陳凱

(廣東電網(wǎng)有限責任公司湛江供電局，廣東 湛江 524005)

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高壓輸電線路在線監(jiān)測裝置供能電源的研制

陳凱

(廣東電網(wǎng)有限責任公司湛江供電局，廣東 湛江 524005)

摘要：為解決高壓輸電線路在線監(jiān)測裝置的供電問題，研制了一種新的電源供電方法：通過電流互感器線圈從輸電輸路上獲取電能，采用控制電路控制后端儲能電路的通斷，為負載提供穩(wěn)定的3.4 V直流電能，有效地解決了高壓線路的電子設備的電源問題。基于此設計研制的電源經(jīng)測試表明，該方法能在導線電流50～1 000 A范圍提供安全穩(wěn)定的電能，電源還設計了提高電源可靠性的措施，在線路遭受雷擊或短路時可實現(xiàn)自我保護。

關鍵詞：高壓輸電線路；在線監(jiān)測裝置；取能線圈；控制電路；可靠性設計

動態(tài)增容系統(tǒng)是通過實時監(jiān)測氣象條件、導線溫度等參數(shù)來提高現(xiàn)有輸電線路的短時輸送容量。由于在線監(jiān)測裝置直接安裝在高壓輸電線路上，因此電源供電問題是在線監(jiān)測裝置穩(wěn)定運行的關鍵,研究該問題具有重要的實用價值。

目前輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)供能的主要方式有電流互感器(current transformer, CT)取能、電容分壓器取能、激光供能、超聲波供能、太陽能和蓄電池聯(lián)合供能等，其中應用最多的供電方式是太陽能和蓄電池聯(lián)合供能[1-2]，但該方式受氣候條件影響較大，且缺乏長期免維護能力；激光供能在電子電流互感器和有源型光學電流互感器上得到了應用[3-4], 但效率低下，壽命較短，價格昂貴；電容分壓器取能就是利用電容器從高壓線路上取得能量，但取得的功率有限，穩(wěn)定性和可靠性較差[5]；最有發(fā)展前景的供電方式是利用CT取能，在輸電線路上套裝CT，感應交流電壓，實現(xiàn)隔離式供電。本文設計了一種CT高壓側取能電源，且通過試驗驗證了可行性。

1取能電源的設計原理

取能電源的工作原理如圖1所示。

圖1　取能電源原理結構

從圖1可知，CT取能的基本原理是利用法拉第電磁感應定律，在導線電流50～1 000 A范圍內,通過 CT從高壓輸電線路上感應出交流電壓，然后經(jīng)過整流濾波、電壓控制模塊和DC-DC模塊，輸出3.4 V穩(wěn)定直流電壓，為高壓側在線監(jiān)測設備提供電能。

2取能電源的設計原理介紹

2.1取能線圈的理論分析

根據(jù)電磁理論的相關知識[6-7], 空載時取能線圈二次側電壓有效值

(1)

式中：E2為二次側磁感應電動勢有效值；f為勵磁電流頻率；N2為二次側匝數(shù)。磁通量幅值

(2)

式中：Bm為飽和磁感應強度峰值；k為疊片系數(shù)；S為磁心橫截面積。

根據(jù)安培環(huán)路定律，

(3)

式中：Hm為磁場強度幅值；l為平均磁路長度；Im為勵磁電流，等于一次側的空載電流；N1為一次側的繞組匝數(shù)，這里取1。飽和磁感應強度峰值Bm和磁場強度峰值關系為

(4)

式中：μ0為真空磁導率；μr為磁心相對磁導率。

由式(1)至(4)可得

E2=4.44fN2Φm=4.44fN2×

(5)

由式(5)可知，取能線圈二次側感應輸出電壓E2與一次側勵磁電流Im有關，與二次側電流無關。

文獻[8]和試驗結果表明,勵磁電流較大時，磁心深度飽和，二次側感應電壓波形發(fā)生嚴重畸變，如圖2所示，該尖頂脈沖幅值高達176 V，對后續(xù)電路的耐壓提出了很高要求。為解決該問題，曾有人采用給磁心開氣隙方式[9]、反饋補償控制式[9]、變比切換等方法[10]調節(jié)磁通大小，收到一定的效果，但元器件數(shù)目多結構復雜，不利于電源長期低功耗可靠運行。

