新型配網(wǎng)在線裝置取能研究與設(shè)計(jì)

曾俊 黎俊 張昊 楊雪飛 劉濤

摘要：本文描述了一種新型的配網(wǎng)在線裝置取能的研究與設(shè)計(jì)，提出了一種新的取能線圈設(shè)計(jì)思路，并通過分析與仿真，實(shí)現(xiàn)了取能線圈的材質(zhì)選型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并且增加了充電以及電池管理的研究與設(shè)計(jì)。針對線路上電流的不穩(wěn)定性，進(jìn)行了泄放電路、保護(hù)電路、信號調(diào)理電路的多重優(yōu)化設(shè)計(jì)。并通過帶負(fù)載能力的測試，證明了該設(shè)計(jì)在線路上取能的有效性和可靠性。

關(guān)鍵詞：取能電路、保護(hù)電路、在線裝置

0 引言

伴隨著配電網(wǎng)電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展，配電網(wǎng)在線監(jiān)測裝置的應(yīng)用更為廣泛，其電源的供給設(shè)計(jì)變得尤為重要。因目前在線監(jiān)測裝置大部分工作在線路終端，其應(yīng)用環(huán)境大部分為在架空線路上，基本無法采用常規(guī)電源，且需要長期穩(wěn)定運(yùn)行，滿足免維護(hù)等要求故目前主要采用太陽能加上鋰電池供電方式、高壓絕緣子電容分壓取能方式、特制電流互感器線圈的方式等。

太陽能加鋰電池是無線設(shè)備的常用模式，目前在在線監(jiān)測裝置上也廣泛應(yīng)用，但其受環(huán)境因素影戲較大，并且一般無法滿足長期免維護(hù)等設(shè)計(jì)要求。而采用PT、CT以及電容分壓模式受體積及成本價(jià)格影響又較大，因此利用特制線圈在線取能成為目前最有發(fā)展前景的供電方式。而此供電方式也有需要解決的問題：母線在正常電流范圍內(nèi)取能線圈能提供穩(wěn)定的輸出;在短路及沖擊電流下能合理保護(hù)電源和后級電路仍能正常工作等。鑒于以上論述，本文提出一種通過特制線圈從高壓側(cè)輸電線路感應(yīng)取能與蓄能電池相結(jié)合的電源解決方案，使得供能可靠穩(wěn)定。

1 配網(wǎng)線路上取能的基本原理

配網(wǎng)線路上取能的基本工作原理如圖1所示

該供電方式利用電磁感應(yīng)原理，由取電線圈從配網(wǎng)線路中感應(yīng)得到交流電電能，經(jīng)過保護(hù)電路、整流電路、濾波電路和電源變換及儲能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓源為在線設(shè)備可靠供電。設(shè)計(jì)要盡量減小啟動電流，保證在輸電線上流過較小電流時(shí)能提供足以驅(qū)動后級電路的功率，如無法滿足所需能量時(shí)將轉(zhuǎn)向蓄能電池向電子電路供電;當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷變化很大或出現(xiàn)短路故障時(shí)，母線隨之流過很大電流，此時(shí)通過功率調(diào)整電路調(diào)節(jié)線圈輸出電壓，使得整流濾波后的電壓輸出保持穩(wěn)定，從而保護(hù)了后級電路，避免了由于過壓所造成的損壞，保證了整個(gè)電子電路的正常穩(wěn)定工作。

2? 線圈設(shè)計(jì)的基本理論

由電磁理論的相關(guān)知識可知，電力線路周圍存在著磁場，線圈通過磁場感應(yīng)獲取能量。取能線圈二次側(cè)的感應(yīng)電勢為

式中，E2為二次側(cè)感應(yīng)電動勢有效值;f為電流基頻50 Hz;N1為一次側(cè)線圈匝數(shù)，即為1;N2為二次側(cè)線圈匝數(shù);I1為一次側(cè)線圈電流，即母線電流;I2為二次側(cè)線圈電流;Im為鐵芯勵(lì)磁電流，可忽略不計(jì);L為平均磁路長度;B為鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度;H為磁場強(qiáng)度;μ為導(dǎo)磁率;φm為磁路中磁通;S為鐵芯截面積;λ為鐵芯疊片系數(shù)。

