摘 要

感应取电供能是一种非常好的供能方式，相较与单独电池供能、太阳能供能、激光供能等供能方式有着其不可忽视的优点，随着智能电网的发展，感应取电供能方式广泛应用与电网上检测设备的供电，电流互感器加上后续的保护与处理电路能够从母线上获取稳定的电流，为负载端设备的正常运行提供良好的保证。

本文首先介绍了感应取电供能方式的研究背景，通过与其他几种不同的供能方式对比，说明研究感应取电供能方式的必要性。之后，陈述了与感应取电相关的基本原理，介绍了电流互感器的结构和工作原理，说明磁芯的作用、特性与相关参数，仿真分析磁芯中磁力线的分布，讨论了取能电源功率与各参数间的关系。最后介绍了保护与处理电路的相关设计，包括冲击保护电路、整流电路、滤波电路和稳压电路。

关键词：感应取电；电流互感器；仿真

Abstract

Induction power supply is a very good way of energy supply. Compared with the single battery, solar energy and laser energy supply, it has its own merits that can not be ignored. With the development of smart grid, induction power supply is widely used and the power supply of detection equipment in power grid. Current transformer and subsequent protection and processing circuit can obtain stability from busbar. Current, for the normal operation of load terminal equipment to provide a good guarantee.

Firstly, this paper introduces the research background of induction power supply mode, and illustrates the necessity of studying induction power supply mode by comparing with other different energy supply modes. Afterwards, the basic principles related to induction charging are stated, the structure and working principle of current transformer are introduced, the function, characteristics and relevant parameters of magnetic core are explained, the distribution of magnetic lines in magnetic core is simulated and analyzed, and the relationship between the power of power supply and parameters is discussed. Finally, the design of protection and processing circuit is introduced, including impulse protection circuit, rectifier circuit, filter circuit and voltage stabilization circuit.

Key words: induction charging; current transformer; simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 论文研究内容与目的 3

1.3 本章小结 3

第2章 电力线感应取电理论分析 4

2.1 电流互感器的基本结构 4

2.2磁芯介绍 4

2.2.1 磁芯的作用 4

2.2.2 磁芯的性质 5

2.2.3 磁芯材料的选择 6

2.3 电流互感器的基本原理 6

2.4 磁芯气隙对磁芯性能的影响 9

2.5 U型取电磁芯形状设计与电磁分布 10

2.6 U型取电磁芯相关参数计算 11

2.7 本章小结 12

第3章 保护与处理电路 13

3.1 保护电路的设计 13

3.2 整流电路的设计 14

3.3 滤波电路的设计 16

3.4 稳压电路的设计 17

3.5 本章小结 18

第4章 结论与展望 19

参考文献 20

致谢 21

第1章 绪论

研究背景及意义

电能给我们的生活带来的许多的便捷之处,如今几乎每个人的生活中都离不开电力,因此保障供电系统的正常运行是十分重要的。出现故障的供电系统如果得不到及时发现和补救,就会对其供电地区造成很大的损失。智能电网这一概念的出现就是为了解决这一问题，如今智能电网的改革已经在很多国家中进行,我国对于智能电网改革也十分重视。而智能电网改革的实现离不开输电网络中的智能监测监控设备的应用。通常智能监测监控设备所需供电电压低，一般电池的电压就能满足监测设备的需求，但电池的寿命比较短，需要大量的人力去更换电池，特别是在环境不良的地方，更换电池更是困难，将消耗大量的人力物力，用电池供电虽然是现如今比较主流的供电方式，但很明显这种供电方式不利于智能电网的发展。因此寻找一个能输出稳定电压，足够功率，寿命长且总体成本较低的智能监测设备供电电源是很有必要的，这个问题长久以来作为制约智能电网发展的重用因素亟待被解决。

现有的智能监测设备供电方式主要有电池供电、太阳能供电、激光供能法和感应取电法等。

电池供电的优点是电压稳定，易于安装，但功率有限，寿命较短，耗费人力并且在电池废弃后对环境的污染大。

太阳能一直是人们所推崇的能源，太阳能属于可再生能源，对环境没有污染，有利于人们对生存环境的保护。现如今已经有很多设备上运用了太阳能供电。太阳能发电厂的数量也逐渐增加，但在输电线监测设备的供电上存在一定的缺陷，由于太阳能转化为电能的效率较低，通常太阳能供电设备体积比较大，成本较大且不利于设备的安装，太阳能供电比较依赖太阳光的强度，季节，昼夜的变化都会影响太阳能供电的稳定性，因此单独的太阳能供电方式不太适合需要一直运行的监测设备。

激光供电是将激光二极管产生的光能转化为电能为设备供电的方式。其优点是由于是由光线来传输能量，输出端与接受端相互隔离，互不影响，相比与上述的太阳能其抗干扰的能力较强。但由于和太阳能供电的能量转化方式类似，都是光能转化为电能，所以转化效率较低，太阳能设备由于是利用太阳能，所以不会浪费能量，但激光供能中的激光二极管需要电源供电，所以比较浪费能量。并且激光二极管受温度的影响较大，电能输出不是很稳定。

感应取电供能是通过利用电磁感应原理来获取电压电流的方式，由于输电线上的电流属于交变电流，其变化时会引起其周围磁场发生改变，可以在其周围应用合适的电路来获取感应电能。之后通过整流电路、滤波电路、稳压电路等处理电路，可以输出合适的电流电压，为后面的监测设备提供合适的电能。由于感应取电的输出电流和电路中的电流有关，一次端与二次端高低压隔离，不需要安装额外的电气隔离设备，通常利用感应取电的电流互感器体积小，易于安装且不易受外界环境的影响。但同样是由于感应取电的输出电流和电路中的电流有关，因此可能在输电线路上发生短路，或者在雷雨天气中受到巨大的雷电电流的冲击的情况下，感应取电电源的二次侧会产生很大的电压或电流值，因此需要额外的保护电路。在电流变化范围很大的输电线网络中，感应取电取得的电压电流可能不足。

