基于電磁感應(yīng)的電纜線路在線監(jiān)測(cè)取電電源設(shè)計(jì)

王德賀，張 英，李仙琪，王 翀

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心，貴州 清鎮(zhèn) 551417）

近年來(lái)，電力電纜在城市建設(shè)中占比越來(lái)越高，供電部門為使電力電纜穩(wěn)定運(yùn)行，在電纜上安裝了大量在線監(jiān)測(cè)傳感器，用于監(jiān)測(cè)線路運(yùn)行狀態(tài)。然而，受到在線監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行環(huán)境限制，通常需要采用220 V交流或低壓直流進(jìn)行供電，但是電力電纜在敷設(shè)過(guò)程中極少專門敷設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備供電電源。多數(shù)情況下，只能采用電池作為主要供電電源，并配合防水、防電場(chǎng)干擾等防范措施，確保在線監(jiān)測(cè)裝置長(zhǎng)期運(yùn)行。但是，電池供電普遍存在功率小、壽命短、充電難、更換頻繁和維護(hù)成本高等問(wèn)題，導(dǎo)致很多在線監(jiān)測(cè)裝置長(zhǎng)期處于癱瘓狀態(tài)，長(zhǎng)期供電不足問(wèn)題嚴(yán)重影響在線監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行。因此，本項(xiàng)目針對(duì)以上問(wèn)題，研究電感感應(yīng)取電原理，設(shè)計(jì)基于電磁感應(yīng)的電纜線路在線監(jiān)測(cè)取電電源。

1 感應(yīng)取電電源取能線圈設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電磁感應(yīng)線圈，采取垂直安裝在電纜外護(hù)套上的方式，感應(yīng)周圍磁場(chǎng)進(jìn)行取能、線圈經(jīng)調(diào)研選用磁導(dǎo)率高且損耗率小的硅鋼片作為鐵芯，同時(shí)基于實(shí)際用電需求進(jìn)行線圈的鐵芯尺寸及線圈匝數(shù)設(shè)計(jì)。

由于感應(yīng)電能是從電網(wǎng)中直接感應(yīng)獲取，而電力線路中的電流變化范圍很大，當(dāng)使用線路電流互感器無(wú)法取得電能時(shí)，其所供電的設(shè)備運(yùn)行可能會(huì)直接受到影響。電流小的時(shí)候取能的功率可能不足，大電流通過(guò)時(shí)的功率過(guò)高，因此設(shè)計(jì)雙重電路，取能電路電流不足時(shí)引入電池為電路供電。

取能線圈的運(yùn)行狀態(tài)為：（1）電路運(yùn)行電流過(guò)小時(shí)，取能電路協(xié)同鋰電池為設(shè)備供電。（2）電纜運(yùn)行沒(méi)有電流時(shí)，此時(shí)取電線圈無(wú)感應(yīng)電能產(chǎn)生，由鋰電池單獨(dú)為設(shè)備供電。（3）電纜運(yùn)行電流過(guò)大，設(shè)備給監(jiān)測(cè)設(shè)備供電，同時(shí)將剩余電能給鋰電池充電。（4）當(dāng)整個(gè)電纜電流一直處于較大電流運(yùn)行時(shí)，為了保護(hù)電路，啟動(dòng)瞬態(tài)電流抑制器，調(diào)節(jié)輸出電流。

基于實(shí)際需求，項(xiàng)目選擇適合本項(xiàng)目的線圈鐵芯并設(shè)計(jì)繞線匝數(shù)，同時(shí)進(jìn)行電路的過(guò)電壓電流控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)提供合適的電流和電壓，確保設(shè)備能正常運(yùn)行工作，如圖1所示。主要解決方法為在系統(tǒng)中加入控制電路及安全防護(hù)電路，依據(jù)用電負(fù)荷及電網(wǎng)電流調(diào)節(jié)供電[1]。

