一种中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置方法及系统

摘要

本发明公开了一种中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置方法及系统，该方法包括：基于法拉第电磁感应定律，确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式；结合卡式电感耦合器结构原理，改进罗氏线圈互感计算公式，得到改进后的互感计算公式；将改进后的互感计算公式代入耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式；根据改进的耦合电压的有效值公式，设置卡式电感耦合器的气隙、初级线圈匝数、磁芯材质和骨架尺寸。本发明提供的中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置方法及系统，为电缆线路中卡接式电感耦合器的参数设置提供可靠的设计依据。

说明书

技术领域

本发明涉及卡式电感耦合器技术领域，特别是涉及一种中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置方法及系统。

背景技术

载波通信是将电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式，具有天然的网络通道资源和应用的灵活便利性，作为光通信的补充和延伸，已成为中压配电通信网的一种重要选择。载波通信装置是通过耦合设备将载波信号耦合到架空线或埋地电缆中的。耦合设备按耦合方式可分为电容耦合器与电感耦合器两种，电容耦合器直接接于架空线上，而电感耦合器多用于电缆线路中。卡接式电感耦合器是一种基于电磁感应原理的、非接触感应电能的耦合通信装置，可在不断电的情况下实现实时通信，避免了与导线直接接触，且安装灵活便利，在中压配电网电缆线路的载波通信中具有较广阔的应用空间。为满足载波信号在中压配网电缆线路的耦合通信要求，需要设置高耦合效率的卡式电感耦合器。

目前，已有很多专家学者对非接触感应电能通信方面进行了研究。第一种，基于前人松耦合变压器的基础上，提出了松耦合变压器的互感等效电路模型，并根据松耦合变压器的特点，分析了铁芯材料、气隙大小等因素对变压器耦合的影响，并没有阐述其互感模型可用在什么方向；第二种，综合考虑线圈谐振频率、耦合因数等因素，利用互感耦合理论对电能传输系统进行建模分析，给出系统传输功率和效率的计算方法；第三种，利用电磁互感耦合的原理在电源与负载之间进行电能传输，不需要直接的电气连接，将互感耦合模型应用于深海非接触电能传输系统中，并针对海洋环境下的应用所带来的特殊问题，对耦合模型进行优化。但上述对非接触感应电能通信的研究主要集中应用在无线通信方面。而电力线载波通信是有线通信，且中压电缆线路多为一缆三芯结构，信道结构复杂、通信环境恶劣，对于电缆线路的卡接式电感耦合器耦合原理及耦合模型的研究很少。

发明内容

本发明的目的是提供一种中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置方法及系统，在分析卡式电感耦合器结构及耦合机理基础上，改进罗氏线圈互感公式，推导卡接式电感耦合器的数学模型，为电缆线路中卡接式电感耦合器的参数设置提供可靠的设计依据。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置方法，所述方法包括：

基于法拉第电磁感应定律，确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式；

结合卡式电感耦合器结构原理，改进罗氏线圈互感计算公式，得到改进后的互感计算公式；

将所述改进后的互感计算公式代入所述耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式；

根据所述改进的耦合电压的有效值公式，设置卡式电感耦合器的气隙、初级线圈匝数、磁芯材质和骨架尺寸。

可选的，所述基于法拉第电磁感应定律，确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式，具体包括：

确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式其中，i₁为载波机发出的载波电流，M表示卡式电感耦合器初级线圈与电缆回路的互感。

可选的，所述结合卡式电感耦合器结构原理，改进罗氏线圈互感计算公式，得到改进后的互感计算公式，具体包括：

将罗氏线圈互感计算公式改进为其中，μ_有效为卡式电感耦合器铁氧体磁环的有效磁导率，N为卡式电感耦合器初级线圈的匝数，a、b为卡式电感耦合器铁氧体磁环对应的内、外径，h为卡式电感耦合器铁氧体磁环的高度，μ₀为真空磁导率，μ_r为铁氧体磁环磁芯材料的相对磁导率，l＝l₁+2δ为耦合器回路长度的平均值，l₁为铁氧体磁环磁芯回路长度，δ为铁氧体磁环单个气隙的长度，K为铁氧体磁环气隙的磁感应强度与磁芯的磁感应强度的比值。