圖2　深度飽和時磁心的二次側開路電壓實測波形

2.2電壓控制電路

通過前面的分析可知，當輸電線路的載流量大于一定值時，CT磁心將進入飽和狀態(tài)，CT取能線圈二次側感應電動勢將變成尖頂波形，幅值遠超過DC-DC電路的允許輸入電壓，會損壞DC-DC電路，因此須采取措施來控制DC-DC的輸入電壓。根據(jù)文獻[11]中磁性材料磁化曲線可知，要使CT磁心處于非飽和狀態(tài)，只要使勵磁電流Im小于飽和勵磁電流即可。由式(5)可知，當磁心材料、尺寸和二次繞組匝數(shù)N2確定時，CT取能線圈二次側感應輸出電壓E2只與勵磁電流Im有關，因此采取措施控制CT取能線圈的二次側輸出電壓，將磁心的勵磁電流Im限制在非飽和范圍內，從而使磁心處于非飽和狀態(tài)。為此，通過電壓控制電路，將DC-DC電路的輸入電壓控制在允許范圍內，并使磁心處于非飽和狀態(tài)，防止磁心在深度飽和時振動和發(fā)熱。電壓控制電路如圖3所示。

圖3　電壓控制電路

從圖3可知，電壓控制電路主要是由N型金屬-氧化物-半導體(metal-oxid-semiconductor，NMOS)管T1、儲能電容C(其值為C)和單片機測量控制電路組成?？刂茰y量電路是由可編程計數(shù)器列陣的單片機構成，其作用是監(jiān)測儲能電容C兩端的電壓UC(其最大、最小電壓分別為Umin、Umax)，根據(jù)UC控制T1的通斷，把電容C兩端電壓控制在合理的范圍內，使磁心處于非飽和狀態(tài)，即設UC的正常工作范圍為Umin～Umax，當UC>Umax時，單片機輸出高電平信號導通T1，CT取能線圈輸出短路，多余的電能通過T1泄放，由儲能電容C為負載供電，電容C為負載供電電壓降低；當UC

電壓控制電路控制CT取能線圈二次側輸出電壓，并使DC-DC電路的輸入電壓保持在允許范圍內，取消了蓄電池及其復雜的充放電電路，提高了電路的壽命，降低了電路的體積。

2.3前端保護設計

輸電線路遭受雷電沖擊或出現(xiàn)短路時，取能線圈上將感應出極大的電流，沖擊電流對取能電源的影響主要有兩種：電氣沖擊與力學沖擊，一方面，取能線圈會感應出瞬態(tài)高電壓；另一方面，沖擊電流產(chǎn)生巨大電動力會毀壞磁心線圈[12]。

本文采用大功率瞬間抑制二極管TVS1和電壓控制電路配合來實現(xiàn)雷電流、短路電流保護。設計原理如圖3所示，T1采用大功率的NMOS管，當線路遭受雷擊或短路時，若T1處于導通狀態(tài)，單片機控制T1保持導通，取能線圈感應輸出的浪涌沖擊電流通過VD1和T1泄放，從而不產(chǎn)生危險的過電壓；若T1處于斷開狀態(tài)，取能線圈感應輸出的浪涌沖擊電流導致儲能電容C的電壓瞬間升高，當電容C兩端電壓超過瞬間抑制二極管TVS1的擊穿電壓時，TVS1以10-12s數(shù)量級的時間內將兩端的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗狗湃∧芫€圈感應輸出的浪涌電流，有效地保護后面的電路元件。隨著浪涌沖擊電流的衰減，TVS1兩端的電壓也不斷下降，最后恢復到初始高阻抗狀態(tài)。

為降低電磁場的干擾以提高取能電源的可靠性，經(jīng)計算，取能電源設計厚度為3 mm的鐵質電磁屏蔽盒，在磁心和繞組間填充柔軟的緩沖層以減弱電動力的影響。

3實驗結果與分析

本設計采用Ferroxcube公司生產(chǎn)的型號為U93的Mn-Zn鐵氧體U型磁心，通過理論計算和試驗驗證，確定線圈匝數(shù)為400匝，漆包線直徑為1 mm，可經(jīng)過特殊設計的外殼套裝在輸電線路上,繞制好的磁心如圖4所示。

圖4　Mn-Zn鐵氧體U型磁心的繞制

3.1取能線圈的輸出功率測試

本電源負責向在線監(jiān)測裝置中單片機電路、溫度傳感器和通用分組無線服務技(general packet radio service,GPRS)模塊提供電能，上述各模塊對電壓和電流的需求參見表1(CT取能線圈必須提供216 mW以上的電能)。

表1監(jiān)測裝置各部件的功率需求

模塊電源電壓/V電源電流/mA數(shù)量溫度傳感器3.0～5.5<1.58GPRS3.0～4.8151單片機2.7～3.6501

GPRS—通用分組無線服務技術, general packet radio service的縮寫。

使用大電流發(fā)生器模擬輸電線路帶電狀態(tài)，測試CT取能線圈在啟動電流50 A時，是否有足夠的輸出功率。用可變電阻R(其值為R)模擬負載的變化，測量不同負載時線圈的實際輸出功率，如圖5所示。

