輸變電線路在線監(jiān)測設(shè)備供電電源的設(shè)計(jì)

劉　霞（廣元電力設(shè)計(jì)院，四川 廣元 628000）

輸變電線路在線監(jiān)測設(shè)備供電電源的設(shè)計(jì)

劉霞
（廣元電力設(shè)計(jì)院，四川 廣元 628000）

近年來，隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為了更好的反映電力線路及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保供電的穩(wěn)定與質(zhì)量，各類輸變電線路中在線監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用數(shù)量越來越多，應(yīng)用范圍也越來越廣，對在線監(jiān)測設(shè)備的供電持續(xù)性也提出了更高要求。本文結(jié)合工作實(shí)際，從在線監(jiān)測設(shè)備供電電源的主要取能技術(shù)出發(fā)，提出了一種利用電流互感器取能和鋰離子電池組協(xié)同供電的設(shè)計(jì)方案，并經(jīng)過實(shí)踐證明，該供電電源系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對在線監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定、持續(xù)供電。

輸變電線路；在線監(jiān)測設(shè)備；供電電源；設(shè)計(jì)

一、在線監(jiān)測設(shè)備對供電電源的設(shè)計(jì)要求

1 體積較小

伴隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子設(shè)備產(chǎn)品的集成化程度正逐漸提高。近年來，輸變電線路中所采用的在線監(jiān)測設(shè)備體積極大的縮小，如果其供電電源的體積過大，不僅會帶來安裝與維護(hù)上的困難，而且兩者之間也不能很好的匹配。

2 供電穩(wěn)定、持續(xù)

一方面，為保證在線監(jiān)測設(shè)備的正常、穩(wěn)定運(yùn)行，要求供電電源應(yīng)具備足夠的輸出功率，電源的輸出電壓也應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定，輸出波動范圍??；另一方面，由于在線監(jiān)測設(shè)備的功能，主要是對輸變電線路及設(shè)備的各種參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測定，因此必須保持電源供電的持續(xù)，不能間斷。

圖1 取能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

二、在線監(jiān)測設(shè)備供電電源的主要取能方式的對比及選擇

目前，應(yīng)用于在線監(jiān)測設(shè)備供電電源的主要取能方式有：太陽能電池板取能、激光取能、超聲波取能、電流互感器取能等等。各種取能方式的基本應(yīng)用原理及優(yōu)缺點(diǎn)為：

1 太陽能電池板取能

太陽能電池板取能，是利用光電轉(zhuǎn)換原理，將太陽的輻射光通過半導(dǎo)體軟件轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲的方式。由于太陽能電池板只在受光后方能發(fā)電，并不具有保持電能的能力，因此電源采用太陽能電池板時(shí)，通常還需要與蓄電池聯(lián)合供電。

這種取能方式的優(yōu)點(diǎn)是，實(shí)現(xiàn)了電源傳感部分的無源供能，不需要外接電源，且運(yùn)行時(shí)不受電網(wǎng)電流大小的影響。而主要缺點(diǎn)是，在不受光時(shí)必須依靠蓄電池保持持續(xù)供電，因此蓄電池的使用壽命對供電的持續(xù)、可靠有著很大影響。然而目前市場中蓄電池的正常使用壽命普遍較短，對于野外工作的在線監(jiān)測設(shè)備而言，經(jīng)常性更換蓄電池也較為麻煩，因此這種取能方式的實(shí)際應(yīng)用很少。

2 激光取能

激光取能方式的基本應(yīng)用原理是通過光纖將激光光源從低電位側(cè)傳送到高電位側(cè)，再由光電池將激光能量轉(zhuǎn)換為電能，以提供在線監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定電能輸出。

這種取能方式的主要優(yōu)點(diǎn)是，每個(gè)設(shè)備都配備有一個(gè)光探測器裝置，能根據(jù)電流反饋控制激光發(fā)射器的光源輸出大小，從而保證了電能輸出的穩(wěn)定，且具有噪聲低、電源波紋小的特點(diǎn)，不容易受到外界因素干擾。它的主要缺點(diǎn)是，目前我國光電技術(shù)的應(yīng)用仍不成熟，而國外購買的光電器件普遍又造價(jià)偏高，且激光發(fā)生裝置如果在長時(shí)間大功率工作，容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象而縮短使用壽命。