2.1? 取能線圈材質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述理論可知，在線路電流不變的情況下，增大N2，B或S均能夠提高二次側(cè)感應(yīng)電勢，也就是可以提高其所提供的功率。B與鐵芯的材料特性有關(guān)，為減小電源工作死區(qū)，降低啟動電流，應(yīng)選擇初始磁導(dǎo)率高的材料。為了改善小電流啟動狀態(tài)而增加線圈匝數(shù)，同時(shí)也使得母線大電流狀態(tài)時(shí)的感應(yīng)電壓過高;增加鐵芯截面積會給模塊的安裝帶來不便。從應(yīng)用角度出發(fā)，考慮到實(shí)際問題，理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，因此應(yīng)選取較合適的鐵芯材料，確定截面積大小和線圈匝數(shù)。

硅鋼材料具有高飽和磁通密度，低損耗，良好的溫度穩(wěn)定性和時(shí)效穩(wěn)定性，雖然其初始磁導(dǎo)率不及現(xiàn)代非晶材料，小電流啟動情況也沒有非晶材料效果突出，但可以通過稍增加線圈匝數(shù)的措施來彌補(bǔ)，加之硅鋼材料易于獲取，且成本上具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢，故本文決定選取特制的C型硅鋼作為鐵芯。截面積選擇10 mm×13 mm的C型結(jié)構(gòu)，滿足在帶電方式下經(jīng)過特制的外殼裝夾在架空輸電線上。線圈匝數(shù)的確定根據(jù)式（1）～式（5）的計(jì)算，再經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)整，最終決定選取φ=0.45 mm的漆包線在鐵芯骨架上繞制300匝。

2.2 保護(hù)電路及信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

為了防止在發(fā)生雷擊或線路中出現(xiàn)短路故障產(chǎn)生大電流的瞬間，線圈二次側(cè)會感應(yīng)出很高的沖擊電壓，對后級電路產(chǎn)生災(zāi)難性的損壞，設(shè)計(jì)在線圈接入電路端并聯(lián)一瞬變抑制二極管（TVS）和壓敏電阻，抑制和防止感應(yīng)線圈產(chǎn)生的沖擊電壓。隨著母線電流的增加，線圈感應(yīng)出的電壓過高，整流濾波后的電壓也隨之增加，當(dāng)電壓超過DC—DC模塊前級允許最大輸入電壓時(shí)，將導(dǎo)致DC—DC模塊受損。為了防止類似故障的發(fā)生在整流濾波電路后級增添保護(hù)電路及信號調(diào)理電路。

保護(hù)電路及信號調(diào)理電路的輸入端連接取能線圈的輸出端口，保護(hù)電路及信號調(diào)理電路的輸出端接入電壓變換電路輸入端口。當(dāng)取能線圈的輸出電壓大于電路設(shè)定額定電壓時(shí)，電路中的壓敏電阻和TVS首先進(jìn)行限壓，取能線圈的能量持續(xù)過大時(shí)，在可控硅的門極就會形成一個(gè)較大的電壓，控制可控硅瞬時(shí)導(dǎo)通，泄放取能線圈中的能量，保證后級電壓變換電路免受配網(wǎng)線路上短路電流突然增大的影響。進(jìn)過保護(hù)及信號調(diào)理后將取能線圈的能量再經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)為直流電源。

本文介紹的保護(hù)電路及信號調(diào)理電路經(jīng)過電路仿真及實(shí)際試驗(yàn)，在取能線圈30-1000A時(shí)，輸出電壓能夠穩(wěn)定在5V左右，紋波在20mV。