圖5　取能線圈二次側輸出功率曲線

從圖5可看出，取能線圈的輸出功率與負載有關。當升流器輸出電流I1=50 A、負載電阻R=47 Ω時，取能線圈輸出功率為220 mW；當R=150 Ω時，功率可達653 mW，可為各模塊提供足夠的電能。

3.2取能電路的發(fā)熱特性測試

為了在線監(jiān)測設備正常工作，取能電源需在母線電流50～1 000 A范圍內長期低功耗運行。CT取能線圈的輸出電流主要通過VD1和T1，因此VD1和T1的發(fā)熱情況不容忽視，為此，搭建了由大電流發(fā)生器和鉑電阻溫度傳感器組成的測試平臺，對所選型號的VD1和T1的發(fā)熱狀況進行測試。用可變電阻R模擬負載，大電流發(fā)生器分別輸出600 A、800 A和1 000 A電流，各電流檔持續(xù)運行120 min，環(huán)境溫度為30.3 ℃，在電阻R=47 Ω和R=150 Ω時，T1和VD1的溫度見表2，在正常工作電流范圍內，各管子的溫度較低。

表2不同電流、電阻下，T1和VD1的溫度統(tǒng)計

3.3取能電源的輸出性能測試

基于上述參數(shù)設計出的取能電源，DC-DC電路的輸入電壓和T1控制信號曲線趨勢如圖6所示。圖6中的方波波形B為單片機測量控制電路輸出信號；鋸齒波波形A為儲能電容C兩端的電壓，電容C兩端電壓的下限Umin=8.0 V、上限Umax=12.0 V。當UC>12.0 V時，單片機輸出高電平信號導通T1，CT取能線圈輸出短路，多余的電能通過T1泄放，由儲能電容C為負載供電，負載供電電壓降低；當UC<8.0 V時，單片機輸出低電平信號斷開T1，整流電路輸出的電能直接為負載供電并且給儲能電容C充電，電容C兩端電壓逐漸升高。

圖6　取能電路的輸出電壓波形

表3為輸電線路電流I1為50～1 000 A時，DC-DC的正常輸入電壓最大值Umax、最小值Umin和輸出電壓值Uout。

表3DC-DC電路輸入輸出電壓值

I1/AUmax/VUmin/VUout/V5012.07.93.3920012.18.13.4040012.08.23.4260012.28.13.3980012.18.23.38100012.28.23.40

由測試可知，經(jīng)過電壓控制電路之后輸入到DC-DC模塊的電壓為8.0～12.0 V，經(jīng)過DC-DC模塊可輸出穩(wěn)定的3.4 V電壓。取能電源的啟動電流為50 A，在50～1 000 A的線路電流范圍內能低功耗長期穩(wěn)定運行。

4結論

針對現(xiàn)有取能電源設計中存在的磁心容易飽和、熱耗大、結構復雜等問題，本文提出一種新的取能線圈設計方法。采用電壓控制模塊和高效率的DC-DC模塊，能夠降低電源電路電能損耗，使取能電源在導線電流50～1 000 A范圍內正常工作，該設計的取能電源已成功運用于高壓輸電線路導線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，供電穩(wěn)定可靠。

電源的可靠性是實用化的保障, 本文在機械設計和前端沖擊保護設計2個方面提高電源的可靠性，抑制導線電流增大給電源造成的過壓,在線路遭受雷擊或短路時可自我保護。

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陳凱(1988)，男，廣東湛江人。工學碩士，主要研究方向為高壓輸電線路在線監(jiān)測。

(編輯王夏慧)

Research and Development of Power Supply for Online Monitoring Devices of High Voltage Power Transmission Lines

CHEN Kai

(Zhanjiang Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Zhanjiang, Guangdong 524005, China)

Abstract：In order to solve the problem of power supply for online monitoring devices of high voltage power transmission lines, a kind of new method for power supply is developed, which could provide stabile 3.4 V direct current electric energy for load and effectively solve the problem of power supply for electronic equipments of high voltage lines by using current transformer coils to acquire electric energy on power transmission lines and using control circuits to control on-off of the rear-end energy storage circuit. Testing on the power supply based on this design indicates that this method could provide safe and stable electric energy within the range of 50～1 000 A conductor current. Meanwhile, it also designs measures for improving reliability of power supply which could realize self protection at the time of lightening stroke or short-circuit faults.

Key words：high voltage power transmission line; online monitoring device; draw-out power coil; control circuit; reliability design

作者簡介：

中圖分類號：TM751

文獻標志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)02-0121-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.024

收稿日期：2015-07-31修回日期：2015-10-27