摘 要：隨著配電網(wǎng)不斷向智能化、數(shù)字化發(fā)展，配電產(chǎn)品上用電設備越來越多，尤其是柱上真空斷路器，配套的用電設備不僅種類繁多，用電要求也逐漸提高，如何高效、可靠地提供穩(wěn)定電源成為限制其發(fā)展的一個瓶頸。鑒于此，在總結以往的電磁式電壓互感器取電方案的基礎上，分析電磁感應取電方案的工作原理及其優(yōu)劣點，提出一種基于電容分壓的取電方案并進行理論分析、電路設計、模擬仿真，為配電網(wǎng)設備取電提供了可行的參考。

關鍵詞：電容分壓；高壓取電；柱上開關

中圖分類號：TM76""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1671-0797（2025）02-0014-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.004

0""" 引言

傳統(tǒng)羊角PT形式的電磁取電方式，長期運行過程中易發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象，從而導致設備損壞中斷供電，安裝的尺寸也比較大，且難以小型化。同時，越來越多的電子化產(chǎn)品正邁向融合發(fā)展，對供電的可靠性、穩(wěn)定性提出了更高要求，所以亟待研發(fā)一種新的取電方案，既可以解決電磁取電帶來的弊端，又不影響設備的用電需求，能在既有標準下不需要大范圍重新調整柱上開關整體外形結構尺寸，為后續(xù)的批量化改造及普及使用帶來方便。本文提出了一種可替代的形式——電容分壓取電匹配安全隔離變壓器的取電方案，生產(chǎn)制造成本不高，安裝體積小，對電網(wǎng)的影響小，成為一種可行的取電方案。

1""" 原理分析

電容分壓降壓器是在高低壓之間接入高、低壓電容，形成分壓臂，分壓后接安全隔離變壓器，由變壓器穩(wěn)定輸出供電。如圖1所示，高壓電容器C1負責分壓降壓，低壓電容器C2負責穩(wěn)定輸出，通過調整兩只電容的大小比值，將高壓降低至安全隔離變壓器輸入電壓，調整一二次匝數(shù)比將電壓降至用電設備工作電壓或接整流電路供給直流[1-2]。

將圖1連接圖進行簡化，如圖2所示，僅考慮正常工頻下勵磁感抗，簡化為Lm，負載僅考慮接入純阻性負載R，當接入輸入電壓為U的線路后，電容器C1的阻抗ZC1=1/jωC1，電容器C2的阻抗ZC2=1/jωC2，其中ω為交流電頻率。

根據(jù)電容器串聯(lián)分壓公式，空載時點2與點3之間電壓差 23的大小滿足如下公式：

U23= U= U"""""""""""""""""" （1）

即通過高低壓電容器形成了降壓通道，將高電壓轉換成可以使用的低電壓，同時再經(jīng)過安全隔離變壓器變換成可使用的標準低電壓。

2""" 參數(shù)設計

基于以上原理分析，設計初步分壓電路[3-4]，如圖3所示。

由分壓公式（1）可知，高壓電容器C1容值相對于低壓電容器C2容值越大，分壓電壓U23的值就越大，所能帶動的供電負載功率就越大，所以高壓電容器C1是提高整體供電效率的關鍵元器件。假設以上電路接入工頻電壓為U、角頻率為ω的高壓線路，流過的取電電流為I0，節(jié)點2與節(jié)點3之間電壓差為U23，高壓電容器為C1，此時線路取電電流I0滿足如下關系：

I0=（U-U23）×jωC1"""""""""" """""（2）

同時考慮到在線路上通過分壓電容器取電，這種方式類似于在電網(wǎng)上連接用電設備，在取得有功分量的同時也會不同程度地給電網(wǎng)注入無功分量，造成電網(wǎng)污染，往往一條配網(wǎng)線路上會架設多臺柱上斷路器，積少成多的無功分量會擠占線路的輸送容量，降低設備的使用效率，所以電網(wǎng)管理制度對線路上取電電流的大小有限制，取電電流太大會影響線路的電能質量，也會導致對配電終端故障的誤判，在設計時將取電電流控制在10 mA左右[5]，由此列出高壓電容器C1的取值范圍公式：

C1≤ """""""""""""""""""（3）

當I0取最大值10 mA時，U取配電線路相電壓值5 774 V，ω為系統(tǒng)角頻率。代入對應數(shù)值，得到高壓電容器C1與U23之間關系表達式：

C1（5 774-U23）≤3.18×10-5""""""" （4）

經(jīng)過分壓電容器降壓后，將高電壓降低到U23，再經(jīng)過安全隔離變壓器變壓，滿足實際負載使用電壓。安全隔離變壓器一方面能調整電壓/電流關系，平衡容性負載，減少無功分量的并網(wǎng)，另一方面也能起到隔離原副邊的作用，可防止高低壓間直接連接，起到安全防護作用[6]。考慮到計算簡便，進一步簡化圖3中的安全隔離變壓器，在工頻運行狀態(tài)下漏電抗近似忽略不計，同時勵磁損耗控制得也比較好，此時簡化電路得到如圖4所示電路[7]。

