配電線路監測裝置感應取能電源設計

李鐵鋒

（國網吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132011）

0 引 言

高壓架空線各種在線監測是保證線路安全運行的重要手段，如線路故障指示、導線舞動以及導線覆冰等在線監測[1-3]。然而，由于高壓線路上沒有供監測裝置工作的弱點電源，給監測裝置應用帶來了極大困難，是相關研究要解決的重點問題。

目前，常應用的供電方式有太陽能、蓄電池、激光供能以及母線感應取能等。它們各有一定的特點，也有其應用局限性。其中，最有發展前景的供電方式是從輸電線路直接取電[4-6]，在導線上套裝取能線圈感應出交流電壓，然后經過整流、濾波、穩壓后輸出直流電源，用于給高壓側電子裝置提供穩定可靠的工作電源。但是，采用感應取能獲取工作電源存在以下幾個難點需要解決：（1）輸電線路流過的電流波動范圍大，如何保證在小電流時獲得足夠的能量、在大電流時保證裝置安全可靠工作，是需要解決的一個難題；（2）高電位的監測裝置通常需要無線通信的方式傳輸數據，如何保證無線發射時電壓穩定是需要解決的難題。

為此，本文設計了一種感應取能電源，在分析感應取能的機理的基礎上進行裝置總體結構設計，具體設計了取能線圈、電能管理以及穩壓控制，能夠滿足各種運行工況的要求。

1 感應取能電源的基本原理

感應取能供電方式是利用電磁感應原理，通過取能線圈從高壓線路上感應交流電能，然后經過整流、濾波、穩壓等環節，為高壓側監測裝置提供供電。根據電磁理論的相關知識，在取能線圈兩端空載情況下，取能線圈一次側由交流電流控制。假定輸出電壓的峰值為U，可得：

式中：f為線圈激勵電流的頻率；N2為特制線圈繞制匝數；Hm為線圈橫截面的磁通量幅值；Bm為磁感應強度幅值；S為鐵心截面積；λ為鐵心疊片系數。

由安培環路定律，有：

式中：N1為一次側繞組匝數，此處值為1；L為平均磁力線長度。

2 電源總體結構設計

設計的取能電源總體結構如圖1所示，包括取能互感器、單相橋式整流與濾波電路、瀉放保護回路、DC/DC穩壓電路、后備電池供電回路、大功率儲能回路以及直流穩壓電源輸出等部分。

圖1 電源總體結構示意圖

通過設計的取能互感器，從電力電纜上耦合獲取能量，經整流、濾波、穩壓提供穩定的直流電源；泄放保護回路使電源能在很寬的一次電流下工作；大功率儲能回路使電源能夠提供瞬間大功率，滿足需要瞬時大功率的系統應用；后備電池供電回路使電力電纜電流很小，或停電時依然能夠提供穩定的電源。

3 電源各模塊設計

3.1 取能互感器設計

取能互感器是感應取能電源的關鍵。它的鐵心材料選擇應盡量減小啟動電流，采用具有較高磁導率的材料，以提高效率，降低損耗。采用高磁導率的材料降低勵磁電流，從而使得在小電流的工況下裝置能夠可靠工作。本設計采用具有較高磁導率的納米晶磁材料。為了便于現場安裝應用，在結構上進行特殊設計，結構如圖2所示。

圖2 取能互感器結構設計

取能互感器套裝在電力電纜上利用電磁感應原理獲取能量。取能互感器包括：微晶材料制成的兩半圓型鐵芯；漆包線制成的繞制在鐵芯上的線圈；注塑成型的塑料外殼，用于放置鐵芯和線圈；塑料外殼的軛上有通孔，用于安裝螺具；在外殼與鐵芯之間填充環氧樹脂，使得鐵芯、線圈和外殼成為一體，起到線圈匝間的絕緣和防潮作用；兩邊的螺具將上下兩半外殼和鐵芯夾緊，兩半鐵芯的接口處采用多槽型接口方式，減少接口的氣隙；兩輸出端接到單相橋式整流、濾波電路的輸入端Vin1+和Vin1-。

3.2 整流和泄放回路設計

整流回路將感應的交流電源變為直流電壓供后續電路使用。泄放回路保證輸電線路大電流時可靠工作，電路原理如圖3所示。

圖3 整流泄放回路原理圖

3.3 穩壓環節設計

由于架空線路不同時段的負載電流變化范圍大，取能互感器獲得的電源經過整流、濾波后將在較大范圍內波動，需要通過DC-DC穩壓模塊提供穩定的電源。穩壓模塊設計主要考慮兩方面因素，一是要有較寬的工作范圍，二是要損耗特別小。為此，設計采用集成穩壓模塊和外圍電路，構成高性能的穩壓單元。電路原理如圖4所示。

圖4 寬輸入DC-DC穩壓單元

3.4 高輸出功率單元設計

為滿足監測裝置無線通信等瞬時沖擊性負荷要求，提高電源的帶負載能力，設計超級電容作為瞬時性沖擊負荷供能單元。超級電容器是一種很好的解決沖擊性負荷的裝置，性能介于傳統蓄電池和普通電容器之間，具有良好的功率密度，循環壽命在100 000次以上。設計的超級電容儲能單元如圖5所示。

圖5 基于超級電容的高輸出功率單元

4 結 論

本文設計了一種感應取能電源，通過開合式取能互感器，從電力電纜上經電磁耦合方式獲取能量，然后由單相橋式整流、濾波電流得到直流電壓。DC/DC穩壓電路為電源提供穩定的電壓輸出，通過瀉放保護回路使穩壓電源能工作在很寬的電力架空線一次電流下；大功率儲能回路使得穩壓電源能夠為需要瞬間大功率供電的裝置提供電能。設計的穩壓電源安裝方便，維護簡單，可靠性高，適用于很多高壓在線監測系統和儀表。