吳俊鋒，劉維，楊峰

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司無(wú)錫供電分公司，江蘇 無(wú)錫 214072；2.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400100）

0 引 言

各電壓等級(jí)的輸電線路是電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一，線路的運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)整體的安全穩(wěn)定性具有重要影響。對(duì)輸電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)是保證線路平穩(wěn)運(yùn)行的重要技術(shù)手段。因線路監(jiān)測(cè)傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備均安裝于架空線附近，與線路一同保持高電位，受制于絕緣安全問(wèn)題，常規(guī)低壓電源通常不可使用。

針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種用于線路傳感器供電的自供能解決方案，包括太陽(yáng)能、激光供能、電場(chǎng)感應(yīng)供能、線路抽取電能等幾種形式，但均在可靠性、穩(wěn)定性方面存在不足。本文提出了一種貼裝式磁場(chǎng)取能線圈及其電源系統(tǒng)，可用于低功耗的導(dǎo)線監(jiān)測(cè)應(yīng)用，如導(dǎo)線溫度、振動(dòng)、電流監(jiān)測(cè)等。和傳統(tǒng)的CT式取能線圈結(jié)果相比，貼裝式取能線圈更適用于緊湊型的母線排結(jié)構(gòu)，能最大限度降低額外加裝的取能裝置對(duì)原有線路相間絕緣安全等方面的不利影響。

1 取能線圈工頻電磁感應(yīng)特性分析

本文提出了如圖1所示的貼裝式磁場(chǎng)取能線圈，該裝置直接貼合于母線排的上方或下方，在裝置上的矩形框架上繞制線圈，即可收集母線排周圍的磁場(chǎng)，從而感應(yīng)出電壓。在線圈后端連接能量管理電路，即可輸出穩(wěn)定的低壓直流電，給傳感器供電。

圖1 貼合式磁場(chǎng)取能裝置

本文首先對(duì)母線排周圍的磁場(chǎng)及該裝置能夠獲得的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。參考國(guó)家電網(wǎng)公司220 kV變電站典型設(shè)計(jì)A-1及GB 50149—2010電氣裝置安裝工程母線裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范，以220 kV變電站中35 kV高壓室進(jìn)線戶外母線排為例進(jìn)行分析計(jì)算。按照典型設(shè)計(jì)方案推薦值，母線排的走線直線長(zhǎng)度為11 m，三相對(duì)稱運(yùn)行，工作電流1 039 A，相 間距0.4 m，離地高度2.9 m進(jìn)行分析計(jì)算。以直母線排的走向?yàn)閦軸，母線排的橫截面置于xoy平面內(nèi)。本文設(shè)計(jì)的矩形線圈，其長(zhǎng)度方向平行于母排軸線，置于母排的上方或下方同側(cè)中央。在此條件下，穿過(guò)線圈的磁通為磁感應(yīng)強(qiáng)度分量對(duì)線圈面積的積分值。因此，有必要考察母排附近B分量的分布規(guī)律。

根據(jù)畢奧薩伐爾定律，采用MATLAB編寫程序，繪制出沿母線橋走向中點(diǎn)平面內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值分布如圖2所示。

圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx分量幅值分布圖

圖2色階顯示，B密集區(qū)域位于三相母排各自覆蓋的正下、正上方，對(duì)應(yīng)y軸[-0.1，0.1] m的矩形區(qū)域內(nèi)，最大值約為5 mT。為提高傳輸功率，通常希望增大線圈面積以交鏈更大數(shù)量的磁鏈。但圖2同時(shí)表明，可觀的磁感應(yīng)強(qiáng)度B分量?jī)H僅分布于上述密集區(qū)，在此區(qū)間外，磁場(chǎng)迅速衰減并逐漸趨于零。如若再行增大線圈尺寸將無(wú)法有效提升輸出電壓。

2 取能線圈暫態(tài)特性分析

2.1 雷電沖擊暫態(tài)電壓特性

變電站母線除傳導(dǎo)正常的送電電流外，還可能直接遭受雷擊或沿變電站進(jìn)線入侵的外部雷電流；當(dāng)系統(tǒng)某點(diǎn)出現(xiàn)短路故障時(shí)，母線上也可能流過(guò)幅值較大的短路電流。雷擊和短路事故下的母線暫態(tài)電流均可致使線圈耦合產(chǎn)生暫態(tài)電壓。

本文采用Ansoft Maxwell電磁場(chǎng)有限元分析軟件，利用其中的瞬態(tài)場(chǎng)分析模塊進(jìn)行雷電流及短路電流下取能線圈的暫態(tài)電壓分析計(jì)算。在母排上加載8 μs/20 μs、30 kA的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電流波形，仿真得出線圈在雷電流作用下的瞬態(tài)感應(yīng)電壓波形如圖3所示。

圖3 線圈雷電感應(yīng)暫態(tài)電壓波形

圖3表明，在所采用的雷電流波形下，取能線圈感應(yīng)的瞬態(tài)電振蕩幅值高達(dá)900 V，且呈現(xiàn)高頻振蕩特性，持續(xù)時(shí)間較短，在雷電流作用時(shí)間50 μs稍延后衰減完畢。暫態(tài)沖擊電壓幅值900 V已超過(guò)普通電子線路元件所能承受的正常電壓，將對(duì)后端電路造成嚴(yán)重?fù)p壞。因此，取能線圈與電源管理電路之間需要使用瞬變電壓抑止二極管（TVS）對(duì)取能電源中出現(xiàn)的雷電浪涌電壓進(jìn)行抑制。

