李武云，江 虹，何小利

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621000)

0 引言

目前，對(duì)于應(yīng)用在輸電線路高壓側(cè)或是高鐵接觸網(wǎng)的有源電子設(shè)備[1-3]，如電子式電流互感器、高壓線接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、高壓線積雪監(jiān)測(cè)裝置等，其能量供給是國(guó)內(nèi)外許多科研單位的研究重點(diǎn)。由于工作電壓范圍為10～110 kV,工作電流為數(shù)十安至數(shù)千安，許多智能化電子設(shè)備由于供電問題而無法安裝應(yīng)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(huán)境和天氣的影響，難以持續(xù)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(cè)傳到高電位側(cè)，再由光電裝換器將光能量轉(zhuǎn)換為電能量。該方式供能穩(wěn)定，但是目前國(guó)內(nèi)光電技術(shù)尚不成熟，成本較高。

從電力線本身取電是解決在線監(jiān)控供電設(shè)備的一個(gè)重要思路[5-7]，并且有著廣闊的應(yīng)用前景。高壓側(cè)一次母線電流變化范圍較大，電流最低時(shí)只有幾安，而有時(shí)瞬時(shí)故障電流則會(huì)達(dá)幾百安甚至上千安，情況較為復(fù)雜。因此，在電源設(shè)計(jì)需要解決如下問題。

①母線在電流變化范圍很大時(shí)，仍然能保證電源的供應(yīng)。

②母線在遠(yuǎn)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(xù)供電，保證監(jiān)測(cè)設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行供電要求。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)感應(yīng)取電方案，可以解決以上問題。

1 感應(yīng)取能基本原理

感應(yīng)取電利用電磁感應(yīng)原理，依靠電流互感器從高壓母線上感應(yīng)出交流電壓，經(jīng)過沖擊保護(hù)、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(jiān)測(cè)設(shè)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(jù)電磁理論相關(guān)知識(shí)[8]及互感器原理可知，互感器的二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值為：

(1)

式中：f為線圈激勵(lì)電流的頻率；N2為特制線圈的繞制匝數(shù)；Bm為鐵芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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(jìn)入磁飽和狀態(tài)。當(dāng)鐵芯磁飽和時(shí)，二次側(cè)電壓十分不穩(wěn)定，深度飽和時(shí)感應(yīng)電壓波形會(huì)發(fā)生畸變，變成尖峰脈沖，峰值可達(dá)數(shù)百伏，可能造成后端芯片的燒毀。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間工作在深度飽和狀態(tài)下也會(huì)導(dǎo)致線圈溫度升高，致使線圈燒毀。

根據(jù)磁路歐姆定律：

(2)

式中：φ為鐵芯中的主磁通；N為母線匝數(shù)，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(shì)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(chǎn)生過早飽和。

(3)

式中：L0為空氣氣隙的長(zhǎng)度;μ0為空氣器的磁導(dǎo)率。

由于空氣的磁導(dǎo)率相對(duì)于鐵芯的磁導(dǎo)率μ非常小，所以空氣氣隙產(chǎn)生的磁阻非常大。根據(jù)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(zhǎng)度為0.5 mm的空氣氣隙。

2 電源電路設(shè)計(jì)

2.1 電壓保護(hù)與能量泄放

為了防止瞬時(shí)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(lián)了一個(gè)瞬態(tài)抑制二極管(transient voltage suppressors,TVS)。TVS可以有效吸收由于鐵芯飽和而產(chǎn)生的高壓尖脈沖以及由于線路浪涌感應(yīng)輸出的沖擊電壓，從而保護(hù)后級(jí)電路。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用的TVS管型號(hào)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(huì)隨著母線電流的升高而升高，感應(yīng)電壓也較高。因此，需限制過電壓保護(hù)DC-DC模塊。電壓保護(hù)與能量泄放電路如圖2所示。

