高壓輸電線路監(jiān)測設備感應電源設計

楊翔云

摘要：人們生活水平的提高，用電需求的不斷增多，促進了我國電力產業(yè)的不斷發(fā)展。隨著科技與經濟的快速進步和發(fā)展，智能電網的普及，輸電線路的電壓等級也在不斷的提高。為了能夠實時監(jiān)視和測量線路的運行情況及線路的運行參數(shù)，越來越多的監(jiān)測裝置和電子設備安裝在輸電線路中，進而提高電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。本文就高壓輸電線路監(jiān)測設備感應電源設計展開探討。

關鍵詞：電流互感器;感應;電源;高壓母線;穩(wěn)壓處理

引言

隨著國家智能電網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、強磁場的環(huán)境中，穩(wěn)定可靠的電源供給是裝置有效運行的關鍵。

1電磁感應定理

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

式中的負號表示感應電動勢總是反抗磁通的變化。對于N匝回路，表達式中磁通量應該用整個回路的磁通量匝數(shù)取代，寫為

2感應取能基本原理

感應取電利用電磁感應原理，依靠電流互感器從高壓母線上感應出交流電壓，經過沖擊保護、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)電磁理論相關知識及互感器原理可知，互感器的二次側感應電動勢有效值為：

式中：f為線圈激勵電流的頻率;N2為特制線圈的繞制匝數(shù);Bm為鐵芯飽和磁感應強度;S為鐵芯的有效截面積。在母線電流較大的情況下，鐵芯容易進入磁飽和狀態(tài)。當鐵芯磁飽和時，二次側電壓十分不穩(wěn)定，深度飽和時感應電壓波形會發(fā)生畸變，變成尖峰脈沖，峰值可達數(shù)百伏，可能造成后端芯片的燒毀。同時，長時間工作在深度飽和狀態(tài)下也會導致線圈溫度升高，致使線圈燒毀。根據(jù)磁路歐姆定律：

3感應取電電源研究進展

感應取電電源的原理與電流互感器原理相仿，但在實際的應用中也有些許的不足之處：感應取電電源的取能磁芯材料如果選用不當就易存在磁飽和問題;當負荷波動較大，母線中出現(xiàn)雷電沖擊電流或者短路故障時，會使感應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，必須加強取能裝置的絕緣難度，致使其構造更加復雜，提高了成本等。1993年，英國的Holme，sR和Pilling}VA等學者研制了一套利用液晶作為調制器的傳光式和壓頻轉換式電流互感器。通過調制光色，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換單元來實現(xiàn)。2003年，聶一雄、尹項根等華中科技大學的學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，引入補償線圈的方式來改善大電流時對輸出感應電壓的制約，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，湖南大學的胡彬、周有慶等學者討論了一種線路取能電源，與懸浮式直流電源類似，增加了補償線圈，但取能磁芯的材料是非晶體材料，實現(xiàn)了對輸電線路負荷電流變動寬，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，能夠可靠輸出3.69V電壓的取電電源。增加了線圈匝數(shù)補償方式，取能磁芯是鐵基納米晶材料制成。2012年重慶大學周健瑤，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，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感應取電電源供能的方式

（1）直接供能：單純采用感應取電電源方式，電源結構簡單，經處理電路后為后端設備供電，這是最常用的方式。（2）間接供能：感應取電電源主要負責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）以感應取電為主的組合式供能：感應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，由感應取電電源供能。在母線小電流或斷電情況下，其它供能方式發(fā)揮作用。

5電源電路設計

（1）電壓保護與能量泄放。為了防止瞬時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生的高壓尖脈沖以及由于線路浪涌感應輸出的沖擊電壓，從而保護后級電路。在實際設計中，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，感應電壓也較高。因此，需限制過電壓保護DC-DC模塊。電壓保護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U≥20V時，穩(wěn)壓二極管D1被擊穿，大功率三極管Q1進入工作狀態(tài)，泄放多余能量。當電壓U<20V時，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充電過程分為預充、恒流充電和恒壓充電三個階段。在電池充滿電后，芯片將自動停止對鋰電池充電，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轉換。由于母線電流變化范圍較大，取能線圈感應出的交流電壓經過整流、濾波處理后，將得到一個較寬范圍的直流電壓。因此，選用的DC-DC轉換器應當在較大的輸入電壓范圍內進行電壓轉換。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直流輸入電壓轉換為5V的直流電壓輸出，最大輸出電流為200mA。

結語

電池供能的原理是將化學能轉化為電能，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)測裝置和電子設備中仍然有著廣泛的使用，甚至能夠持續(xù)正常工作長達幾年。良好的供電電源是保證輸電線路在線監(jiān)測裝置可靠運行的先決條件，保證監(jiān)測技術能夠廣泛應用急需解決的問題之一。

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