可选的，所述将所述改进后的互感计算公式代入所述耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式，具体包括：

将改进后的互感计算公式代入所述述耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式其中，f为载波信号的频率，I₁为载波机发出的载波电流的有效值。

本发明还提供了一种中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置系统，所述系统包括：

耦合电压计算公式确定单元，用于基于法拉第电磁感应定律，确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式；

互感计算公式改进单元，用于结合卡式电感耦合器结构原理，改进罗氏线圈互感计算公式，得到改进后的互感计算公式；

耦合电压的有效值公式改进单元，用于将所述改进后的互感计算公式代入所述耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式；

卡式电感耦合器的设置单元，用于根据所述改进的耦合电压的有效值公式，设置卡式电感耦合器的气隙、初级线圈匝数、磁芯材质和骨架尺寸。

可选的，所述耦合电压计算公式确定单元具体包括耦合电压计算公式确定子单元，用于确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式其中，i₁为载波机发出的载波电流，M表示卡式电感耦合器初级线圈与电缆回路的互感。

可选的，所述互感计算公式改进单元，具体包括互感计算公式改进子单元，用于将罗氏线圈互感计算公式改进为其中，μ_有效为卡式电感耦合器铁氧体磁环的有效磁导率，N为卡式电感耦合器初级线圈的匝数，a、b为卡式电感耦合器铁氧体磁环对应的内、外径，h为卡式电感耦合器铁氧体磁环的高度，μ₀表示真空磁导率，μ_r为磁芯材料的相对磁导率，l＝l₁+2δ为耦合器回路长度的平均值，l₁为铁氧体磁环磁芯回路长度，δ为铁氧体磁环单个气隙的长度，K为铁氧体磁环气隙的磁感应强度与磁芯的磁感应强度的比值。

可选的，所述耦合电压的有效值公式改进单元，具体包括耦合电压的有效值公式改进子单元，用于将改进后的互感的计算公式代入所述耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式其中，f为载波信号的频率，I₁为载波机发出的载波电流的有效值。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置方法及系统，在卡式电感耦合器结构型式及电缆线路结构特征基础上，基于法拉第电磁感应定律，确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式，分析卡式电感耦合器的耦合机理；卡式电感耦合器的结构原理与罗氏线圈较为相似，但卡式电感耦合器的初级线圈缠绕于铁氧体磁环上，且铁氧体磁环的磁芯存在两个微小气隙，并不是完全闭合的，所以卡式电感耦合器互感的计算式需要在罗氏线圈互感计算公式的基础上进行改进，得出改进后的卡式电感耦合器互感系数计算公式，充分考虑了卡式耦合器的特殊结构；将改进后的互感的计算公式代入所述耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式，根据该公式可以确定卡式耦合器耦合效率的耦合器磁环气隙、磁环磁芯材质、初级线圈匝数和耦合器骨架尺寸参数，从而为卡接式电感耦合器的设置提供可靠的依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置方法流程图；

图2为本发明实施例中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置系统结构示意图；

图3为本发明实施例中压配电网电缆三相芯线与屏蔽层上的感应电势对比图；

图4为本发明实施例不同频点下副边耦合电压的误差分析图；

图5为本发明实施例只改变磁环相对磁导率时仿真及计算得到的耦合电压对比图；

图6为本发明实施例不同磁环相对磁导率下耦合电压的误差分析图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置方法及系统，在分析卡式电感耦合器结构及耦合机理基础上，改进罗氏线圈互感公式，推导卡接式电感耦合器的数学模型，能够准确分析影响耦合器耦合效率的相关因素，为电缆线路中卡接式电感耦合器的参数设置提供可靠的设计依据。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置方法流程图，如图1所示，本发明提供的中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置方法步骤具体如下：