根據(jù)簡化后的變壓器等效電路，負載端功率公式為：

P=UIcos φ""""""""" （5）

式中：P為有功功率；U為負載端電壓；I為負載電流；φ為功率因數(shù)角。

根據(jù)以上公式，可得出帶載能力的大小取決于如下3點：1）負載端電壓U；2）流過負載的電流I；3）功率因數(shù)cos φ。即盡可能提高這三個制約因素可以有效提高帶載能力。對于純阻性負載，功率因數(shù)暫不需要考慮并認為其值為1；關于負載端電壓U取值，當其取大值時能提高供電功率，但同時會增加變壓器及低壓電容器C2的體積，絕緣等級也會變高，并導致安裝不便、成本增加，取小值則可能達不到理想的輸出功率，因此需要綜合考慮取值。除此之外，還可以提高制約因素負載電流I的取值，因取電電流受電網(wǎng)運行管理規(guī)定制約，擬按上限取最大值，所以只能通過電路配置盡可能使全部的取電電流流過負載，從而獲得更大的功率。通過電路分析，實際使用中安全隔離變壓器的勵磁阻抗不是理想狀態(tài)下的無窮大，會消耗一部分無功功率，利用勵磁感抗的存在與低壓電容器C2構成并聯(lián)回路，調整兩者之間比值大小，使其盡可能處于并聯(lián)諧振狀態(tài)，根據(jù)并聯(lián)諧振條件列出如下等式：

=ωC2""""""""""""""""" （6）

即：

C2= """""""""""""""""（7）

當處于完全諧振狀態(tài)時，取電電流I0幾乎全部流入純阻性負載R，此時近似得出負載功率PL：

""""PL=I02R= =U23I0""""" （8）

當電路處于完全諧振狀態(tài)時，高壓電容器C1與安全隔離變壓器等效勵磁線圈Lm中的電流大小相等、極性相反，處于完全抵消狀態(tài)，此時可以得出取電電流與線路負載之間關系如下：

I0= """"""""""""""""（9）

目前市場上的配網(wǎng)饋線終端的整體功耗在15 VA以下，同時終端會配置帶整流功能的電源模塊及后備電源，正常工作時線路上取電電流值較小，所以I0擬按最大值10 mA取，輸出給電源單元的功耗PL取15 VA，代入對應數(shù)值得到分壓電壓U23取約1 500 V，此時得安全隔離變壓器的體積相對不大，等效帶載電阻RL近似為1.5×105 Ω（轉換到實際負載時，需要除變比N2），根據(jù)式（4）即得出高壓電容器C1容值取7.44 nF，再根據(jù)式（1）分壓公式，分別代入高壓電容器C1、分壓電壓U23，即求出低壓電容器C2容值約為21.2 nF，在得到低壓交流電后，整流為終端所用直流電（24 V），此部分技術目前比較成熟。

3""" 驗證

3.1""" 軟件仿真

根據(jù)以上分析原理，在仿真軟件中搭建交流部分仿真電路，如圖5所示。

模擬仿真環(huán)境，輸電線路系統(tǒng)為10 kV配電系統(tǒng)，單相輸入電壓取5 774 V，線路取電電流暫按最大值取10 mA，變壓器僅考慮勵磁電感，輸入側電壓1 500 V，輸出側電壓220 V，變比6.82，二次側負載阻值3.22 kΩ，高壓電容器C1容值取7.44 nF，低壓電容器C2容值取21.2 nF，根據(jù)低壓電容器C2容值選取匹配變壓器，使其本身特性匹配并聯(lián)諧振，勵磁電感為478.5 H。先將轉換開關S1調至斷開狀態(tài)，測量點2與點3之間電壓差為1.507 kV，線路取電電流為10.12 mA，符合理論分析，滿足電容分壓要求。接下來，將轉換開關S1調至閉合狀態(tài)，得到仿真結果：點2與點3之間電壓差為1.492 kV，線路取電電流為10.324 mA（此時負載阻抗為3.2 kΩ），變壓器輸出側電壓為218.785 V，負載功率為14.959 W，測量數(shù)據(jù)如圖6所示。

改變負載電阻大小，觀察取電電流、各端口電壓及負載所獲功率，數(shù)據(jù)如表1所示。

分析以上試驗數(shù)據(jù)得出結論，當負載電阻減小時，整體阻抗減小，在線路電壓不變的情況下，取電電流將會部分增大，但整體取電功率減小，在出現(xiàn)負載電阻值最大負偏差22.41%時，取電功率減小5.1%；當負載電阻增大時，整體阻抗增大，在線路電壓不變的情況下，取電電流將會部分減小，但整體取電功率先增大后減小，在出現(xiàn)負載電阻值最大正偏差24.21%時，取電功率減小0.87%。即在設計負載下，有限的負載變化對取電功率的影響相對較小，同時后端匹配相應的電源模塊進行整流輸出，可以提高供電的整體可靠性。

3.2""" 實物接線

現(xiàn)場實物及接線如圖10所示，其中電容分壓取電設備采用外置式，分別取電源側A相相電壓及負荷側C相相電壓，方便現(xiàn)場在不必更換開關本體的情況下獨立拆裝，同時將安全隔離變壓器及整流模塊集成到取電設備底部，減小體積占用，裝置直流輸出，實驗裝置如圖11所示。

升壓前，檢查電容分壓取電設備接地柱已接地線，通過一次升壓升流臺體將取電設備一次側高壓升至額定相電壓（約5 774 V），穩(wěn)壓觀察低壓直流輸出，用萬用表電壓檔進行輸出電壓值測量，其值為24.3 V，符合設計。

4""" 結論

本文提供了一種應用于柱上真空斷路器的電容分壓取電方案，通過多個電容組成的分壓臂進行分壓，再由安全隔離變壓器進行降壓輸出。得出如下結論：

1）采用電容分壓取電加安全隔離變壓器方式，當負載出現(xiàn)小范圍變化時，所獲得的輸出功率較穩(wěn)定，用電可靠性高，同時高低壓隔離，安全系數(shù)高；

2）區(qū)別于羊角電磁互感器取電，高壓部分外絕緣傘裙數(shù)量減少，單臺占用空間體積小，成本低。

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收稿日期：2024-09-23

作者簡介：謝海波（1990—），男，江蘇南通人，助理工程師，主要從事中壓配電成套設備的產(chǎn)品研究及生產(chǎn)開發(fā)工作。