对比上述的几种供能方式，可以看出感应取电供能在为输电线监测设备供能这一方面上有很大的优势，因此感应取电供能是一个很值得研究的方向。从感应取电的特点上出发，

对其进行优化，通过优化电流互感器中磁芯的结构，选择更好的磁芯材料，优化线圈的匝数等方式增加其能够稳定输出的输电线电流范围，设计优化后续的保护与处理电路是目前感应取电供能方式研究的主要方向。

论文研究内容与目的

本文通过利用电磁仿真软件优化设计感应取电的感应线圈绕组和增强电磁的磁芯，再通过电路仿真软件设计整流和稳压电路，使感应取电电源能够输出的稳定电压，提供符合功率要求的直流电能，并具有过冲和过压保护功能。

为实现取电电源的设计要求，将装置的设计分为以下几个部分：第一部分为电流互感器的设计。电流互感器的结构主要由一次侧绕组或母线、二次侧绕组与磁芯构成，其中，互感器磁芯材料选择、磁芯形状设计、线圈匝数计算是主要研究内容，需要使电流互感器取到足够大的能量以满足功率需求。首先对电流互感器的基本原理进行分析，得出电流互感器取能线圈与相关参数的关系式，其次了解磁芯的作用和特点，分析磁芯的参数电磁感应的影响，然后分析互感器磁芯材料、磁芯形状、线圈匝数对电流互感器可取得的最大功率的影响，其次再通过上述的分析结果对电流互感器的相关参数进行设计与优化。

第二部分是保护与处理电路的设计，对于保护电路，查找资料来选择适用的保护电路，

然后对其进行仿真；对于整流电路，分析几种常用的整流电路，了解其优点与缺点，在此基础上选择合适的整流电路并进行仿真；对于滤波电路，也是分析几种常用的滤波电路，了解其优点与缺点，在此基础上选择合适的滤波电路并进行仿真；最后的稳压电路查找资料选择合适的稳压芯片，并完成电路仿真。

1.3 本章小结

本章首先是对几种主流的供能方式的介绍与比较，通过分析电池供能、太阳能供能、激光供能与感应取电供能方式的优势与缺点，突出感应取电供能方式的研究意义。然后说明目前感应取电供能方式，最后表明自己研究的内容及目的。

第2章 电力线感应取电理论分析

2.1 电流互感器的基本结构

生活中供电系统的正常运行离不开输电线上的各种检测装置，而检测装置的正常运行通常需要稳定的低压直流电源，直接从输电线上获取电能是现在常用的方法，监测装置又不能直接接在高压高流的输电线上，所以还需要电气隔离装置，常见的能实现这种既有电气隔离，又能转换电流的装置就是电流互感器。如图2.1所示，电流互感器的结构主要由一次侧绕组或母线、二次侧绕组与磁芯构成，当一次侧绕组中通入交变电流时，会在磁芯中产生交变的磁场，绝大部分交变的磁场沿着磁芯穿过二次侧的所有线圈内部，交变的磁场会使闭合的二次侧绕组中产生交变的感应电流，再通过后续的保护处理电路得到输电线路上的监测设备所需要的适当功率大小的稳压直流电。



图 2.1 电流互感器结构示意图

2.2磁芯介绍

2.2.1 磁芯的作用

磁感应强度与磁场强度的关系如式2.1所示：

(2.1)

图2.2为母线处于环形磁芯的中心，通过电流后周围磁场的磁力线分布图，图中大部分的磁力线分布于磁芯内部，只有很少的一部分分布与铁芯外部，磁力线的分布密度表明了磁感应强度的大小，由于磁芯的值远远大于真空的值，由式1可得磁芯中的磁感应强度将远远大于真空中的磁感应强度，正好与仿真的现象一一对应。磁芯能够有效的将磁力线集中与磁芯内部，使得缠绕在铁芯上的二次侧绕组能够有效的收集到磁场能，提高电磁转换的效率。

图 2.2 磁芯中磁力线的分布

2.2.2 磁芯的性质

铁磁物质有两个特征:在外磁场的作用下，能够被强烈磁化。被磁化作用后，具有磁滞特性。

图2.3为铁磁物质的H-B关系曲线。

图 2.3 铁磁物质的H-B关系曲线

图中从原点开始，此时铁磁物质没有被磁化，磁芯中磁感应强度为零，磁感应强度的大小随着外加磁场强度的增加而变大，但是增加的幅度渐渐减小，这个增加的幅度受磁芯材料的磁导率影响，磁导率越大，磁场强度不变的情况下磁感应强度越大，通过图中我们可以得知磁芯的磁导率不是固定的，它会随着外加磁场的变化而变化，但有一部分曲线近似为直线，这段曲线叫做磁芯材料的线性区，一般磁性都工作在线性区。这最后增加的幅度趋近于零，这时，表明磁芯进入了饱和状态。01段被称为起始磁化曲线，如果这时减小外磁场强度，铁磁体的磁感应强度并不沿着原路返回，而是沿着12段返回。当外加磁场强度由慢慢归零时，铁磁体的磁化情况并不恢复到原点。这就是磁滞现象，磁滞现象会导致磁芯内部产生磁滞损耗。随着磁场强度的继续减小，磁场的方向反向，当反向磁场的大小增加到某一个值的时候，磁芯中磁感应强度的大小也降为零，这个使磁滞现象造成的多余磁感应强度降为零的反向磁场的大小叫做磁芯材料的矫顽力。