葉衍林， 汪 沨， 申 晨， 許松枝

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082；2.柘溪水力發(fā)電廠，湖南益陽(yáng)413000)

GIS局放在線報(bào)警系統(tǒng)自供電電源的研究

葉衍林1，2， 汪 沨1， 申 晨1， 許松枝1

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082；2.柘溪水力發(fā)電廠，湖南益陽(yáng)413000)

為能夠?yàn)镾F6氣體絕緣組合電器設(shè)備(GIS)局放在線報(bào)警系統(tǒng)提供電能，設(shè)計(jì)了一種基于電磁感應(yīng)原理的無線取能系統(tǒng)。利用取能線圈從GIS盤式絕緣子外側(cè)感應(yīng)工頻磁場(chǎng)，線圈兩端的感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)整流電路后，應(yīng)用具有電池管理功能的超低功耗升壓充電器，將感應(yīng)電能收集與管理，通過升壓穩(wěn)壓電路為系統(tǒng)提供電能。通過理論分析和軟件仿真，驗(yàn)證了該取能方案的可行性，滿足系統(tǒng)的需求，有效解決了取能線圈輸出電能低而無法滿足系統(tǒng)工作的問題。結(jié)果表明，該取能電源能夠周期性地為在線報(bào)警系統(tǒng)提供可靠的電能。

局部放電；感應(yīng)取能；電源管理；自供電電源；在線報(bào)警

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)推進(jìn)，SF6氣體絕緣組合電器設(shè)備(GIS)安裝了各種在線電子檢測(cè)設(shè)備，如對(duì)濕度、溫度、局部放電信號(hào)等參數(shù)的檢測(cè)。而且，各種檢測(cè)設(shè)備正逐漸朝著高精度、自動(dòng)預(yù)警、無人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方向發(fā)展[1-3]。而高壓側(cè)電子設(shè)備的供電電源設(shè)計(jì)主要采用傳統(tǒng)的供能方式[2]，如電池供能、太陽(yáng)能供能和激光供能等，由于存在使用壽命短、維護(hù)困難、價(jià)格較貴等問題[4]，這些供能方式不能廣泛地應(yīng)用于高壓在線電子檢測(cè)設(shè)備。

文獻(xiàn)[5]介紹了根據(jù)電磁感應(yīng)原理為輸電線路高壓側(cè)電子設(shè)備設(shè)計(jì)的取能裝置，其方法已較為成熟。本文利用電磁感應(yīng)原理，通過感應(yīng)線圈從高壓側(cè)獲取電能的方式為GIS設(shè)備局部放電在線報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種感應(yīng)取電電源，使用該電源的超高頻傳感器(UHF)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊不需要依靠市電電源供電，完全實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的獨(dú)立工作，大大提升了在線報(bào)警系統(tǒng)的可靠性。本文設(shè)計(jì)的取能線圈為空心線圈，線圈緊貼非磁性骨架繞制，能夠降低損耗和避免線圈飽和[6]；應(yīng)用TI公司生產(chǎn)的一款具有電池管理功能的超低功耗升壓轉(zhuǎn)換/充電器獲取和管理取能線圈感應(yīng)到的微瓦至毫瓦級(jí)的電能，并將電能存儲(chǔ)于儲(chǔ)能元件中。當(dāng)存儲(chǔ)元件積累到足夠的電能，同時(shí)超高頻傳感器檢測(cè)到局部放電信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊處理，由通信模塊發(fā)出報(bào)警信息，并由遠(yuǎn)程設(shè)備接收，實(shí)現(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)正常工作。對(duì)于高壓GIS，從局放發(fā)生到絕緣擊穿需要一個(gè)過程。因此，不需要實(shí)時(shí)的在線報(bào)警，系統(tǒng)所需的電能可以得到及時(shí)的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)周期、可靠的在線報(bào)警功能。

1 局放在線報(bào)警系統(tǒng)概述

GIS局部放電在線報(bào)警系統(tǒng)如圖1所示，該無線報(bào)警系統(tǒng)主要由傳感模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊和報(bào)警器構(gòu)成[7]。UHF傳感器模塊安裝在GIS盤式絕緣子澆注口處，對(duì)絕緣子側(cè)泄漏出的超高頻電磁波(300～3 000 MHz)進(jìn)行檢測(cè)[8]，由數(shù)據(jù)處理模塊處理，最后通過通信模塊發(fā)出報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)無線報(bào)警功能。

圖1 GIS局放在線報(bào)警系統(tǒng)

由于感應(yīng)取電線圈的輸出功率較小，不足以直接驅(qū)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的正常工作。因此，本系統(tǒng)采用一款新集成的智能能源收集電源管理方案，有效獲取和管理取能線圈端的微瓦或毫瓦級(jí)電能，并將電能存儲(chǔ)于儲(chǔ)能元件可充電電池中，經(jīng)升壓穩(wěn)壓電路后為系統(tǒng)供能。

