新型配網在線裝置取能研究與設計

曾俊 黎俊 張昊 楊雪飛 劉濤

摘要：本文描述了一種新型的配網在線裝置取能的研究與設計，提出了一種新的取能線圈設計思路，并通過分析與仿真，實現了取能線圈的材質選型，結構設計。并且增加了充電以及電池管理的研究與設計。針對線路上電流的不穩定性，進行了泄放電路、保護電路、信號調理電路的多重優化設計。并通過帶負載能力的測試，證明了該設計在線路上取能的有效性和可靠性。

Abstract： This paper describes the research and design of a new type of distribution network online device， and proposes a new design concept of the energy-carrying coil. Through analysis and simulation， the material selection and structure design of the energy-carrying coil are realized. Aiming at the instability of the current on the line， multiple optimization designs of the bleeder circuit， the protection circuit and the signal conditioning circuit are carried out. And the test with load capacity proves the effectiveness and reliability of the design on the line.

關鍵詞：取能電路、保護電路、在線裝置

Keyword： energy extraction circuit， protection circuit， online device

0 引言

伴隨著配電網電力系統自動化的發展，配電網在線監測裝置的應用更為廣泛，其電源的供給設計變得尤為重要。因目前在線監測裝置大部分工作在線路終端，其應用環境大部分為在架空線路上，基本無法采用常規電源，且需要長期穩定運行，滿足免維護等要求故目前主要采用太陽能加上鋰電池供電方式、高壓絕緣子電容分壓取能方式、特制電流互感器線圈的方式等。

太陽能加鋰電池是無線設備的常用模式，目前在在線監測裝置上也廣泛應用，但其受環境因素影戲較大，并且一般無法滿足長期免維護等設計要求。而采用PT、CT以及電容分壓模式受體積及成本價格影響又較大，因此利用特制線圈在線取能成為目前最有發展前景的供電方式。而此供電方式也有需要解決的問題：母線在正常電流范圍內取能線圈能提供穩定的輸出;在短路及沖擊電流下能合理保護電源和后級電路仍能正常工作等。鑒于以上論述，本文提出一種通過特制線圈從高壓側輸電線路感應取能與蓄能電池相結合的電源解決方案，使得供能可靠穩定。

1 配網線路上取能的基本原理

配網線路上取能的基本工作原理如圖1所示

該供電方式利用電磁感應原理，由取電線圈從配網線路中感應得到交流電電能，經過保護電路、整流電路、濾波電路和電源變換及儲能轉換為穩定的電壓源為在線設備可靠供電。設計要盡量減小啟動電流，保證在輸電線上流過較小電流時能提供足以驅動后級電路的功率，如無法滿足所需能量時將轉向蓄能電池向電子電路供電;當電力系統負荷變化很大或出現短路故障時，母線隨之流過很大電流，此時通過功率調整電路調節線圈輸出電壓，使得整流濾波后的電壓輸出保持穩定，從而保護了后級電路，避免了由于過壓所造成的損壞，保證了整個電子電路的正常穩定工作。

2? 線圈設計的基本理論

由電磁理論的相關知識可知，電力線路周圍存在著磁場，線圈通過磁場感應獲取能量。取能線圈二次側的感應電勢為

式中，E2為二次側感應電動勢有效值;f為電流基頻50 Hz;N1為一次側線圈匝數，即為1;N2為二次側線圈匝數;I1為一次側線圈電流，即母線電流;I2為二次側線圈電流;Im為鐵芯勵磁電流，可忽略不計;L為平均磁路長度;B為鐵芯磁感應強度;H為磁場強度;μ為導磁率;φm為磁路中磁通;S為鐵芯截面積;λ為鐵芯疊片系數。

2.1? 取能線圈材質結構的設計

根據上述理論可知，在線路電流不變的情況下，增大N2，B或S均能夠提高二次側感應電勢，也就是可以提高其所提供的功率。B與鐵芯的材料特性有關，為減小電源工作死區，降低啟動電流，應選擇初始磁導率高的材料。為了改善小電流啟動狀態而增加線圈匝數，同時也使得母線大電流狀態時的感應電壓過高;增加鐵芯截面積會給模塊的安裝帶來不便。從應用角度出發，考慮到實際問題，理論與實驗相結合，因此應選取較合適的鐵芯材料，確定截面積大小和線圈匝數。

硅鋼材料具有高飽和磁通密度，低損耗，良好的溫度穩定性和時效穩定性，雖然其初始磁導率不及現代非晶材料，小電流啟動情況也沒有非晶材料效果突出，但可以通過稍增加線圈匝數的措施來彌補，加之硅鋼材料易于獲取，且成本上具有相當明顯的優勢，故本文決定選取特制的C型硅鋼作為鐵芯。截面積選擇10 mm×13 mm的C型結構，滿足在帶電方式下經過特制的外殼裝夾在架空輸電線上。線圈匝數的確定根據式（1）～式（5）的計算，再經實驗調整，最終決定選取φ=0.45 mm的漆包線在鐵芯骨架上繞制300匝。

