電場感應式低功耗電源的設計?

叢 榕，張曉閣，危湖貴，孫若武

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024）

目前，在高壓電環(huán)境中，電網(wǎng)監(jiān)測設備的供電裝置仍然存在著工作不穩(wěn)定、使用壽命短等問題。如最常采用的磁感應式供電方法［1］，其感應電壓的大小會受電網(wǎng)負荷的影響，波動很大，工作極不穩(wěn)定。針對這一問題，文獻［2］提出采用太陽能蓄電池供電，但它易受天氣影響，且蓄電池壽命有限，在高壓設備上更換電池很不方便，經(jīng)濟損失嚴重。本文提出的電場感應式供電方法是基于高壓線產(chǎn)生的交變電場在電容器兩極板產(chǎn)生穩(wěn)定的感應電壓，且電壓大小不受電網(wǎng)負荷的影響，工作性能穩(wěn)定。電場感應式電源采用超級電容儲存電能［3］，其充放電次數(shù)為10萬次，是普通蓄電池的500倍～1 000倍，可連續(xù)工作7年以上，本文通過理論研究、電路仿真和實驗驗證其可行性。

1 電場感應式電源的設計原理

由于高壓母線上的電壓為周期性變化的交變電壓，因此可以利用電場感應原理，通過感應電容的兩極板感應出電荷，在平行板電容器不斷充放電的過程中形成位移電流，然后經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓、儲能，最后為電網(wǎng)監(jiān)測裝置供電，電場感應式電源的原理框圖如圖1所示。對于15m高的220kV的高壓線路，由于距離高壓線越近場強越大，因此可以通過改變電場感應式電容兩極板的間距和此電容與高壓線之間的距離，在兩極板間產(chǎn)生足夠高的電壓［4］。

為方便分析，對電場感應式電源的工作原理進行了等效實驗，如圖2所示。圖2中，高壓線傳輸?shù)?20 kV的交變高壓作用于利用感應電容器工作原理制作的電場感應式電源，使感應電容的兩個極板之間產(chǎn)生感應電壓。

2 電場感應電源電路的設計

通過現(xiàn)場在100kV高壓母線下，用兩個100cm2的平行板電容器所產(chǎn)生的感應電壓和電流使與它相連的發(fā)光二極管發(fā)光的實驗證明了電場感應式供電方式的可行性。

圖1 電場感應式電源原理框圖

圖2 高壓試驗等效圖

由于電場感應式電源工作在高壓環(huán)境下，如果體積過大容易導致供電裝置尖端放電，發(fā)生安全隱患，因此將電源的上極板部分設計成為空心圓柱體，其直徑為Φ6.6cm，長18cm，厚度2mm，具有體積小、重量輕的特點。將圓柱形的高壓開關作為下極板，上極板電路包裹在高壓線上。

根據(jù)高壓監(jiān)測的要求，每隔300s發(fā)送一次監(jiān)測數(shù)據(jù)［5］，因此電場感應式電源為間斷供電的方式，有較長的時間儲備電能。雖然電場感應式電源不能得到較大電流，但在300s周期的前299s，該供電裝置為超級電容充電，超級電容將電能儲存起來，在每個周期的最后1s內(nèi)將299s內(nèi)儲存的電能釋放，為測溫發(fā)射裝置供電。

3 對感應電容的測量

為了研究大氣介質(zhì)對感應電容的影響，根據(jù)實際需要對其進行測量。電容測量電路圖如圖3所示。測量電路利用7555振蕩器的振蕩頻率隨著電容C1的變化而變化這一原理，將被測電容并聯(lián)在C1上，觀察波形變化并計算數(shù)據(jù)，得出感應電容的值。

圖3 感應電容測量電路圖

由于感應電容的估計級為pF，電容太小將無法產(chǎn)生振蕩波形，因此將振蕩電路選用的參照電容設定為10pF，并將待測電容與參照電容并聯(lián)，觀察分析其波形變化，從而計算出待測電容的大小。測量步驟如下：①采用7555多諧振蕩電路，通過示波器顯示C1＝10 pF時的波形，記錄振蕩周期與振蕩頻率；②選取3組電容C進行測量，計算測試裝置中的分布電容，排除其他因素的影響；③將其中C1上并聯(lián)上一個電場感應電源的模擬裝置，外圓柱體金屬殼直徑Φ6.6cm、長度18cm、厚度為2mm，并記錄振蕩周期與振蕩頻率；④通過示波器測量出感應電容測量電路的振蕩頻率，計算出感應電容的容量。數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 等效電容測量數(shù)據(jù)

圖3中電容測量電路的輸出矩形脈沖周期為：

其中：C1為10pF電容；C0為感應電容；C2為分布電容；R1＝1kΩ；R2＝50kΩ。

由表1中的數(shù)據(jù)計算得到導線間電容C2為14.7 pF；在10pF電容并聯(lián)時，計算得出總電容C＝C1＋C0＋C2＝38pF。

最終測得C0＝14.3pF。

4 系統(tǒng)仿真及實驗結果

圖4為在Multisim軟件中結合圖1電場感應式電源原理框圖建立的供電裝置仿真電路。圖4中，D1、D2為二極管，與C2、C3一起構成倍壓整流電路，為后續(xù)電路提供直流電源。C4、C5為超級電容，為供電設備的儲能元件。

J1的作用是先將供電裝置中的超級電容充滿電再投入使用，解決了由于本身充電較慢所導致的無法在安裝后立刻使用的問題。

圖4 電場感應式電源電路

J2的作用是在300s的工作周期中，工作1s就自動斷開，使用電裝置停止工作，由電場感應式電容向超級電容充電299s；LM7805CT作為穩(wěn)壓器，為工作電路提供穩(wěn)定的5V電壓。

此電場感應式電源工作時的實際操作如下：先將開關J1向上閉合，由于VCC的作用，使超級電容C4、C5充電至7V；將開關J1向下閉合，用電裝置開始消耗電能，1s后超級電容電壓下降至6.83V；隨后將開關J2斷開，使用電裝置斷開，此時超級電容進行充電，超級電容在30s內(nèi)即可充回到7V以上。因此電場感應式電源能夠在規(guī)定的時間內(nèi)為用電裝置提供充足的電能。

通過使用Multisim軟件仿真，結果證明：電場感應式供電方法具有帶動負載電路的能力，可以確保在高壓電網(wǎng)監(jiān)測裝置中穩(wěn)定工作。

5 結論

本文所設計的電場感應式電源使用壽命長、體積小、重量輕，是一種穩(wěn)定可靠的新型高壓監(jiān)測設備的供電電源。通過低壓試驗，驗證了電場感應式電源的可行性。仿真結果表明，電場感應式供電裝置能夠在30 s內(nèi)彌補超級電容工作1s中的能量損失，因此，滿足電網(wǎng)監(jiān)測裝置對電源性能的要求。

［1］于津江，張明軒，屈雙惠，等.高壓開關柜中的電磁感應式電源［J］.石家莊學院學報，2009，11（6）：15－17.

［2］林紅，李鑫，劉憶翥，等.太陽能電池發(fā)展的新概念和新方向［J］.稀有金屬材料與工程，2009，38（s2）：722－725.

［3］Arbizzani C，Mastragonstino M，Soavi F.New trends in electrochemical supercapacitors［J］.Journal of Power Sources，2001，100（1－2）：164－170.

［4］辛業(yè)春，王濱，杜長軍.一種應用于高電壓側測量系統(tǒng)的取能電源設計［J］.吉林電力，2010，38（4）：24－26，29.

［5］周垚.高壓輸電線路導線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［D］.北京：北京交通大學，2009：26－30.