步骤101：基于法拉第电磁感应定律，确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式；

步骤102：结合卡式电感耦合器结构原理，改进罗氏线圈互感计算公式，得到改进后的互感计算公式；

步骤103：将所述改进后的互感计算公式代入所述耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式；

步骤104：根据所述改进的耦合电压的有效值公式，设置卡式电感耦合器的气隙、初级线圈匝数、磁芯材质和骨架尺寸。

其中，步骤101具体包括：基于法拉第电磁感应定律，确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式由于电缆三芯回路和屏蔽层回路处于相同的垂直磁场环境中，故电缆三相芯线感应电压和屏蔽层上的耦合电压是相等的，其中，i₁为载波机发出的载波电流，M表示卡式电感耦合器初级线圈与电缆回路的互感，根据所述耦合电压u₂的计算公式确定初步的耦合电压u₂的有效值公式为，U₂＝2πf·M·I₁。

步骤102具体包括：将罗氏线圈互感计算公式改进为其中，μ_有效为卡式电感耦合器铁氧体磁环的有效磁导率，N为卡式电感耦合器初级线圈的匝数，a、b为卡式电感耦合器铁氧体磁环对应的内、外径，h为卡式电感耦合器铁氧体磁环的高度；

根据即：计算所述卡式电感耦合器磁环的有效磁导率μ_有效，其中，B₁为磁芯的磁感应强度，B₀为气隙的磁感应强度，μ₀为真空磁导率，μ_r为铁氧体磁环磁芯材料的相对磁导率，l＝l₁+2δ为耦合器回路长度的平均值，l₁为铁氧体磁环磁芯回路长度，δ为铁氧体磁环单个气隙的长度；

根据和计算B₁与B₀的比例关系，其中为铁氧磁环磁芯处的磁通，为铁氧磁环气隙处的磁通，S为铁氧体磁环的截面积，S₀为气隙对的截面积，由磁通连续定理可知，铁氧体磁芯各个截面的磁通量相等，即B₁S＝B₀S₀，将S和S₀的计算公式代入B₁S＝B₀S₀，得到其中，K为铁氧体磁环气隙的磁感应强度与磁芯的磁感应强度的比值；

将B₀＝KB₁代入中，得到

将代入中，得到改进后的互感计算公式

步骤103具体包括：将改进后的互感计算公式代入所述述耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式，其中，f为载波信号的频率，I₁为载波机发出的载波电流的有效值。

利用ansoft电磁软件搭建仿真模型，验证所推导的卡式电感耦合器耦合数学模型的正确性，以保定市常用YJV22-3*400电缆为例，其电缆外径96mm，卡式电感耦合器外径为116mm。在耦合器的初级线圈上加入一有效值为1A、工作频率为100KHz的正弦交流激励源。耦合器初级线圈为3匝，次级线圈是匝数为1匝的电缆回路，耦合磁环气隙设为0.1mm，相对磁导率设为2000。在此工况下，ansoft电磁软件得出图3电缆三相芯线与屏蔽层的感应电势对比图，根据图3可知，其屏蔽层感应电压和缆芯的感应电压大小完全相等，验证了卡式电感耦合器耦合原理的正确性。在耦合器的初级线圈侧(原边)加入一有效值为1A、工作频率为100KHz的载波电流源时，耦合器原边测得电压电缆侧(副边)的感应电压表1给出了按3:1理想变比计算得到的副边电压、按本文修正计算公式得到的副边电压与仿真实测电压的误差对比分析。由表1可知，本发明经赶紧互感计算公式后得到的副边电压与仿真实测副边电压更为接近，验证了本文推导的互感改进公式的准确性。

表1理想变比与改进计算误差对比分析

城市中压配电网配电台区半径在5km左右，要求载波信号传输距离较长，故通信频段通常选为10kHz-500kHz窄带频带范围。为反映本发明修正计算公式在不同频点下计算的准确性，图4给出了耦合器相对磁导率为2000、气隙为0.1mm时，不同频点下副边耦合电压的误差分析。由图4可知，本发明得出的改进的耦合电压的有效值公式在窄带范围内耦合电压误差不超过1.7％，具有较高的精度。

由改进的耦合电压的有效值公式可知，卡式电感耦合器互感M的大小与其气隙、磁芯材料的磁导率、初级线圈匝数、骨架尺寸等因素有关，互感M的大小进而会影响到电缆中的耦合互感电压，具体验证如下：

