基于電子式PT取電和超級(jí)電容儲(chǔ)能的配電設(shè)備供電系統(tǒng)

覃宗濤　鐘東　陳秋明

摘 要：該文首先對(duì)現(xiàn)階段配網(wǎng)系統(tǒng)目前供電方式進(jìn)行簡要分析，然后根據(jù)目前各種供電方式存在的問題提出了相應(yīng)的解決方案，并提出了通過電子式PT取電與超級(jí)電容儲(chǔ)能的配電設(shè)備電源解決方案，并通過實(shí)驗(yàn)證明該電源解決方案的可行性與有效性。此類供電方式由于受到天氣因素影響，特別是南方陰雨天氣較多，導(dǎo)致過長時(shí)間太陽能電池?zé)o法進(jìn)行正常取電輸出，設(shè)備僅靠鉛酸電池[1]或鋰電池進(jìn)行供電，而在儲(chǔ)能方面，我們通過采用充電時(shí)間短、使用壽命長的超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)電，取代了原有易受環(huán)境影響的鉛酸電池或鋰電池，保障設(shè)備用電的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) 電源 電子式PT 超級(jí)電容

中圖分類號(hào)：TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（a）-0062-03

這里該研究者提出一種不論在取電還是儲(chǔ)電方面都比現(xiàn)有供電方式更加穩(wěn)定可靠的供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過配網(wǎng)線路中常用的電子式PT[2]（電壓互感器）進(jìn)行取電，由于電子式PT是通過獲取10kV線路上的能量進(jìn)行供電，可以保證供電時(shí)不受陰雨天氣影響，取電方面有了極大的保障。目前配電線路故障檢測(cè)系統(tǒng)中，通信終端部分設(shè)備用電絕大部分均采用太陽能電池與鉛酸電池或鋰電池方式進(jìn)行供電。由于電子式電壓互感器二次端本身能提供一個(gè)0-5V左右的電壓，而目前市面上一些配電通信終端一般也是低電壓低功耗運(yùn)行，僅需幾伏的電壓信號(hào)和極小的功率就能滿足其電源需求，而電子式電壓互感器能很好滿足這一要求。作為傳統(tǒng)電磁式電壓互感器理想的換代產(chǎn)品，將給電力測(cè)量、保護(hù)和供電領(lǐng)域帶來革命性變革。將電子式電壓互感器應(yīng)用于配電智能通信終端設(shè)備中，將全面提升產(chǎn)品的使用壽命及供電可靠性。

1 取電裝置電子式電壓互感器介紹

電子式電壓互感器一般是應(yīng)用在計(jì)量裝置、繼電保護(hù)或測(cè)量儀表等方面，電子式電壓互感器主要是通過精密電容組成電子式電壓互感器，互感精度主要由電容器分壓精度決定，電容器分壓原理見圖1。

C1，C2分別為電容的高、低壓側(cè)，U1為一次電壓，Uc1、Uc2為分壓電容上的電壓。由于C1，C2串聯(lián)，所以：

U1=Uc1+Uc2

Uc2=C1/（C1+C2）xU1=KU1

K=C1/（C1+C2）

其中，K為電容的分壓比，只要選擇合適的C1和C2電容容量，便可得到所需分壓電壓比，由于電壓比可通過電容容量控制，所以二次電壓可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)在0-5V之間，很容易與二次智能化設(shè)備接口，滿足當(dāng)代智能化、數(shù)字化二次終端、保護(hù)的需求，又因其沒有鐵芯，因而從根本上消除了產(chǎn)生鐵磁諧振的危險(xiǎn)。

2 儲(chǔ)能元件超級(jí)電容介紹

由于配電設(shè)備一般都帶有通訊和停電后故障指示功能，電源系統(tǒng)還需加入儲(chǔ)能單元。超級(jí)電容[3]，又名電化學(xué)電容器，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲(chǔ)存電能。其基本原理[4]和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。

