大小。从， 殴讣的观点＿行， 伙安 ｌ －般会嘎剁铁芯设计的制约（融导半、截 ｆｊｌ、磁ｌｊｌＩ． ）。 ＴＡ取Ｉ乜 人债付电流｝Ｉｌｆ·般会发，｛三铁芯饱和Ｉ， 此时铁 ：磁通和Ｉ：次感心的ｌ乜 Ｉ Ｉ乜流将发 畸变， 线路电流激，发的磁场 多以 磁的彤式发敝刮铁芯 外。饱平Ｉ１＾乏小饱 Ｉ 况卜的电磁 合夫系如 ２所，Ｊ 。 ／＿—一一 一 誉 ＿ 。 ’ 、 图２励磁电流、磁通、感应电压关系 ２取电影响因素分析与电路设计 ｉ卜述 Ｉ｝Ｉ沦分析平ｌＩ公 推导，ｕｒ 给定＋ ｝次Ｉ 流情况ｌ ，铁芯磁密和 次取电ｌｌ１１路会成为决 ｛定取】 功率的 ‘要 。 Ｉ铁 ：磁街决定ｒ 次所能扶取能 的极限，小 Ｉ『 流十ｆ 卜希 增加俄 积羊¨他川离｝ＪＪ始磁导率的 ｌ装村雹氧化２ ８年 第３６８期 最他的取电功率。ＴＡ取电的■次负 戈通常 ｌ 流限』 ， 负载特性较为复杂，考虑铁芯饱和Ｉ 素， 加｝：空间结构限制、漆包线，ｔｚ ＩＩ平¨钺流 参数等，直接导敛二次绕绢 匝数成为 汁ｔＩＩ的· 个关键 素。 二次取电回路的重要指标是住小·次ＩＵ流ＩＩ、 较高的转换效率，Ｉｍ住火·次电流Ｉ１．１－／－ ｊ 孵的 过流过压保护电路，并减少长期工作时的发热。 据该婴术，一股他用高效率的ＤＣ／ＤＣ转换器，附 加 类限流限压、防浪涌、防过热的ｆ 护Ｉ ，能 旬多为后续电路提供稳定ｎ 靠的电源支撑。ＡＤＩ公· Ｊ 的ＡＤＰ５０９１ 片适州丁微功耗场合的能ｌＩＩ：￣Ｉｋ ，ｌ１Ｊ 以跟光队电池或取电ＴＡ配合，除了 ，Ｊ 低，Ｉｚ ；动 的高效率ＤＣ／ＤＣ外，还同时集成Ｊ，超级Ｉ 容平ＩＪｊ 备电池的电源管理功能，简化了暂念 波， 敝ｌ￣ｑｑｂ， 永器的电源设计‘７ｉ。Ｉ刽３为ＡＤＰ５０９Ｉ ｔｌ ＪＪ ＴＡ取ＩＵ 自 典 电路 Ｉ冬】。 陟 ｝ 专 图３ ＡＤＰ５０９１丁Ａ取电典型应用 ＡＤＰ５０９１的应用原理ｕ 参考ＡＤＩ公 拽术 文档，任实际使用时有以下儿点值得 意： 该器件突山的特点是微功率能 Ｉ收 ，仃利Ｊ 小 流取电十叶靖邑提升，其槎体效率取决Ｊ 骼流桥 降、工作点选择和 片的ＤＣ／ＤＣ效牢； 最佳工作点跟踪灾际意味苕电源输入竹Ｊ】』＝ｌ】 Ｕ 容亢电到多高电 才启动转换，并 输入｝ 流 制 范围内尽量保持在此电压以获得最高的取能效率， 该电压的确定主要和取电ＴＡ二次开路电压和绕组 次电 电压峰流有效 一表２取电效能测试 的内阻有关，本质上比较适应低电压大电流的工作 方式，可适当减少二次绕组匝数； 值／Ａ ５．０ 电压有电流有效等效阻 充电功 值／Ｖ 效值／Ｖ值／ｍＡ 抗／Ｑ 率／ｍｗ ２０．１ ４１．２ ｌｌ６．０ ９５．０ ５３．４ ２２．８ 实际应用时还需要附加浪涌和过热保护电路以 提升可靠性。 １２．１ ３４．０ 综上所述，由于存在诸多的工程误差和非线性 因素，各设计参数相互制约，难以通过理论分析和 ７３．５ １４６．０ ｌ８３．０ ２５２．０ ２８９．０ ３４０．０ １２．６ ７．３ ５．６ ４．２ 仿真就得出最优设计，实际：ｒ作中一般根据原则进 行原型机设计，然后根据实验结果进行优化调整。 比如从尽量提高小电流取电性能的要求出发， ２００．０ ３００．０ 应选用初始磁导率较高的材料作为铁芯，常见的微 晶合金、坡莫合金和硅钢这三种软磁材料均纳入考 虑 Ｉ。结合结构设计和公式（６）计算的极限取能功率， ４０２．０ ５１０．０ ３７３．０ ４０５．０ ３．５ ２．