第一，气隙对耦合电压的影响，卡式电感耦合器由两个半圆形的磁芯相接而成，两圆环连接处存在微小气隙，但由于磁芯的磁导率与空气磁导率相差较大，卡式电感耦合器的气隙并不能忽略，气隙的大小将直接影响耦合器的耦合效率，表2给出了在其它参数不变的情况下，只改变磁环气隙大小时，仿真与本发明计算得到的耦合电压对比结果，由表2可知：1)随着气隙的增加，电缆侧的耦合电压明显降低；2)随着气隙的增加，本发明计算得到的耦合电压与仿真测得的电压误差也明显增大，原因分析：本发明在推导互感M时认为所有磁通集中在铁氧体磁环中，未考虑漏磁的影响，但随着耦合器气隙的增加，漏磁不可忽略，故误差也会增加，实际载波机的输出电压通常为十几伏到几十伏，耦合器耦合到电缆侧的电压则更小，为了使载波信号传输距离尽量长，耦合器的两个铁氧体磁环应尽量紧密接触，气隙越小越好。

表2不同气隙下的耦合电压

第二，铁芯材料对耦合电压的影响，由改进的耦合电压的有效值公式可知，提高耦合器磁环的相对磁导率可有效提高耦合电压的数值。图5给出了在其它参数不变的情况下，只改变磁环相对磁导率时，仿真及计算得到的耦合电压对比结果，由图5可知，随着磁导率的增大，耦合电压数值越来越高，但其增长趋势明显减缓；图6为本发明实施例不同磁环相对磁导率下耦合电压的误差分析图，由图6可知，随着磁导率的增大，耦合电压的误差也越来越大；故不能通过一味的提高铁氧磁环相对磁导率来提升耦合电压。实际应用中，要根据所使用的频率范围选择合适导磁材料制作耦合器铁氧磁环。中压配网窄带载波通信系统中，耦合器铁氧磁环常用材料为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体，锰锌铁氧体的的相对磁导率常用范围为400-10000，其对应的频率常用使用范围为1kHz-10MHz，镍锌铁氧体的相对磁导率常用范围为10-2500，其对应的频率常用使用范围为10kHz-300MHz。

第三，初级线圈匝数对耦合电压的影响，对于载波发信端而言，卡式电感耦合器的初级线圈缠绕于耦合器铁氧磁环上，次级线圈为中压配网的电缆回路，可通过改变耦合器初级线圈匝数，调整耦合电压的大小；若载波发信机为一等效电流源，则由改进的耦合电压的有效值公式可知，提高耦合器初级线圈匝数可有效提高耦合电压的数值。表3给出了耦合器磁环相对磁导率为2000，气隙为0.1mm，激励电流为1A时，不同初级线圈匝数对应的耦合电压对比。由表3可知，随着初级线圈匝数的增加，耦合器原边、副边电压均随着增长；且初级线圈在3匝时，误差最小，后随着匝数的增加，误差逐渐变大。为使电缆侧耦合电压尽量高，应增大初级线圈匝数，但随着初级线圈匝数的增加，耦合器原边电压也随之增大，而与初级线圈相连的载波发信机所能承受的最大工作电压是有限的，故耦合器初级线圈的匝数不宜过多；

表3不同匝数下对耦合电压的影响

同理若载波发信机为一等效电压源U₁时，则初级线圈侧电流X＝2πfN²Λ_m为初级线圈的电抗，其中，f为载波信号的频率，N为初级线圈的匝数，Δ_m为磁路磁导。整理得：

可见，若载波发信机为一等效电压源时，电缆侧耦合电压与初级线圈的匝数成反比。为了让电缆线圈获得更大的耦合电压，应适当减少初级线圈匝数。实际应用中，应根据载波机收发类型及电源类型，选择耦合器初级线圈匝数，可提高耦合器的耦合能力，降低耦合器的误差。

第四，耦合器骨架尺寸对耦合电压的影响，卡式电感耦合器要卡接于城市中压配网中的埋地电缆上，故耦合器磁环的内径不能过小，要大于等于电缆外径，否则耦合器磁环间会存在较大的气隙，影响耦合效果。同时，为了使耦合器磁芯中的磁通与电缆回路能够尽量垂直交链，耦合器的内径应当尽可能的贴紧电缆的外径，故通常取耦合器内径与电缆外径相等。