3 超聲波取能

超聲波取能方式的應(yīng)用原理是，利用超聲波振蕩裝置驅(qū)動與之連接的石英傳感器，使超聲波被轉(zhuǎn)換為電能。這種取能方式是一種無線輸能的方式，其主要優(yōu)點(diǎn)是，超聲波在空氣中傳輸?shù)膿p耗很小，且供能方式實(shí)現(xiàn)較為容易，因此近年來在軍事領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用較為普遍。

它的主要缺點(diǎn)是，一是接受天線的設(shè)計(jì)存在問題，尤其是天線放置方式和面積設(shè)計(jì)上容易對電源絕緣設(shè)計(jì)造成影響；二是超聲波的輸出，容易對附近變電站或其它電力設(shè)備的運(yùn)行造成信號干擾問題。

4 電流互感器取能

電流互感器取能的應(yīng)用原理是，利用電流互感器從設(shè)備線路中感應(yīng)電壓，并通過一系列整流、濾波、穩(wěn)壓等處理方式后，提供給設(shè)備高壓側(cè)必要的供電電源。目前，我國電流互感器取能的技術(shù)應(yīng)用及技術(shù)原理已較為成熟，在實(shí)際應(yīng)用中具有成本低、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

它的主要缺點(diǎn)是，由于電流互感器的取能來自于設(shè)備母線，其工作狀態(tài)容易受到電網(wǎng)電流的影響。目前，在電流互感器取能實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)著重解決以下兩方面問題：一是解決當(dāng)母線電流處于小電流狀態(tài)或空載狀態(tài)時(shí)，如何持續(xù)保證電源的供應(yīng)；二是解決當(dāng)母線電流處于大電流狀態(tài)或超短路電流狀態(tài)時(shí)，如果給電源板以充足的保護(hù)。

綜合各種取能方式的優(yōu)缺點(diǎn)和技術(shù)應(yīng)用的成熟度，在本文中提出了利用電流互感器取能以解決設(shè)備供電電源的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)還設(shè)計(jì)了鋰離子電池組進(jìn)行協(xié)同供電，作為供能不足時(shí)的備用電源，有效保證了電源的持續(xù)、穩(wěn)定供應(yīng)。

三、供電電源取能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案分析

1 設(shè)計(jì)方案原理

本文采用的是一種利用電流互感器取能和鋰離子電池組協(xié)同供電的設(shè)計(jì)方案。電流互感器能隨著設(shè)備母線一次電流的變化，感應(yīng)出對應(yīng)的交流電動勢，并通過一系列整流、濾波、穩(wěn)壓等處理方式后，將其轉(zhuǎn)換為可靠的直流電源。為避免母線電流處于大電流狀態(tài)或超短路電流狀態(tài)時(shí)，造成過壓危險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)中還接入了一個(gè)泄流保護(hù)電路。而鋰電池組則是作為一個(gè)穩(wěn)定輸出的備用電源，它與充放電管理電路之間直接相連接即可。圖1即為該取能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，該取能系統(tǒng)主要由小型的雙線圈電流互感器、切換控制電路、繼電器、整流濾波電路、泄流保護(hù)電路、濾波穩(wěn)壓電路以及鋰電池等幾個(gè)部分所組成。

2 小型雙線圈電流互感器設(shè)計(jì)

本文采用的是小型的開口式雙線圈互感器設(shè)計(jì)，其開口鐵芯是從設(shè)備母線中獲取能量并傳輸能量的基礎(chǔ)媒介，因此鐵芯設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。對于開口鐵芯的基本設(shè)計(jì)要求為：在保證大功率電源提供的基礎(chǔ)上，盡可能減小一次啟動電流，并提高電流適用性的工作范圍寬度；為避免供電電源設(shè)計(jì)過大，開口鐵芯的尺寸與結(jié)構(gòu)也不宜過大。