2.2 短路電流暫態(tài)電壓特性

35 kV等級(jí)的變電站、開關(guān)站及配電站母線的短路電流控制水平通常為25 kA，以三相對(duì)稱短路為例進(jìn)行分析，短路電流的最大瞬時(shí)值在短路發(fā)生后約半個(gè)周期出現(xiàn)，取沖擊系數(shù)為1.9，加載的短路電流波形以及線圈感應(yīng)電壓波形如圖4所示。

圖4 橋排短路電流及線圈感應(yīng)電壓

從圖4可以看出因線圈的暫態(tài)感應(yīng)電壓與一次側(cè)暫態(tài)電流的幅值和上升沿陡度相關(guān)，短路電流雖然幅值較大，但由于其仍以工頻變化為主，因此，相較雷電沖擊電流而言，短路電流產(chǎn)生的暫態(tài)電壓并不十分嚴(yán)重，對(duì)于圖4中30 V左右的暫態(tài)電壓，能量管理芯片能夠利用自身的旁路泄流元件，將其鉗位至輸入上限。以上暫態(tài)分析計(jì)算表明，磁場(chǎng)取能線圈主要需要防護(hù)雷電流引起的持續(xù)時(shí)間短、高幅值、高陡度的瞬態(tài)振蕩電壓。

3 取能裝置的電源管理電路設(shè)計(jì)

3.1 取能設(shè)計(jì)

取能電源的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，其由取能線圈，前端浪涌保護(hù)，整流濾波，內(nèi)部過(guò)壓保護(hù)及DC/DC模塊組成。前述取能線圈輸出交變感應(yīng)電壓，需經(jīng)過(guò)電源管理模塊將其轉(zhuǎn)換為適用于負(fù)載的穩(wěn)定直流電，電源輸出電壓可設(shè)定為1.8 V，2.5 V，3.3 V，3.6 V四種檔位。

圖5 取能電源電路組成

本文采用具有超低功耗的微能量管理芯片LTC3588-1降壓型整流穩(wěn)壓模塊，其集成了上述所需的各功能，自身靜態(tài)損耗電流低至nA級(jí)，適用于各種取能方式下的高效能量管理。本文使用仿真軟件LTspice對(duì)基于LTC3588-1的電源管理模塊輸入輸出特性進(jìn)行了仿真。在仿真中，以ZigBee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)作為負(fù)載。ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)可視為周期性電流脈沖負(fù)載，采用脈沖電流負(fù)載模型對(duì)其進(jìn)行模擬，能量管理電路前端采用感應(yīng)電勢(shì)電壓源串聯(lián)線圈內(nèi)阻等效電路對(duì)取能線圈進(jìn)行模擬，

仿真結(jié)果表明，在選取的線圈參數(shù)及搭建的電源管理電路下，線圈輸出電壓能夠達(dá)到后續(xù)電源管理電路的門限值要求，并啟動(dòng)電路轉(zhuǎn)換功率。電源紋波波形顯示，當(dāng)負(fù)載進(jìn)入射頻階段時(shí)，消耗電流上升，電源轉(zhuǎn)換頻率也隨即上升，以穩(wěn)定輸出電壓不跌落。

3.2 整機(jī)帶載試驗(yàn)

本文通過(guò)帶載實(shí)驗(yàn)對(duì)磁場(chǎng)取能電源的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)中，將取能線圈、電源管理模塊、ZigBee溫度傳感器節(jié)點(diǎn)安裝于母線排下方，模擬35 kV母線正常負(fù)荷電流范圍，通過(guò)工頻大電流發(fā)生器向母排輸出400～1 000 A的工頻電流，測(cè)量電源模塊的輸出電壓、電流，并觀察傳感器節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)中觀察到取能電源成功啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)工作，傳感器節(jié)點(diǎn)連續(xù)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)回母線排的溫度信息。同時(shí)，用示波器實(shí)測(cè)電源系統(tǒng)的輸出電壓紋波和傳感器消耗的電流波形如圖6所示。輸出電壓在2.8 V～3.3 V之間波動(dòng)，平均電壓為3 V，紋波系數(shù)為8.2%。結(jié)合電流波形，可計(jì)算得出在傳感器一個(gè)周期內(nèi)消耗的功率為360 mW。該實(shí)驗(yàn)最終驗(yàn)證了本文提出的高電位磁場(chǎng)取能電源對(duì)線路狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)傳感器裝置供電具有可行性。

圖6 實(shí)測(cè)輸出電壓波形及負(fù)載電流

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種可貼裝于母線排上的高電位磁場(chǎng)取能電源。該電源更加輕便，便于安裝，不存在絕緣問(wèn)題，同時(shí)不會(huì)縮減相間安全距離，更適用于變電站和配電室中排列緊湊的三相母線排。仿真及帶載實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的高電位磁場(chǎng)取能電源能夠在母排電流為400 A～1 000 A的范圍內(nèi)為負(fù)載提供3 V的穩(wěn)定電壓，最大輸出功率為360 mW，具有一定的可行性和應(yīng)用前景。