2.2 保護電路及信號調理電路的設計

為了防止在發生雷擊或線路中出現短路故障產生大電流的瞬間，線圈二次側會感應出很高的沖擊電壓，對后級電路產生災難性的損壞，設計在線圈接入電路端并聯一瞬變抑制二極管（TVS）和壓敏電阻，抑制和防止感應線圈產生的沖擊電壓。隨著母線電流的增加，線圈感應出的電壓過高，整流濾波后的電壓也隨之增加，當電壓超過DC—DC模塊前級允許最大輸入電壓時，將導致DC—DC模塊受損。為了防止類似故障的發生在整流濾波電路后級增添保護電路及信號調理電路，其原理圖如圖2所示。

保護電路及信號調理電路的輸入端連接取能線圈的輸出端口，保護電路及信號調理電路的輸出端接入電壓變換電路輸入端口。當取能線圈的輸出電壓大于電路設定額定電壓時，電路中的壓敏電阻和TVS首先進行限壓，取能線圈的能量持續過大時，在可控硅的門極就會形成一個較大的電壓，控制可控硅瞬時導通，泄放取能線圈中的能量，保證后級電壓變換電路免受配網線路上短路電流突然增大的影響。進過保護及信號調理后將取能線圈的能量再經過整流穩壓電路轉為直流電源。

本文介紹的保護電路及信號調理電路經過電路仿真及實際試驗，在取能線圈30-1000A時，輸出電壓能夠穩定在5V左右，紋波在20mV。

2.3 電壓變換電路的設計

由于取能線圈的輸出電壓取決于配網線路工作電流，而配網線路工作電流由負荷決定，因此線圈取能端的電壓范圍可能是幾百毫伏至幾十伏，其中前級的調理電路可以將大電壓信號限制為適用后級所需電壓信號，但當電流足夠小，后級電路包括取能就會難以達到要求。

本次設計采用了具有升壓充電器的超低功耗收集電源管理 IC 以及毫微功率降壓轉換器BQ25570，該芯片既具有升壓充電器的功能，又具有微功耗降壓功能，可為在線監測設備提供穩定所需電壓。該電路可以在600mV的電壓情況下進行啟動，保證為后級電路提供穩定的3.3V電源。并且在低至100mV電壓的情況下，對取能線圈的能量進行采集，保證儲能合供電。

2.4 電池儲能及充電管理電路設計

本設計采用線圈取能與儲能電池相結合的方式為工作在高壓側的電子設備供能，取能電源處于正常工作狀態時，為電子電路提供電源，并且能對儲能電池進行充電;當取能電源不能為后級電路提供足夠大的能量時，此時轉換成儲能電池供能，保證電子設備能連續不斷電工作。通過對比各類充電電池特性后，選取大容量磷酸鐵鋰充電電池組作為后備電源。

磷酸鐵鋰電池具有卓著的安全性能，不會因過充、過熱、短路、撞擊而產生爆炸或燃燒;使用壽命長，循環使用次數多，其容量保持率是鉛酸電池的8倍、鎳氫電池的3倍、錳酸鋰電池的4～5倍等;充電速度快，自放電少，無記憶效應，單體電壓3.3 V，放電平臺穩定。

鑒于對儲能電池的維護，利用BQ25570設計了專門充電管理電路控制其充電過程。內部恒定輸出電壓3.3 V，也可通過一外部電阻調節充電電壓;可激活深度放電的電池和減少功耗，電池電壓低于2 V時采用涓流充電模式，可編程的持續恒流充電電流可達500 mA，電源電壓掉電時自動進入低功耗的睡眠模式。

3 實驗結果

基于上述設計參數對取電模塊帶負載能力進行實驗，在取電模塊后級接入相關課題研制的架空輸電線故障檢測器模塊，測試表明取能裝置在母線一次側3 A的電流下可以啟動，在正常工作狀態下，該模塊能夠輸出3V左右供電電壓，不低于10 mA的電流，使后級檢測器模塊可以正常工作;并且在過壓的情況下通過功率調節電路能保證輸出電壓穩定，對后級電路不造成損壞。由此可見，本文所提出的一種通過特制線圈從高壓側一次母線取能與蓄能電池相結合的供能方案，能解決線路短時間停電和母線大電流情況下，架空線路上的在線設備的電源供給問題，保障設備持續不掉電的穩定工作。

4 結束語

電源的可靠、長期穩定運行是電子設備可靠工作的首要條件，本文提出的取能設計有效的解決了配電網在線裝置電源供電問題，保證了在線裝置的長期穩定運行。

參考文獻

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作者簡介：曾俊（1975-），男，本科，從事線路、營銷、電站、變運、調度專業的運維、管理等工作，就職于云南電網有限責任公司西雙版納供電局