８ 波形畸变越来越严重，峰值越来越大，但有效值越 考虑在５ Ａ一次电流时的二次等效回路，加工了下表 来越小，充电功率越来越小；中的５种取能ＴＡ，并进行了参数测定，如表１所示。 表１取能ＴＡ样品参数 ，一２ ３ ３ ５ 二次回路存在限压，故而在一次电流增加到一 定程度时，二次回路电压峰值限制在４ Ｖ左右，导 ３ ７ ３ ８ ３ ９ ４ ０ ４ ｌ １ ５ ３ 致等效二次回路阻抗减小，呈非线性负载特性。 编号铁芯材料 ｌ 尺寸 １ ２ ７—２瞰 ；１ ｌ ４大电流耗散功率控制 负荷电流较大时感应到二次的电流也随之增大， 如果不加限流措施，由于ＡＤＰ５０９１的最高输入电压只 有３ Ｖ左右，导致取电ＴＡ达到饱和点时的二次电流 硅钢 １０ ｍｍ×１０ ｍｍ １７０ 加 １．９ ６．７７ ２ 硅钢８ ｍｍ×６ ｍｍ ５００ ３．９ ８．０５ ３ 坡莫合金１０ ｍＦｆｌ×１０ ｍｍ ２５０ ２．７ ３．９ｌ ４坡莫合金８ ｍｍ Ｘ ６ ｍｍ ２５０ １．８ ４．０ １．６０ ３．１４ 已经很大，超过绕组漆包线允许的长时问载流值，绕 组发热厉害，不满足６３０Ａ最火负荷长期工作的需求。 为此，在进行表２试验时，给取电ＴＡ二次酬 ５ 坡莫合金８ ｍｍ×６ ｌｑ！ｍ ５００ 显然表１中的样品４因为５ Ａ一次电流时的歼 加 加 ｒ ３０ Ｑ功率电阻进行限流，通过增加二次 路输出电压只有１．６ Ｖ，不满足二次取电回路的要求 路串入＿５ ５ Ｏ ｌ ７ ４ ｌ ２ ３ 而被淘汰。样品５也较为勉强。从理论分析上看， 负载让ＴＡ在负荷电流增加时尽快饱和，限制二次 ５１０ Ａ时，限流功率电阻温升达７０ Ｋ，同时二次绕 组温升１５ Ｋ，铁 由于损耗较低温升约为５ Ｋ。通 由于坡莫合金的饱和磁密低于硅钢，导敛截面积较 绕组电流不超过允许范围。在试验中，一次电流 ｄｑ￣，Ｊ－难以满足取能要求。 ３饱和点与取电效能研究 过计算得知，此时功率电阻耗散功率约为４．９ Ｗ， ｉ周整限流电阻会改变饱和点、饱和电流以及绕 采川表１巾的ｌ号取电ＴＡ样品，串接３０ Ｑ功 散热设计已产生困难。 率电阻限流，接人图３的取电二次回路，改变一次 源输入端测得）。如表２所示。 一电流输入，测得表２数据（充电功率为ＡＤＰ５０９ｌ电 组和限流电阻上的耗散功率，但同时也对小电流取 电能力产生影响。在本例中，二次绕组的温升相对 次电流３４．０ Ａ时，计算得知铁芯磁密Ｂ为 较小，是因为绕组的直流电阻较小（１．９ Ｑ）且散热 １．８４ Ｔ，已导致硅钢材料初步饱和，实测此时＿二次 面积较大，可以考虑适当增加绕组电阻，这样可分 回路电压波形开始畸变； 担外部限流电阻散热设计的压力。 理想的限流器件应具备这样的特性，小电流时 铁芯饱和后，随一次电流增加，二次叫路电压 ２ｏＩ ８年第１期总第３６８期 裳村鼋蠢｛匕 其阻值较小，大电流时其阻值快速增加。选择合适 【７】叶健，莫若．故障指示器（Ｆｃｉ）应用及新型设计方 的ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｃｉｅｎｔ，正温度系 案探讨【Ｍ】．亚德诺半导体技术一输配电行业应用， ２０１ ６ 数）热敏电阻可以实现这一点ｌ９】，但是在饱和电流 【８】李春来．微型电流互感器常用铁芯材料的性能分析与 下，ＰＴＣ器件的温度可能较高，需要注意其热设计。 应用【Ｊ】科技创新与应用，２ｏ１ ６（２２）：８９—８９ ９】杨锋，李志，毛海涛，等 基于ＰＴＣ材料的短路限 此外，也可以通过三极管、可控硅等器件设计适当 ［流保护方案及ＰＴＣ限流特性研究【Ｊ］ 继电器，２００７， 的反馈回路实现电流限制功能［１０１。 ３５（１ ２）：１ ｏ－１ ４ 在小电流取电能力满足要求的前提下，减少铁 ［１ ｏ１熊兰 宋道军，何友忠，等．输电线路在线监测设备 芯饱和磁通可减少传变到二次的能量限值，也有利 供电电源的研制［Ｊ１．电力自动化设备 ２ｏｉ ２，３２（７）： １ ２９－１ ３ｊ＋１ｊ９． 于散热设计。具体的办法包括选用截面积更小的铁 芯，或者改变材质，比如相比硅钢，饱和磁密较低 的坡莫合金将更适合。 ５结束语 通过理论分析和一系列实验研究，取电ＴＡ的 铁芯材质选择硅钢和坡莫合金皆可，表１中的１号 和３号样品都可采用，但３号坡莫合金铁芯的取电 ＴＡ在大电流下散热更容易设计，防腐能力也优于硅 钢，故而被选择为最终方案。配合优化的限流电阻 和ＡＤＰ５０９１电源管理方案，设计出的产品已通过型 式试验验证，达到了相关要求。 坡莫合金的成本较高，在互感器领域很多已经被 微晶合金所取代。微晶合金具有优良的初始磁导率， 能胜任小电流取电要求，饱和点调整可通过减少截面 积和匹配二次绕组匝数、调整限流方案来实现，在解 决切面防腐问题后，将会是高性价比的替代方案。 参考文献 ［１】赵晨旭，闫志海暂态录波故障定位技术在配电网中 的应用［ｃ】 ２０１ ６年中国电机工程学会年会论文集， ２０１ ６：Ｉ－４ 【２】褚强，李刚，张建成，等．一种基于超级电容的输 电线路在线监测系统电源设计［Ｊ］．电力自动化设备， ２０１ ３，３３（３）：Ｉ ５２－－１ ５７ ［３】国家电网公司运检部．暂态录波型故障指示器技术 条件和检测规范（试行）［Ｍ】 中国国家电网公司， ２０１ ６ ［４］中国南方电网有限责任公司物资部．智能型架空线路 故障指示器技术规范书【Ｍ】 中国南方电网有限责任 ｌ 公司，２０１ｅ 薯ｌ［５】刘亚东，盛戈嗥，王又佳，等．基于功率控制法的电 ≥ｌ 流互感器取电电源设计【Ｊ】．电力系统自动化，２０１ ０， ｌ ７４（５）：７０－７４ ≤ｌ【６］王智博．电流互感器取电电源的研究与设计［Ｄ】．浙 ｌ 江大学，２ｏ１ ５． ０ ｆｆ ■装树雹袁化２ 年第１期 姗期 （责任编辑：刘艳玲） ＩＩｌ童亟 口核线“神器”亮相小发明创造大价值 近日，刚刚落幕的２０１７年南方电网公司基建 ｅｃ成果发布会上，广西电网公司南宁供电局五象 供电分局配网业主项目部申报的 便携式声光核线 器的研制》获得第一名。 杨灿强是获奖ＱＣ成果的主要研发人员。杨 灿强工作中发现了一个基建工程中一个很常见的 问题。传统核线采用绝缘电阻摇表一电话通信一 逐线核对的方式，一次核对一条线，由于距离远， 线路（电缆）两边的人员是通过电话或对讲机确认 线路相序，容易发生听错、接错或套错相序标识 的问题，而现场质量把控因人员少、管控面宽等 原因不能一一核实，往往是在线路接电后才发现 相序接错。 ２０１７年５月，在１１０ ｋＶ体育变电站到南宁市 五象新区盛科城２期电缆项目中，便捷式“声光核 线器”首次登场。通过三条线路（ＡＢＣ相）一次同 时核对，声、光报警方式确认电缆两端线序一致， 用时３ ｍｉｎ，一次成功。随后，项目组在基建工程应 用这个新发明开展３０次核线工作。据统计，核线正 确率为１００％，平均每次核线时间仅需３．７５ ｍｉｎ。根 据测算，平均应用１次，可节省工作时间０．１１ ｈ， 减少停电户时数３．２２个，显著提高了供电可靠性和 社会效益、经济效益。同时，一个声光核线器材料 成本约４０元，非常便于推广。 来源：《国家电网报》