珠海许继电气公司研究者提出一种用于10千伏配网的低功率取电装置

抖音快讯 2025年09月09日 13:49 1 admin

取电装置是10kV配电成套设备的重要组成部分，对其功能实现和可靠性均有重要影响。电容取电是近些年在10kV配电网中应用较为广泛的一种取电方式。珠海许继电气有限公司的周斌、李旭光在2024年第12期《电气技术》上撰文介绍一种电容取电装置的设计方法，从取电功率选定、绝缘性能指标方面确定设计目标，并介绍高压电容、低压互感器、保护回路等关键元器件的设计过程，最后制作出一款取电功率大于15W、绝缘性能满足10kV应用要求的取电装置。经过仿真分析和试验验证，该装置的取电指标和可靠性均达到设计预期。

配电自动化技术的进步促使10kV配电网的可靠性取得了巨大提升。配电自动化是指利用信息、传感及通信等技术，实现配电终端对配电网的监测、控制和快速故障处理，为配电管理系统提供实时数据支撑，从而提高供电可靠性，改善供电质量，提升电网运营效率和效益。

目前，10kV配电网配电终端的工作电源有多种形式，包括电磁式电压互感器、电容式低功率取电、电流互感器（current transformer, CT）式低功率取电、直流屏、太阳能等，其中电压互感器为当前主要的使用形式，具有取电功率高、技术成熟等优势。然而，电压互感器的生产制造成本高，安装运维复杂，并且存在铁磁谐振的问题，因此行业相关人员一直在探索新的取电技术。

近些年，电容取电、CT取电、直流屏、太阳能等技术都得到一定应用。但是，CT取电受线路电流大小影响，直流屏需要设备附近有低压交流电源（如市电），太阳能受天气因素影响，这三种取电技术在实际应用中均存在一定的局限性，因此电容取电技术在行业内得到大力推广。电容式低功率取电装置具有体积小、质量轻、安装简单等优势，是配电网电源技术未来发展的重要方向，本文重点介绍一种应用于10kV配电网的电容式低功率取电装置的设计，以期为行业内相关人员提供参考。

1 设计原理及参数选定

1.1 典型设计方案

相较于传统的电磁式电压互感器而言，电容取电装置的取电功率小、体积小、质量轻、安装维护简单，文献分析指出铁磁谐振是引起电压互感器故障的主要原因，而电容取电技术规避了相关风险，符合配电设备发展趋势。

电容取电装置通常由电容、电感、低压互感器、电子保护器件等构成，根据其核心取电器件的配合形式，电容取电可分为电容-电容-电感（capacitor capacitor inductance, CCL）、电容-电感（capacitor inductance, CL）、电容-电压传感（capacitor voltage transformer, CVT）等形式，其原理分别如图1～图3所示，其中，C1为高压电容，C2为低压电容，T1为低压互感器，L1为低压电感。

图1 CCL原理

图2 CL原理

图3 CVT原理

三种形式的电容取电方案各有优劣，对比见表1，需要根据实际应用场景灵活选择。文献提供的一种电场取能装置为微功率装置且结构复杂，本文所讨论的应用场合为10kV柱上开关设备，要求取电装置体积小、可靠性高。CL方案元器件少，结构简单，可靠性高，因此本文选择CL方案。

表1 电容取电方案优劣对比

1.2 性能指标

1）取电功率指标

电容取电装置是配电终端的工作电源，文献分析指出配电终端的运行功耗是一项重要指标，因此将其作为取电功率参数设计的重要参考。配电终端主要由电源系统、核心管理平台、采样与控制模块、通信模块、显示模块（根据设计）等构成，各部件典型功耗见表2。

表2 配电终端功耗分析

依据配电终端的总功耗，考虑剩余电池充电功率、器件差异、设计裕度等因素，设定取电功率为15W。

2）绝缘性能指标

取电装置一般为外置或内置式，与配电开关配套安装和使用，其使用环境与配电开关相同，因此其绝缘性能指标与配电开关一致。取电装置绝缘性能指标见表3。

表3 取电装置绝缘性能指标

2 关键元器件设计

基于CL的电容取电原理如图2所示，其等效电路如图4所示，主要由高压电容、低压互感器、保护回路三部分构成。高压电容主要用于取电回路限流，在运行中需要承受主要的高电压。低压互感器主要用于电源的隔离，在运行中需要承受一定的高电压。保护回路主要用于在试验条件（如额定短时工频耐受电压、额定雷电冲击耐受电压等）及轻载条件下保护取电装置的互感器等器件。