對(duì)比鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等傳統(tǒng)電池，超級(jí)電容具有節(jié)能、超長使用壽命、安全、環(huán)保、寬溫度范圍、充電快速、無需人工維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。之所以叫超級(jí)電容，是因?yàn)槌?jí)電容的容值都是法拉級(jí)的，且可以很快提供一個(gè)充放電，這是傳統(tǒng)的電容或者電池做不到的。

電池的充放電大概在1h到10h左右，而傳統(tǒng)電容是作為濾波使用的，充放電是在0.03s，但是超級(jí)電容就在1秒左右，基本上是從0.1s到10s，超級(jí)電容是用物理的方法儲(chǔ)能，電池是用化學(xué)反應(yīng)的方法來儲(chǔ)能，所以電池的反應(yīng)時(shí)間會(huì)很長，超級(jí)電容可以快速的充放電，這是它的根本原因，也是超級(jí)電容的性能優(yōu)勢(shì)之所在。

傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)是使用鉛酸電池，鉛酸電池一般使用環(huán)境溫度為：-30℃～60℃，在超過環(huán)境下使用時(shí)，溫鉛酸電池的容量及壽命將受到很大影響。而超級(jí)電容可以工作在在-40℃～65℃之間，可以覆蓋PC -20℃～60℃的工作溫度范圍和電池0℃～50℃的工作溫度。超級(jí)電容是功率密集元件，其使用壽命是非常長的，循環(huán)充放電次數(shù)可以達(dá)到10～50萬次[4]。

3 電源整體設(shè)計(jì)

基于電子式PT取電和超級(jí)電容儲(chǔ)能的配電設(shè)備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)拓?fù)鋱D（如圖2）。

3.1 前端保護(hù)整流及穩(wěn)壓電路

通過上述對(duì)電子式電壓互感器原理的分析可知，其取電原理是通過電容串聯(lián)分壓方式進(jìn)行取電，取電電壓與C1，C2比值有關(guān)，但是由于C1，C2是串聯(lián)接入到10kV線路中，二次端仍然存在安全隱患，并且考慮到線路的其他不穩(wěn)定因素影響，必須對(duì)二次端輸出的低壓交流信號(hào)進(jìn)行隔離保護(hù)。在這里通過小型隔離變壓器對(duì)二次端電壓進(jìn)行隔離，然后通過保護(hù)性元件壓敏電阻及TVS管進(jìn)行過壓保護(hù)，具體電路見圖3。

3.2 充電電路設(shè)計(jì)

由于超級(jí)電容的內(nèi)阻比其他類型電池內(nèi)阻低，在對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電時(shí)，初始充電電流非常大，如采用普通充電電路對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電可能導(dǎo)致充電電路無法正常工作。這里采用Linear公司生產(chǎn)專門為超級(jí)電容設(shè)計(jì)的充電管理芯片LTC3225進(jìn)行充電電路設(shè)計(jì)。該芯片是一款可編程超級(jí)電容充電器，專為兩個(gè)2.8V～5.5V串聯(lián)使用的超級(jí)電容電池進(jìn)行充電而設(shè)計(jì)，芯片具有自動(dòng)單元平衡處理可防止任一個(gè)超級(jí)電容器遭受過壓損壞，不必專門設(shè)計(jì)平衡電阻器。詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)如下：

LTC3225是通過芯片內(nèi)的電荷泵來進(jìn)行電容充電，見上圖1所示，在芯片外部接有快速電容泵，輸入電源首先對(duì)快速電容泵進(jìn)行充電，當(dāng)快速電容泵充滿后，快速電容泵上的電荷就向超級(jí)電容轉(zhuǎn)移。其充電過程是以一定時(shí)間周期在充電和電荷轉(zhuǎn)移間進(jìn)行，其充電順序是按串聯(lián)超級(jí)電容的順序逐一轉(zhuǎn)移的。

上圖SHDN端口為芯片工作控制端口，當(dāng)該端口電平為高時(shí)，芯片進(jìn)入正常充電狀態(tài)，該端口電平為低時(shí)，芯片停止充電工作，此時(shí)芯片進(jìn)入低功耗模式，在該模式下，芯片功耗小于1uA。PGOOD輸出端口用于監(jiān)視充電狀況，當(dāng)超級(jí)電容充電結(jié)束后，該端口輸出高電平，反之為低電平。

