高壓輸電線路監測設備感應電源設計

李武云，江 虹，何小利

(西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽 621000)

0 引言

目前，對于應用在輸電線路高壓側或是高鐵接觸網的有源電子設備[1-3]，如電子式電流互感器、高壓線接頭溫度監測系統、高壓線積雪監測裝置等，其能量供給是國內外許多科研單位的研究重點。由于工作電壓范圍為10～110 kV,工作電流為數十安至數千安，許多智能化電子設備由于供電問題而無法安裝應用。常用的供電方式有太陽能電池供電和激光供能。太陽能電池供能容易受到周邊環境和天氣的影響，難以持續提供電能；其體積一般較大，安裝受限。激光供能[4]是采用激光，通過光纖將能量從地面低電位側傳到高電位側，再由光電裝換器將光能量轉換為電能量。該方式供能穩定，但是目前國內光電技術尚不成熟，成本較高。

從電力線本身取電是解決在線監控供電設備的一個重要思路[5-7]，并且有著廣闊的應用前景。高壓側一次母線電流變化范圍較大，電流最低時只有幾安，而有時瞬時故障電流則會達幾百安甚至上千安，情況較為復雜。因此，在電源設計需要解決如下問題。

①母線在電流變化范圍很大時，仍然能保證電源的供應。

②母線在遠超額定電流的大電流或者雷電沖擊電流情況下，能保證電源電路正常工作不受損。

③能夠持續供電，保證監測設備的長期運行供電要求。

本文設計了一個感應取電方案，可以解決以上問題。

1 感應取能基本原理

感應取電利用電磁感應原理，依靠電流互感器從高壓母線上感應出交流電壓，經過沖擊保護、能量泄放、整流、濾波、直流-直流(direct current-direct current,DC-DC)變化等電路，即可從高壓母線上得到監測設備所需的低壓直流電源。取能電源工作原理框圖如圖1所示。

圖1 取能電源工作原理框圖

根據電磁理論相關知識[8]及互感器原理可知，互感器的二次側感應電動勢有效值為：

(1)

式中：f為線圈激勵電流的頻率；N2為特制線圈的繞制匝數；Bm為鐵芯飽和磁感應強度；S為鐵芯的有效截面積。

在母線電流較大的情況下，鐵芯容易進入磁飽和狀態。當鐵芯磁飽和時，二次側電壓十分不穩定，深度飽和時感應電壓波形會發生畸變，變成尖峰脈沖，峰值可達數百伏，可能造成后端芯片的燒毀。同時，長時間工作在深度飽和狀態下也會導致線圈溫度升高，致使線圈燒毀。

根據磁路歐姆定律：

(2)

式中：φ為鐵芯中的主磁通；N為母線匝數，此處取1；I為流過母線的電流；R為鐵芯的磁阻。

從式(2)可以看出，在相同的磁勢下，磁阻越大，通過鐵芯的磁通就越小。所以，增大磁阻可以減小穿過鐵芯的磁通，以免鐵芯在較大的母線電流下產生過早飽和。

(3)

式中：L0為空氣氣隙的長度;μ0為空氣器的磁導率。

由于空氣的磁導率相對于鐵芯的磁導率μ非常小，所以空氣氣隙產生的磁阻非常大。根據鐵芯磁化曲線可知，磁阻增大，降低了通過鐵芯的磁通，延緩了鐵芯的飽和。所以，在鐵芯開口處留有長度為0.5 mm的空氣氣隙。

2 電源電路設計

2.1 電壓保護與能量泄放

為了防止瞬時故障大電流或者雷電沖擊電流等異常情況燒壞電源電路，在整流橋前和DC-DC模塊前分別并聯了一個瞬態抑制二極管(transient voltage suppressors,TVS)。TVS可以有效吸收由于鐵芯飽和而產生的高壓尖脈沖以及由于線路浪涌感應輸出的沖擊電壓，從而保護后級電路。在實際設計中，采用的TVS管型號為1.5KE51CA，在尖峰脈沖電壓情況下，可以將脈沖電壓控制在51 V左右。

