楊翔云

摘要：人們生活水平的提高，用電需求的不斷增多，促進(jìn)了我國電力產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。隨著科技與經(jīng)濟(jì)的快速進(jìn)步和發(fā)展，智能電網(wǎng)的普及，輸電線路的電壓等級也在不斷的提高。為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視和測量線路的運(yùn)行情況及線路的運(yùn)行參數(shù)，越來越多的監(jiān)測裝置和電子設(shè)備安裝在輸電線路中，進(jìn)而提高電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。本文就高壓輸電線路監(jiān)測設(shè)備感應(yīng)電源設(shè)計(jì)展開探討。

關(guān)鍵詞：電流互感器;感應(yīng);電源;高壓母線;穩(wěn)壓處理

引言

隨著國家智能電網(wǎng)工作的展開及電壓等級的不斷提高，大量的監(jiān)測裝置將會安裝在輸電線路中。在高電壓、強(qiáng)磁場的環(huán)境中，穩(wěn)定可靠的電源供給是裝置有效運(yùn)行的關(guān)鍵。

1電磁感應(yīng)定理

因回路磁通量的變化而產(chǎn)生的電動(dòng)勢叫感應(yīng)電動(dòng)勢，用表示。感應(yīng)電動(dòng)勢可以在非導(dǎo)體回路中產(chǎn)生，盡管此時(shí)無感應(yīng)電流，感應(yīng)電流只是回路中存在感應(yīng)電動(dòng)勢的對外表現(xiàn)。感應(yīng)電動(dòng)勢與磁通量之間的定量關(guān)系稱為法拉第電磁感應(yīng)定理：通過回路所包圍面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢與磁通量對時(shí)間的變化率成正比，關(guān)系式為

式中的負(fù)號表示感應(yīng)電動(dòng)勢總是反抗磁通的變化。對于N匝回路，表達(dá)式中磁通量應(yīng)該用整個(gè)回路的磁通量匝數(shù)取代，寫為

2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（directcurrent-directcurrent，DC-DC）變化等電路，即可從高壓母線上得到監(jiān)測設(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。

根據(jù)電磁理論相關(guān)知識及互感器原理可知，互感器的二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢有效值為：

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)，長時(shí)間工作在深度飽和狀態(tài)下也會導(dǎo)致線圈溫度升高，致使線圈燒毀。根據(jù)磁路歐姆定律：

3感應(yīng)取電電源研究進(jìn)展

感應(yīng)取電電源的原理與電流互感器原理相仿，但在實(shí)際的應(yīng)用中也有些許的不足之處：感應(yīng)取電電源的取能磁芯材料如果選用不當(dāng)就易存在磁飽和問題;當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)較大，母線中出現(xiàn)雷電沖擊電流或者短路故障時(shí)，會使感應(yīng)裝置的輸出電壓出現(xiàn)偏差甚至取能失效;隨著特高壓的發(fā)展，電壓等級的升高，必須加強(qiáng)取能裝置的絕緣難度，致使其構(gòu)造更加復(fù)雜，提高了成本等。1993年，英國的Holme，sR和Pilling}VA等學(xué)者研制了一套利用液晶作為調(diào)制器的傳光式和壓頻轉(zhuǎn)換式電流互感器。通過調(diào)制光色，再檢測光信號的不同色度，測得電流值，電壓值的獲得主要由壓頻轉(zhuǎn)換單元來實(shí)現(xiàn)。2003年，聶一雄、尹項(xiàng)根等華中科技大學(xué)的學(xué)者介紹了一種懸浮式直流電源，主要是針對光電式互感器。使用冷軋硅鋼片制作成的圓型取能鐵芯，引入補(bǔ)償線圈的方式來改善大電流時(shí)對輸出感應(yīng)電壓的制約，這種直流電源工作范圍較寬、輸出功率很大，滿足了一般情況的輸出要求。2006年，湖南大學(xué)的胡彬、周有慶等學(xué)者討論了一種線路取能電源，與懸浮式直流電源類似，增加了補(bǔ)償線圈，但取能磁芯的材料是非晶體材料，實(shí)現(xiàn)了對輸電線路負(fù)荷電流變動(dòng)寬，后端控制電路功耗要求大等問題的解決。2009年，南瑞公司的彭韜和尹春等研制了滿足母線電流在18A以上時(shí)，能夠可靠輸出3.69V電壓的取電電源。增加了線圈匝數(shù)補(bǔ)償方式，取能磁芯是鐵基納米晶材料制成。2012年重慶大學(xué)周健瑤，熊蘭等研制了一種與超級電容和鏗電池相配合的CT取能電源。該取能電源可以滿足線路電流在800A以內(nèi)，取能鐵芯不會飽和，取能電源可以輸出SV直流電壓，2.5W的功率。

4感應(yīng)取電電源供能的方式

（1）直接供能：單純采用感應(yīng)取電電源方式，電源結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)處理電路后為后端設(shè)備供電，這是最常用的方式。（2）間接供能：感應(yīng)取電電源主要負(fù)責(zé)給蓄電池或者超級電容器充電，由蓄電池或超級電容器輪換供電。（3）以感應(yīng)取電為主的組合式供能：感應(yīng)取電供能配合激光供能、蓄電池供能、太陽能供能等。在一定母線電流范圍內(nèi)，由感應(yīng)取電電源供能。在母線小電流或斷電情況下，其它供能方式發(fā)揮作用。

5電源電路設(shè)計(jì)

（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（transientvoltagesuppressors，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)后級電路。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用的TVS管型號為1.5KE51CA，在尖峰脈沖電壓情況下，可以將脈沖電壓控制在51V左右。整流濾波后的電壓會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1中：D1為穩(wěn)壓二極管;Q1為大功率三極管。當(dāng)U≥20V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<20V時(shí)，穩(wěn)壓二極管D1不會被擊穿，大功率三極管Q1不工作，則不會影響小電流情況下的電源正常工作。

（2）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)停止對鋰電池充電，以防止鋰電池過充。該方案可有效延長鋰電池的使用壽命。（3）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13～380V直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為5V的直流電壓輸出，最大輸出電流為200mA。

結(jié)語

電池供能的原理是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，對比其他供能方式的突出優(yōu)勢是良好的穩(wěn)定性。電池作為最傳統(tǒng)的供電電源，在耗能低的監(jiān)測裝置和電子設(shè)備中仍然有著廣泛的使用，甚至能夠持續(xù)正常工作長達(dá)幾年。良好的供電電源是保證輸電線路在線監(jiān)測裝置可靠運(yùn)行的先決條件，保證監(jiān)測技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用急需解決的問題之一。

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