圖2 電壓保護(hù)與能量泄放電路

圖2中：D1為穩(wěn)壓二極管；Q1為大功率三極管。當(dāng)U≥20 V時(shí)，穩(wěn)壓二極管D1被擊穿，大功率三極管Q1進(jìn)入工作狀態(tài)，泄放多余能量。當(dāng)電壓U<20 V時(shí)，穩(wěn)壓二極管D1不會(huì)被擊穿，大功率三極管Q1不工作，則不會(huì)影響小電流情況下的電源正常工作。

2.2 超寬電壓DC-DC轉(zhuǎn)換

由于母線電流變化范圍較大，取能線圈感應(yīng)出的交流電壓經(jīng)過整流、濾波處理后，將得到一個(gè)較寬范圍的直流電壓。因此，選用的DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)當(dāng)在較大的輸入電壓范圍內(nèi)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。為此，選用了型號(hào)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(zhuǎn)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(jié)鋰電池充電。LP28056SPF充電過程分為預(yù)充、恒流充電和恒壓充電三個(gè)階段。在電池充滿電后，芯片將自動(dòng)停止對(duì)鋰電池充電，以防止鋰電池過充。該方案可有效延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

在試驗(yàn)室，搭建如圖3所示的試驗(yàn)平臺(tái)。

圖3 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

如圖3所示，在大電流發(fā)生器電源接入為220 V/50 Hz交流電，其輸出端可以通過調(diào)節(jié)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(chǎn)生的較大范圍的交流電。用電流互感器穿過電流發(fā)生器的輸出端，互感器的二次側(cè)輸出線連接取電電路板，整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)搭建完成。

在試驗(yàn)中，逐漸增大一次電流，在經(jīng)過整流電路、濾波電路后，測(cè)得直流電壓與輸入電流的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 直流電壓-輸入電流關(guān)系曲線

當(dāng)母線電流為10 A時(shí)，輸出直流電壓便可達(dá)45.5 V，啟動(dòng)電流較小。直流電壓將作為DC-DC穩(wěn)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(nèi)，DC-DC模塊都能穩(wěn)定輸出5 V直流電壓。當(dāng)母線電流大于300 A時(shí)，互感器實(shí)際感應(yīng)電壓較高，TVS將電壓鉗制在50 V左右。故在電流持續(xù)上升的情況下，電壓增大趨勢(shì)不大，對(duì)整流電路、DC-DC模塊電路起到了保護(hù)作用。

3.2 取能輸出功率測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的電源主要用于為安裝在輸電線或者接觸線上的監(jiān)測(cè)設(shè)備供電。監(jiān)測(cè)設(shè)備主要包含單片機(jī)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(yàn)室測(cè)試中，用大電流發(fā)生器模擬輸電線帶電情況，以電阻作為負(fù)載測(cè)試取電電路直流電源輸出功率。試驗(yàn)中，設(shè)置一次母線電流為600 A，測(cè)量不同負(fù)載的情況下電源的輸出功率。試驗(yàn)結(jié)果表明，接入50 Ω負(fù)載時(shí)，功率達(dá)到了480.2 mW，可以滿足監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電需求。

3.3 鋰電池充電試驗(yàn)

用大電流發(fā)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(duì)鋰電池的充電試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著母線電流的增大，取電裝置對(duì)鋰電池的充電電流也逐漸增大。

表1 鋰電池充電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文研究了高壓監(jiān)測(cè)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(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，DC-DC端均可得到穩(wěn)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(jiān)測(cè)設(shè)備的用電功率。該方案針對(duì)高壓環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了其他電源難以做到的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定供能，確保了電能的在線供給，是高壓線路監(jiān)測(cè)設(shè)備較為理想的電源。研究結(jié)果表明，電流互感器取能在高壓輸電線上的應(yīng)用是一個(gè)低成本、實(shí)用、可行的方案，解決了高壓側(cè)端監(jiān)測(cè)設(shè)備電源供給這個(gè)關(guān)鍵問題，在高壓和強(qiáng)電流的監(jiān)測(cè)設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。