經(jīng)過綜合研究分析，本文中所設(shè)計(jì)的開口式雙線圈互感器，其一次電流的適用范圍在100A～1000A以內(nèi)也能正常工作，正常輸出功率可達(dá)到2W以上。同時(shí)，為了盡量減少開口鐵芯的結(jié)構(gòu)尺寸，并結(jié)合材料價(jià)格因素，最終選擇硅鋼片作為鐵芯材料，它的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度相比普遍材料更高，在相同條件下所得到的最大輸出功率以及最大電壓也更大，且價(jià)格成本也較為低廉。

3 整流濾波電路、穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

雙線圈電流互感器，在母線中感應(yīng)出對應(yīng)的交流電動勢，需要通過一系列整流、濾波、穩(wěn)壓處理，方能轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€監(jiān)測設(shè)備所能使用的直流電源。因此在該取能系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有整流濾波電路和穩(wěn)壓電路。

整流濾波電路主要作用是對電流互感器的二次電壓，進(jìn)行整理和濾波處理以實(shí)現(xiàn)初步穩(wěn)壓。其主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)有：一是要保證整流二極管的反向耐壓值應(yīng)足夠大，導(dǎo)通壓降應(yīng)足夠小，從而盡量減少整流二極管的損耗；二是要保證濾波電感的直流電阻應(yīng)當(dāng)較小，以盡量減少電路的損耗；三是應(yīng)保證濾波電容具備較大的容量，大容量電感不僅能存儲更多的能量，而且能有效避免繼電器開斷過程中二次電壓不足的問題。

4 泄流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

由于開口式雙線圈的一次電流適用范圍較大，通過設(shè)計(jì)泄流保護(hù)電路，可以有效避免母線電流處于大電流狀態(tài)或超短路電流狀態(tài)時(shí)，所造成的過壓危險(xiǎn)。本文所設(shè)計(jì)的泄流保護(hù)電路，它與開口鐵芯是直接串聯(lián)，但感應(yīng)電流的方向是相反的，從而起到部分抵消開口鐵芯磁通的作用。在線路連接之間還設(shè)置有一個(gè)連接開關(guān)，以決定泄流保護(hù)電路是否工作。當(dāng)運(yùn)行時(shí)一次電流較小，泄流保護(hù)電路處于斷開狀態(tài)；當(dāng)一次電流較大時(shí)則開關(guān)閉合，泄流保護(hù)電路開始動作，起到去磁保護(hù)作用。

5 鋰電池組及充放電電路設(shè)計(jì)

鋰電池作為一種可循環(huán)充電、放電的電池，具有使用壽命長，充放電電流穩(wěn)定的特點(diǎn)，適宜作為一個(gè)穩(wěn)定輸出的備用電源，它與充放電管理電路之間直接相連接。在實(shí)際應(yīng)用中，單節(jié)鋰電池的工作電壓為4.2V左右，為保證足夠的電壓余量以確保電路的正常、穩(wěn)定工作，在本文中設(shè)計(jì)了三節(jié)鋰電池串聯(lián)供電，其輸出電壓可達(dá)到12.6V左右，遠(yuǎn)超出最低輸入電壓7V的標(biāo)準(zhǔn)，能完成滿足設(shè)計(jì)需要。

結(jié)語

作為電力系統(tǒng)大動脈的輸變電線路，它具有線路距離長、分散性大、縱橫交錯等特點(diǎn)，其巡視和維護(hù)工作的難度非常大。隨著近年來我國電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，為了進(jìn)一步提高輸變電線路的運(yùn)行管理水平，必須做好線路及設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測工作，而設(shè)備供電電源的持續(xù)、可靠供電則是其中的關(guān)鍵。經(jīng)過實(shí)際試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，本文中設(shè)計(jì)的電流互感器取能和鋰離子電池組協(xié)同供電的設(shè)計(jì)方案，具有供電持續(xù)、可靠、安全的特點(diǎn)，且整個(gè)取能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得在輸變電線路在線監(jiān)測設(shè)備供電電源中大力推廣與應(yīng)用。

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