2.3 電壓變換電路的設(shè)計(jì)

由于取能線圈的輸出電壓取決于配網(wǎng)線路工作電流，而配網(wǎng)線路工作電流由負(fù)荷決定，因此線圈取能端的電壓范圍可能是幾百毫伏至幾十伏，其中前級的調(diào)理電路可以將大電壓信號限制為適用后級所需電壓信號，但當(dāng)電流足夠小，后級電路包括取能就會難以達(dá)到要求。

本次設(shè)計(jì)采用了具有升壓充電器的超低功耗收集電源管理 IC 以及毫微功率降壓轉(zhuǎn)換器BQ25570，該芯片既具有升壓充電器的功能，又具有微功耗降壓功能，可為在線監(jiān)測設(shè)備提供穩(wěn)定所需電壓。該電路可以在600mV的電壓情況下進(jìn)行啟動，保證為后級電路提供穩(wěn)定的3.3V電源。并且在低至100mV電壓的情況下，對取能線圈的能量進(jìn)行采集，保證儲能合供電。

2.4 電池儲能及充電管理電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用線圈取能與儲能電池相結(jié)合的方式為工作在高壓側(cè)的電子設(shè)備供能，取能電源處于正常工作狀態(tài)時(shí)，為電子電路提供電源，并且能對儲能電池進(jìn)行充電;當(dāng)取能電源不能為后級電路提供足夠大的能量時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)換成儲能電池供能，保證電子設(shè)備能連續(xù)不斷電工作。通過對比各類充電電池特性后，選取大容量磷酸鐵鋰充電電池組作為后備電源。

磷酸鐵鋰電池具有卓著的安全性能，不會因過充、過熱、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒;使用壽命長，循環(huán)使用次數(shù)多，其容量保持率是鉛酸電池的8倍、鎳氫電池的3倍、錳酸鋰電池的4～5倍等;充電速度快，自放電少，無記憶效應(yīng)，單體電壓3.3 V，放電平臺穩(wěn)定。

鑒于對儲能電池的維護(hù)，利用BQ25570設(shè)計(jì)了專門充電管理電路控制其充電過程。內(nèi)部恒定輸出電壓3.3 V，也可通過一外部電阻調(diào)節(jié)充電電壓;可激活深度放電的電池和減少功耗，電池電壓低于2 V時(shí)采用涓流充電模式，可編程的持續(xù)恒流充電電流可達(dá)500 mA，電源電壓掉電時(shí)自動進(jìn)入低功耗的睡眠模式。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述設(shè)計(jì)參數(shù)對取電模塊帶負(fù)載能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在取電模塊后級接入相關(guān)課題研制的架空輸電線故障檢測器模塊，測試表明取能裝置在母線一次側(cè)3 A的電流下可以啟動，在正常工作狀態(tài)下，該模塊能夠輸出3V左右供電電壓，不低于10 mA的電流，使后級檢測器模塊可以正常工作;并且在過壓的情況下通過功率調(diào)節(jié)電路能保證輸出電壓穩(wěn)定，對后級電路不造成損壞。由此可見，本文所提出的一種通過特制線圈從高壓側(cè)一次母線取能與蓄能電池相結(jié)合的供能方案，能解決線路短時(shí)間停電和母線大電流情況下，架空線路上的在線設(shè)備的電源供給問題，保障設(shè)備持續(xù)不掉電的穩(wěn)定工作。

4 結(jié)束語

電源的可靠、長期穩(wěn)定運(yùn)行是電子設(shè)備可靠工作的首要條件，本文提出的取能設(shè)計(jì)有效的解決了配電網(wǎng)在線裝置電源供電問題，保證了在線裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡介：曾?。?975-），男，本科，從事線路、營銷、電站、變運(yùn)、調(diào)度專業(yè)的運(yùn)維、管理等工作，就職于云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局