曹雷，宋立風(fēng)，楊帆，鄒迪，魯松

（國(guó)家電網(wǎng)常德供電公司，湖南 常德 415000）

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，對(duì)于供電安全與可靠性的要求越來(lái)越高。通過(guò)智能化的監(jiān)控設(shè)備等對(duì)高壓輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)的監(jiān)控，如線路覆冰、斷線、懸垂幅度過(guò)大等故障及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，可以有效提升輸電線路運(yùn)行的可靠性，從而提高整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

當(dāng)前輸電線路監(jiān)控設(shè)備供電的方式包括干電池、光伏電池或者風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合供電、電容器分壓取能、激光無(wú)線傳能等多種不同的形式。

采用干電池直接供電的監(jiān)控設(shè)備，需要定期對(duì)設(shè)備更換處理，產(chǎn)生非常高的人力成本。采用光伏電池及風(fēng)光互補(bǔ)供電等供能方式，光照等天氣條件及配套的蓄電池老化等，會(huì)影響監(jiān)控設(shè)備供電的可靠性。電場(chǎng)感應(yīng)取能成本高昂且維護(hù)困難，激光無(wú)線傳能傳輸不穩(wěn)定，可靠性低。

隨著當(dāng)前無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，利用輸電線路的線路電流為能量發(fā)射源，采用帶磁芯的取能線圈通過(guò)對(duì)線路電流進(jìn)行取能，通過(guò)對(duì)鐵芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)解決裝置在一次故障大電流條件下的磁路飽和問(wèn)題，使得系統(tǒng)在一次電流大幅變動(dòng)的情況下，二次系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的電壓輸出，為輸電線路的監(jiān)控裝置提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。

1 取能裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

感應(yīng)耦合原理取能的線圈結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1所示，輸電電流從電線流過(guò)時(shí)，在周邊產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，電能拾取線圈通過(guò)感應(yīng)耦合方式獲得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，整個(gè)裝置構(gòu)成一個(gè)原邊線圈為1匝的變壓器。在高壓輸電線路正常工作時(shí)，可將其等效成恒定電流源形式，即在相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間范圍內(nèi)，其線路電流保持恒定。

圖1 高壓輸電線路感應(yīng)耦合取能原理

I1為輸電線路的電流，RL為電路等效負(fù)載。根據(jù)電磁學(xué)理論，取電裝置二次側(cè)繞組感應(yīng)電壓幅值E2為：

式中，f是工頻電流頻率，磁感應(yīng)強(qiáng)度與CT磁芯的橫截面積、磁芯的疊片系數(shù)等相關(guān)。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律及安培環(huán)流定律，可以得到二次側(cè)輸出電壓幅值E2為：

空載時(shí)，取電裝置的輸出電壓幅值與副邊線圈匝數(shù)、磁芯尺寸和磁導(dǎo)率、輸電線電流的大小有關(guān)。帶負(fù)載工作時(shí)，取電裝置將輸電線上的大電流轉(zhuǎn)換為小電流，將二次側(cè)繞組的電阻和漏感以及等效負(fù)載等參數(shù)歸算到一次側(cè)后，得到取電裝置的等效計(jì)算電路圖。圖中R1、L1為輸電線的電阻和漏感；Rm、Lm表示磁芯的磁滯損耗引起的電阻和勵(lì)磁電感；R2′、L2′、E2′、I2′、XL′、U2′分別二次側(cè)繞組的電阻R2、漏感L2、感應(yīng)電壓E2、電流I2、等效負(fù)載X?L和其兩端電壓降U2折算到一次側(cè)的值。

如圖2所示，負(fù)載兩端電壓降U2′為

圖2 取電裝置的等效計(jì)算電路圖

因此，取電裝置二次側(cè)感應(yīng)電壓為：

2 AC-DC電能變換裝置及工作原理

在感應(yīng)取能電路的基礎(chǔ)上，采用鋰電池進(jìn)行蓄能，設(shè)計(jì)穩(wěn)定輸出13.7V電壓的供電裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。CT取電系統(tǒng)包括取電CT、半有源整流電路、穩(wěn)壓模塊及鋰電池充放電模塊，利用兩個(gè)繼電器位置控制取電裝置各種供電狀態(tài)的切換，實(shí)現(xiàn)各種工況下電源的供電。交流電壓輸入后，主控單元通過(guò)對(duì)輸入進(jìn)行相位和電壓檢測(cè)，通過(guò)控制PWM占空比控制輸出電壓，使其穩(wěn)定在13.7V。

圖3 取能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)高壓輸電線路截流過(guò)大時(shí)引起系統(tǒng)的取能鐵芯飽和等系列問(wèn)題，本部分設(shè)計(jì)后級(jí)電能處理電路，如圖4所示。輸電線路上電流的波動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致取電CT輸出的能量也是不穩(wěn)定的。電流較大時(shí)，可以滿足負(fù)載的需求。但是，小電流甚至電流降為0時(shí)，利用鋰電池額外供電。因此設(shè)置取電裝置的2種工作模式。

圖4 取電裝置工作過(guò)程示意圖

第一種：輸電線路電流較大時(shí)，取電裝置獲取的能量可以為線路監(jiān)測(cè)設(shè)備供電以及對(duì)鋰電池充電，儲(chǔ)存能量。

圖5 工作模式1

第二種：輸電線路電流降低時(shí)，取電裝置獲取的能量較小，鋰電池與取電裝置共同為線路監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電，從而保證供電的穩(wěn)定性。

圖6 工作模式2

本文利用設(shè)計(jì)反激拓?fù)渲绷髯儞Q電路，輸出穩(wěn)定的13.7V電壓，可以有效地保證工作效率，并且實(shí)現(xiàn)輸出與輸入電路之間絕緣隔離，保證安全。如圖7所示為反激變換器的工作原理圖，其中Vin、Vout為直流變換器的輸入、輸出電壓；T1為變壓器，一次和二次繞組極性相反；K為開(kāi)關(guān)管。

圖7 直流穩(wěn)壓控制電路圖

3 系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的控制過(guò)程，提出了無(wú)線取能系統(tǒng)的控制流程，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

研制無(wú)線取能裝置樣機(jī)，如圖9所示。將直流電源斷開(kāi)，使Req=43Ω，改變模型中的電流源幅值I1模擬輸電線電流變化，驗(yàn)證空芯線圈取電系統(tǒng)在不同輸電線電流下的輸出功率。

圖9 系統(tǒng)測(cè)試圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高壓輸電線路監(jiān)控設(shè)備的電源供應(yīng)問(wèn)題，提出了一種利用感應(yīng)耦合原理的取電設(shè)施與控制電路。利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的鐵芯結(jié)構(gòu)，克服一次大電流情況下的鐵芯飽和效應(yīng)，采用雙取能線圈結(jié)構(gòu)與輸出電壓穩(wěn)定電路，在取能線圈處獲得穩(wěn)定輸出的直流電壓，理論分析與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)等證明了取能電源系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的裝置利用輸電線路的輸電電流為一次電源，設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本節(jié)省，免維護(hù)或少維護(hù)。缺陷在于當(dāng)輸電線路故障等原因造成供電中斷時(shí)，裝置的附帶電池等只能提供短時(shí)長(zhǎng)的持續(xù)供電，取電裝置將不能獲得電源供應(yīng)。

表1 裝置測(cè)試結(jié)果