LTC3225為雙列10腳貼片封裝。充電電流最大可達(dá)150mA，通過少量外圍器件即可構(gòu)成串聯(lián)型超級(jí)電容的充電電路，非常適用于利用電子式PT進(jìn)行供電充電的后備電源設(shè)備。

3.3 超級(jí)電容容量選擇

超級(jí)電容器作為電池應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：大電流脈沖應(yīng)用[5]和小電流功率保持。電流脈沖應(yīng)用的特征：要求持續(xù)向負(fù)載提供大電流，供電時(shí)間一般為幾秒或幾分鐘；而小電流功率保持應(yīng)用的特征是：要求超級(jí)電容持續(xù)不斷的提供小電流功率輸出，供電時(shí)間較長，一般要求能達(dá)到最少30min或更加長時(shí)間的應(yīng)用。

而這里我們配網(wǎng)設(shè)備基本都為嵌入式系統(tǒng)，一般均為低功耗運(yùn)行，所以這里關(guān)于超級(jí)電容儲(chǔ)能的應(yīng)用方式我們采用小電流功率保持的方式。

這里假設(shè)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，應(yīng)用超級(jí)電容作為后備電源，在掉電后需要用超級(jí)電容維持10mA的電流，要求能持續(xù)為設(shè)備供電10h，單片機(jī)系統(tǒng)截止工作電壓為2.5V，那么需要多大容量的超級(jí)電容能夠保證系統(tǒng)正常工作？

這里該研究者提供了計(jì)算公式：

該公式根據(jù)能量守恒理論，保持所需能量=超電容減少能量。

保持期間所需能量=1/2I（Uwork+？Umin）t；

超電容減少能量=1/2C（Uwork2？-Umin2），

C=（Uwork+Umin）t/（Uwork2？-Umin2）

E=C（Uwork*Umin）-（）

這里對(duì)上述名稱進(jìn)行說明：

C（F）：超電容的標(biāo)稱容量；

Uwork（V）：在電路中的正常工作電壓？；

Umin（V）：要求器件工作的最小電壓；

t（s）：在電路中要求的保持時(shí)間；

I（A）：負(fù)載電流；

由以上公式可知：

工作起始電壓：Vwork=5V；

截止電壓：Vmin=2.5V；

持續(xù)時(shí)間：t=10h（36000s）；

平均功耗：I=0.01A

所需電容容量為：

C=（Vwork+Vmin）It/（Vwork2-Vmin2）=（5+2.5）*0.01*36000/（5*5-2.5*2.5）=144F

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以選擇5.5V 150F電容就可以滿足需要了?？紤]到電容器本身容量誤差問題我們可以選擇5.5V 200F的超級(jí)電容即可保證設(shè)備穩(wěn)定工作10h以上。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)選用LPK2-P4型適用于10kV架空線路（裸導(dǎo)線或絕緣導(dǎo)線），將10kV高電壓轉(zhuǎn)換為24V以下的交流低壓， 該取電PT提供帶電安裝掛鉤，可直接帶電安裝到A、B、C三相的任意一相架空導(dǎo)線上。取電PT安裝以后，其原邊接地線電流最大只有1mA，屬于人體安全電流，而輸出功率可達(dá)5W。與市面上某些電容分壓取電PT不同，該型取電PT還采取原副邊電氣隔離技術(shù)，再次確保設(shè)備本身和使用者的人身安全。

按上述充電電路充電電流150mA對(duì)200F超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)能充電，充滿需要時(shí)長約為：1h左右，完全符合實(shí)際使用需求。

5 結(jié)語

基于電子式PT取電和超級(jí)電容儲(chǔ)能的電源系統(tǒng)具有成本低、隔離性能好、綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，采用電子式PT取電能改善CT取電方式線路電流太小而無法取電的問題，同時(shí)隔離保護(hù)電路能夠很好的保護(hù)后端用電設(shè)備的安全。該文介紹的取電方案控制簡單，且能夠?yàn)殡娏υ诰€監(jiān)測(cè)設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的工作電源

參考文獻(xiàn)

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