图4 基于CL的电容取电等效电路

2.1 高压电容设计

高压电容作为电容取电装置的核心部件，在设计过程中需要考虑以下几个方面：电容容值、绝缘水平、结构尺寸等。电容容值的选择至关重要，既与设备运行环境的标准要求相关，也与取电功率的大小相关。电容的结构设计影响电容的绝缘水平及体积。

1）电容容值选取

在电力系统中，电容电流的存在会带来一系列危害，如对地电容较大的供电线路，相应的容性电流也较大，在线路发生单相接地故障时，接地点的电弧不能自行熄灭，从而导致弧光接地过电压，同时产生的谐波及无功功率会降低用电设备的效率，引起不必要的功率损耗。取电设备中电容的存在，会导致线路的电容参数发生改变，进而影响线路保护设备的整定值。

鉴于电容电流对电力系统的影响，取电电流的选定尤为重要。取电装置的取电功率主要取决于取电电流的大小，而取电电流的大小主要由高压电容决定。结合电网相关管理制度，设定取电电流值小于10mA。

忽略低压互感器一次阻抗，取电电流、线路电压、高压电容容值满足式（1）所示关系。

式（1）

2）电容结构设计

电容主要由正、负两块电极和夹在电极中间的绝缘介质组成，具有阻直流、通交流的特性。本文所应用的电容主要用于取电装置回路的限流。根据电极与绝缘介质的区别，可将电容分为多种类型，包括陶瓷电容、电解电容、云母电容、纸介电容、薄膜电容等。薄膜电容具有温变小、寿命长、无极性、能自愈等特点，文献分析了薄膜电容器的材料特性和老化特性，因此本文选定一种卷绕式薄膜电容开展结构设计。在结构设计中，重点关注绝缘性能及容值的设计。

图5为一种薄膜电容内串结构示意图。为保证薄膜电容整体绝缘水平满足表3要求，以交流700V/mm的绝缘爬电水平及交流100V/mm的薄膜绝缘耐压水平进行设计，总绝缘距离须满足60mm，总绝缘厚度须满足420mm，镀膜间隔取2.5mm，镀膜厚度取10mm，则总绝缘间隔数为60/2.5=24，总串数为420/10=42。因此，薄膜电容选用25内串、2外串的结构。

图5 薄膜电容内串结构示意图

2.2 低压互感器设计

低压互感器设计需要考虑取电功率、绝缘、过电压保护等几个方面，需要确定的参数包括取电功率、额定电压（一次、二次）、铁心及线圈参数等。根据图2，额定一次电压由取电功率及取电电流决定，同时额定一次电压又决定了互感器本身铁心、线圈参数的选定。额定二次电压由配电终端额定工作电压决定，本文设计取24V。

式（2）-式（4）

根据低压互感器一次电压、二次电压、取电功率、电感参数要求等，即可选择相应的铁心及线圈规格，从而确定低压互感器的具体规格。

2.3 保护回路设计

文献分析指出二次保护回路是保证装置可靠运行的必要组成，取电装置除了满足常规的取电功能外，还需要与配电开关一同满足表3中的绝缘性能要求，为此需要设置相关的保护回路。保护回路原理如图6所示。

图6 保护回路原理

3 验证与性能评估

3.1 仿真设计与分析

为分析设计过程是否准确，采用Multisim软件进行仿真研究。将低压互感器设置为理想变压器，并设置相应的电阻及电感参数，分别进行额定负载及空载情况下的仿真，仿真电路分别如图7和图8所示。

图7 额定负载运行仿真电路

图8 空载运行仿真电路

3.2 性能指标试验

为了验证所设计的取电装置是否达到设计目标，利用一台样品模拟高压输电线路实际运行情况，测试取电装置在不同负载情况下的运行状态。纯阻性负载与输出功率测试结果见表4。逐步增加负载变化测试点，绘制纯阻性负载与输出功率变化曲线如图9所示。根据测试结果，当纯阻性负载为40.3W时，取电装置输出功率最大，为16.37W，输出电压为25.7V，符合设计预期。