耦合器磁环的磁阻为：

耦合器的磁阻越小，损耗越低。根据磁阻的表达式，为减小耦合器损耗，应使耦合器的外径尽量粗，高度尽量高。但耦合器外径过粗，高度过高，实际安装操作不方便。根据实际厂家的生产情况，耦合器的经验高度在9-15cm为宜。在耦合器体积确定情况下，可依次确定磁环的骨架尺寸。

本发明提供的中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置方法，在卡式电感耦合器结构型式及电缆线路结构特征基础上，基于法拉第电磁感应定律，确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式，分析卡式电感耦合器的耦合机理；卡式电感耦合器的结构原理与罗氏线圈较为相似，但卡式电感耦合器的初级线圈缠绕于铁氧体磁环上，且铁氧体磁环的磁芯存在两个微小气隙，并不是完全闭合的，所以卡式电感耦合器互感的计算式需要在罗氏线圈互感计算公式的基础上进行改进，得出改进后的卡式电感耦合器互感系数计算公式，充分考虑了卡式耦合器的特殊结构；将改进后的互感的计算公式代入所述耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式，根据该公式，可以确定卡式耦合器耦合效率的耦合器磁环气隙、磁环磁芯材质、初级线圈匝数和耦合器骨架尺寸参数，从而为卡接式电感耦合器的设置提供可靠的依据。

图2为本发明实施例中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置系统结构示意图，如图2所示，本发明提供的中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置系统包括:

耦合电压计算公式确定单元201，用于基于法拉第电磁感应定律，确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式；

互感计算公式改进单元202，用于结合卡式电感耦合器结构原理，改进罗氏线圈互感计算公式，得到改进后的互感计算公式；

耦合电压的有效值公式改进单元203，用于将所述改进后的互感计算公式代入所述耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式；

卡式电感耦合器的设置单元204，用于根据所述改进的耦合电压的有效值公式，设置卡式电感耦合器的气隙、初级线圈匝数、磁芯材质和骨架尺寸。

其中，所述耦合电压计算公式确定单元201具体包括耦合电压计算公式确定子单元，用于确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式其中，i₁为载波机发出的载波电流，M表示卡式电感耦合器初级线圈与电缆回路的互感。

所述互感计算公式改进单元202具体包括互感计算公式改进子单元，用于将罗氏线圈互感计算公式改进为其中，μ_有效为卡式电感耦合器铁氧体磁环的有效磁导率，N为卡式电感耦合器初级线圈的匝数，a、b为卡式电感耦合器铁氧体磁环对应的内、外径，h为卡式电感耦合器铁氧体磁环的高度，μ₀表示真空磁导率，μ_r为磁芯材料的相对磁导率，l＝l₁+2δ为耦合器回路长度的平均值，l₁为铁氧体磁环磁芯回路长度，δ为铁氧体磁环单个气隙的长度，K为铁氧体磁环气隙的磁感应强度与磁芯的磁感应强度的比值。

所述耦合电压的有效值公式改进单元203具体包括耦合电压的有效值公式改进子单元，用于将改进后的互感的计算公式代入所述耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式其中，f为载波信号的频率，I₁为载波机发出的载波电流的有效值。

本发明提供的中压配电网载波通信卡式电感耦合器设置系统，在卡式电感耦合器结构型式及电缆线路结构特征基础上，基于法拉第电磁感应定律，确定中压配电网电缆三相缆芯或屏蔽层上的耦合电压的计算公式，分析卡式电感耦合器的耦合机理；卡式电感耦合器的结构原理与罗氏线圈较为相似，但卡式电感耦合器的初级线圈缠绕于铁氧体磁环上，且铁氧体磁环的磁芯存在两个微小气隙，并不是完全闭合的，所以卡式电感耦合器互感的计算式需要在罗氏线圈互感计算公式的基础上进行改进，得出改进后的卡式电感耦合器互感系数计算公式，充分考虑了卡式耦合器的特殊结构；将改进后的互感的计算公式代入所述耦合电压的有效值公式中，得到改进的耦合电压的有效值公式，根据该公式，可以确定卡式耦合器耦合效率的耦合器磁环气隙、磁环磁芯材质、初级线圈匝数和耦合器骨架尺寸参数，从而为卡接式电感耦合器的设置提供可靠的依据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。