整流濾波后的電壓會隨著母線電流的升高而升高，感應電壓也較高。因此，需限制過電壓保護DC-DC模塊。電壓保護與能量泄放電路如圖2所示。

圖2 電壓保護與能量泄放電路

圖2中：D1為穩壓二極管；Q1為大功率三極管。當U≥20 V時，穩壓二極管D1被擊穿，大功率三極管Q1進入工作狀態，泄放多余能量。當電壓U<20 V時，穩壓二極管D1不會被擊穿，大功率三極管Q1不工作，則不會影響小電流情況下的電源正常工作。

2.2 超寬電壓DC-DC轉換

由于母線電流變化范圍較大，取能線圈感應出的交流電壓經過整流、濾波處理后，將得到一個較寬范圍的直流電壓。因此，選用的DC-DC轉換器應當在較大的輸入電壓范圍內進行電壓轉換。為此，選用了型號為PI-05V-B4、具有微功耗和寬輸入的DC-DC模塊。該模塊可以將13～380 V直流輸入電壓轉換為5 V的直流電壓輸出，最大輸出電流為200 mA。

2.3 鋰電池充電

本文采用LP28056SPF作為鋰電池充電管理芯片。該芯片具有完整的恒壓恒流線性充電功能，適用于單節鋰電池充電。LP28056SPF充電過程分為預充、恒流充電和恒壓充電三個階段。在電池充滿電后，芯片將自動停止對鋰電池充電，以防止鋰電池過充。該方案可有效延長鋰電池的使用壽命。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗平臺搭建

在試驗室，搭建如圖3所示的試驗平臺。

圖3 試驗平臺示意圖

如圖3所示，在大電流發生器電源接入為220 V/50 Hz交流電，其輸出端可以通過調節旋鈕輸出0～1 000 A的電流、電壓值恒定為5 V的交流電源，可以作為模擬高壓線產生的較大范圍的交流電。用電流互感器穿過電流發生器的輸出端，互感器的二次側輸出線連接取電電路板，整個試驗平臺搭建完成。

在試驗中，逐漸增大一次電流，在經過整流電路、濾波電路后，測得直流電壓與輸入電流的關系曲線如圖4所示。

圖4 直流電壓-輸入電流關系曲線

當母線電流為10 A時，輸出直流電壓便可達45.5 V，啟動電流較小。直流電壓將作為DC-DC穩壓模塊的輸入電壓。由于DC-DC模塊的輸入電壓范圍很廣，在該電壓范圍內，DC-DC模塊都能穩定輸出5 V直流電壓。當母線電流大于300 A時，互感器實際感應電壓較高，TVS將電壓鉗制在50 V左右。故在電流持續上升的情況下，電壓增大趨勢不大，對整流電路、DC-DC模塊電路起到了保護作用。

3.2 取能輸出功率測試

本文設計的電源主要用于為安裝在輸電線或者接觸線上的監測設備供電。監測設備主要包含單片機控制單元、傳感器單元、通信單元電路等[9-11]，一般功耗較低。在試驗室測試中，用大電流發生器模擬輸電線帶電情況，以電阻作為負載測試取電電路直流電源輸出功率。試驗中，設置一次母線電流為600 A，測量不同負載的情況下電源的輸出功率。試驗結果表明，接入50 Ω負載時，功率達到了480.2 mW，可以滿足監測設備的供電需求。

3.3 鋰電池充電試驗

用大電流發生器模擬高壓線路電流，在不同的電流大小情況下，取電裝置對鋰電池的充電試驗數據如表1所示。測試試驗數據表明，隨著母線電流的增大，取電裝置對鋰電池的充電電流也逐漸增大。

表1 鋰電池充電試驗數據

4 結束語

本文研究了高壓監測裝置的電源問題，在母線電流為0～1 000 A的工作電流范圍內進行試驗。試驗結果表明，DC-DC端均可得到穩定的+5 V直流電壓，且紋波低于25 mV，電源功率可以滿足高壓輸電線路上監測設備的用電功率。該方案針對高壓環境，實現了其他電源難以做到的長時間持續穩定供能，確保了電能的在線供給，是高壓線路監測設備較為理想的電源。研究結果表明，電流互感器取能在高壓輸電線上的應用是一個低成本、實用、可行的方案，解決了高壓側端監測設備電源供給這個關鍵問題，在高壓和強電流的監測設備中具有廣闊的應用前景。