為提高系統(tǒng)的集成度，系統(tǒng)中的UHF傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊采用相同的低功耗單片機(jī)控制，并將取能電源中整流器、超低功耗升壓充電器和升壓穩(wěn)壓器等電路集成于同一塊PCB上。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)無線報(bào)警的要求為定時(shí)報(bào)警，不需要連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，其功耗較小。

2 感應(yīng)取能理論分析

利用電磁仿真軟件Ansoft Maxwell建立220 kV GIS模型，其罐體外殼直徑為354mm，壁厚10mm，母線導(dǎo)體半徑45mm。盤式絕緣子材料為環(huán)氧樹脂，由長(zhǎng)為5cm、寬為2cm的澆注孔澆注而成；SF6氣體相對(duì)介電常數(shù)為1.002；鋁外殼相對(duì)磁導(dǎo)率為1.000 000 65，電導(dǎo)率為2.618×105S/m。母導(dǎo)線施加的電流額定值為3 150 A，頻率為50 Hz。圖2為GIS盤式絕緣子外側(cè)周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度；圖3為垂直于感應(yīng)取能線圈橫截面的路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖2 盤式絕緣子外側(cè)周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖3 路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度

取能線圈兩端產(chǎn)生的交流電壓經(jīng)整流電路后可滿足超低功耗升壓充電器的冷啟動(dòng)電壓(330 mV)。同時(shí)，由式(2)可知，通過增加線圈匝數(shù)和截面積可提高取能線圈兩端的輸出電壓。

3 電源管理方案

3.1 電池充電管理

由于取能線圈電磁能轉(zhuǎn)化為電能時(shí)輸出較低，無法直接驅(qū)動(dòng)局放在線報(bào)警系統(tǒng)工作。因此，選用具有電池管理功能的用于能量采集應(yīng)用的超低功率升壓充電器BQ25504，可有效獲取和管理微瓦和毫瓦級(jí)的電能，電能來自感應(yīng)取能線圈。在BQ25504硬件電路原有功能的基礎(chǔ)上，采用LM2700升壓轉(zhuǎn)換器，將儲(chǔ)能元件的輸出電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的額定工作電壓。

圖4 臨界閾值電壓及其相對(duì)幅值

圖5為一定輸入功率下儲(chǔ)能電容電壓與電池良好電壓節(jié)點(diǎn)的關(guān)系圖。確定電池良好電壓信號(hào)的振蕩頻率就可以得出電池充電信號(hào)的接通、斷開時(shí)間。

圖5 儲(chǔ)能電容電壓與電池良好電壓節(jié)點(diǎn)的關(guān)系圖

在電源管理的設(shè)計(jì)方案中，主要考慮的是對(duì)負(fù)載、滯后電壓和儲(chǔ)能元件容量的選擇，電容最小值為4.7 μF，滯后電壓由充電電路中可控電阻確定。電池良好閾值電壓上、下限分別由式(9)～式(10)求得：

由此可知，通過選擇不同的電阻值，可以設(shè)置電池良好閾值電壓的上、下限，防止儲(chǔ)能元件(可充電電池)過度放電或充電而造成的損壞。

3.2 電池升壓管理

采用的充電電池在工作過程中，其電壓從3.7 V開始，并逐漸下降。而系統(tǒng)中的UHF傳感器和通信模塊的額定工作電壓為5 V，因此還需要設(shè)計(jì)一個(gè)升壓穩(wěn)壓電路，將電池的輸出電壓穩(wěn)定在5 V。電池輸出升壓電路采用TI公司的LM2700芯片，將輸出電壓設(shè)置為5 V，電池輸出截止電壓設(shè)置為2.7 V。當(dāng)電池內(nèi)的電壓低至2.7 V時(shí)，停止為在線報(bào)警系統(tǒng)供電。LM2700芯片采用PWM控制策略在連接負(fù)載的條件下調(diào)節(jié)輸出電壓，并且有專門的保護(hù)電路(例如熱關(guān)閉電路、欠電壓和過電壓保護(hù)電路)保證集成電路的正常運(yùn)行。其工作原理圖如圖6所示。

圖6 升壓穩(wěn)壓電路

4 電源功能驗(yàn)證

4.1 取能線圈輸出功率

由表1可知，在載流導(dǎo)體電流為1 000～3 150 A時(shí)，本文設(shè)計(jì)的取能線圈端的輸出電壓值滿足超低功耗充電器的輸入電壓值。取能線圈輸出功率隨負(fù)載的變化而變化，輸出功率最大值為 40.5 mW，達(dá)到充電器的正常充電功率范圍 10 μW～300 mW。

表1 Ia、Bmax與Emax的值

4.2 充電效率與升壓轉(zhuǎn)換效率

圖7 一定時(shí)，、與η的關(guān)系

圖7為輸入電壓0.5 V時(shí)，不同輸入電流下的充電效率，超低功耗充電器的輸入電流在0.01～100 mA之間時(shí)，充電效率最大可達(dá)到80%以上；而處于冷啟動(dòng)電壓狀態(tài)下，充電效率最大也能達(dá)到60%。

圖8為輸入電流10 mA時(shí)，不同輸入電壓下的充電效率。由圖7～圖8可知，在充電電器輸入電壓(電流)允許的范圍之內(nèi)具有較高的充電效率，達(dá)到超低功耗的工作要求。

圖8 一定時(shí)，、與η的關(guān)系

采用的主儲(chǔ)能元件為3.7 V的可充電鋰離子電池，而在線報(bào)警系統(tǒng)的正常工作電壓為5 V。因此，要滿足系統(tǒng)的工作要求，需通過LM2700升壓轉(zhuǎn)換器將電池的輸出電壓穩(wěn)定在系統(tǒng)的工作電壓范圍。同時(shí)，電池的過度放電有可能造成電池的永久性損傷。因此，升壓電路還需要負(fù)責(zé)對(duì)鋰電池的放電過程進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)鋰電池的工作電壓減小到一定值之后，升壓電路即關(guān)斷其輸出，防止電池過放。由測(cè)試可知，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載工作電流為200 mA時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換電路的效率接近于90%，電池電壓降到2.7 V時(shí)仍保持較高的轉(zhuǎn)換效率。因此，該電源可滿足在線報(bào)警系統(tǒng)的工作需求。

4.3 電源負(fù)載特性

采用的GIS局放在線報(bào)警系統(tǒng)為上電即啟動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)供電時(shí)刻即開始對(duì)局部放電信號(hào)傳感、對(duì)傳感器數(shù)據(jù)處理和發(fā)射報(bào)警信號(hào)，最后報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)[9]。從局放信號(hào)的傳感到報(bào)警信息的發(fā)出整個(gè)過程耗時(shí)約700 ms，通信模塊啟動(dòng)功率上升時(shí)間最大為10 ms，發(fā)射數(shù)據(jù)用時(shí)5 ms。報(bào)警系統(tǒng)的工作電壓為5 V，未發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)的工作電流為6 mA，則此時(shí)電源提供的功率為30 mW；發(fā)射報(bào)警信息時(shí)的工作電流為200 mA，則電源所提供的功率為1 W，那么發(fā)送一次報(bào)警信息系統(tǒng)所消耗的電能為25.85 mJ。

電源管理電路中儲(chǔ)能元件采用單節(jié)3.7 V的可充電鋰離子電池，容量為530 mAh，電池經(jīng)升壓轉(zhuǎn)換電路后，可大約為報(bào)警系統(tǒng)提供連續(xù)工作20.5 h所需的電能。同時(shí)，采用的在線報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到不需要連續(xù)工作，由單片機(jī)編程控制，每隔2 h連續(xù)工作3 min。因此，儲(chǔ)能元件內(nèi)的電能可以得到及時(shí)補(bǔ)充，為GIS局放在線報(bào)警系統(tǒng)提供可靠電能。

5 結(jié)論

本文根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在GIS盤式絕緣子外側(cè)放置感應(yīng)取能線圈，經(jīng)整流電路并結(jié)合具有電源管理功能超低功耗升壓充電器，將取能線圈感應(yīng)到的微瓦至毫瓦級(jí)的電能儲(chǔ)存于可充電鋰離子電池中，電池充電效率高，經(jīng)升壓轉(zhuǎn)換電路后輸出5 V穩(wěn)定的電源，為GIS局放在線報(bào)警系統(tǒng)提供可靠電能，具有較高實(shí)用價(jià)值。

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Research on self-power supply for GIS partial discharge online alarm system

In order to provide energy for GIS partial discharge online alarm system， a wireless draw-out power system was designed based on electromagnetic induction principle. Using draw-out power coil to induct power frequency magnetic field from the lateral disc insulator of GIS， and ultra-low power booster charger with battery management functions was applied to collect and manage induction power through the rectifier circuit， providing power to the system by the boost regulator circuit. Through theoretical analysis and software simulation， the feasibility of this solution was verified，effectively solving the problem of lower power from draw-out power coil which is unable to meet the system.The results show that this draw-out power supply can periodically provide sufficient energy for online alarm system.

partial discharge;induction power;power management;self-power supply;online alarm

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0869-04

2015-09-10

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(NCET-11-130)

葉衍林(1988—)，男，廣西省人，碩士，主要研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。