圖1 整體電路的工作流程圖

1.1 鐵芯激磁機(jī)理分析

研究鐵芯的磁性激磁機(jī)理問(wèn)題。圖2為磁性材料的電場(chǎng)磁化強(qiáng)度曲線，從中我們可以明顯看出，在1～4區(qū)，磁感應(yīng)器的強(qiáng)度系數(shù)B都是隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度系數(shù)H的不斷增大而逐漸增大的，且系數(shù)近似成正比例的關(guān)系，系數(shù)分別為H和磁導(dǎo)通速率μ。

圖2 磁性材料的磁化曲線

在5區(qū)，由于鐵芯大小問(wèn)題，其逐漸進(jìn)入飽和狀態(tài)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁感應(yīng)的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅值逐漸減少，最終趨向飽和。

監(jiān)測(cè)線路中使用的設(shè)備通常所需的電壓電流比較小，因此監(jiān)測(cè)設(shè)備的電流會(huì)出現(xiàn)過(guò)大問(wèn)題。為了解決監(jiān)測(cè)設(shè)備電流出現(xiàn)過(guò)大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)電磁斬波切換控制式電路和電磁變比斬波切換式電路來(lái)調(diào)節(jié)磁通量的大小，使整個(gè)線圈工作在一個(gè)線性振蕩區(qū)[2]。

1.2 取能互感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由電流互感器工作原理分析可知，電力線路周圍通常存在空間均勻分布的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與整個(gè)互感器二次側(cè)形成交聯(lián)，可以把在線路上感應(yīng)到的電能傳輸?shù)较到y(tǒng)設(shè)備用電側(cè)，如圖3所示。

圖3 取能示意圖

電網(wǎng)電流一般為正弦電流，在此條件下，供電側(cè)有效的電動(dòng)勢(shì)為：

式中:E2為線圈磁感應(yīng)的有效值；f為電網(wǎng)頻率50 Hz；N2為二次側(cè)匝數(shù)；Φm為磁通量的幅值大小；Bm為磁感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的幅值大小；S是鐵芯的截面積。

2 感應(yīng)取電電源后端控制電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)感應(yīng)取得的電能一般為交流，但是負(fù)載設(shè)備常用的為直流，因此需要對(duì)其進(jìn)行整流處理，將交流轉(zhuǎn)為直流[3]。

經(jīng)過(guò)整流濾波的電流輸出脈動(dòng)系數(shù)較大，超出監(jiān)測(cè)設(shè)備所承受的電流脈沖系數(shù)，因此必須加入濾波電路降低電流脈沖系數(shù)。同時(shí)，為了減少電路濾波處理引起的能量損耗，本文中選用電容交流濾波和復(fù)式濾波。

電容交流濾波和串聯(lián)電感交流濾波技術(shù)是一種利用兩個(gè)并聯(lián)交流電容（又稱串聯(lián)交流電感）的高壓充電和交流放電功能，來(lái)使具有脈動(dòng)的高壓直流電流轉(zhuǎn)變成平穩(wěn)的脈動(dòng)直流電流[4]，如圖4所示。

圖4 整流濾波電流

圖4電路中，系統(tǒng)的感應(yīng)供電及鋰電池電路的供電為并聯(lián)的，系統(tǒng)感應(yīng)供電不足的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致電池的供電也會(huì)切斷。因此，本設(shè)計(jì)中將濾波電路直流電感替換為單向?qū)ǖ亩O管。

在實(shí)際應(yīng)用中，濾波效果受到電路濾波元器件選擇的影響，因此設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮該影響因素遵循以下原則：

（1）整流二極管導(dǎo)通壓降應(yīng)盡可能小，以減少因二極管帶來(lái)的整流能量損耗。

（2）整流二極管的反向耐壓值應(yīng)足夠大，以保證反向電流切斷作用。

（3）濾波電感直流電阻較小，減少電能損耗。

3 感應(yīng)取電電源安全防護(hù)設(shè)計(jì)

電力電纜上的電流一直處于不斷變化的狀態(tài)，在應(yīng)用中，當(dāng)設(shè)備未接觸電路時(shí)，負(fù)載電阻為無(wú)限大。因此，本文在設(shè)計(jì)中將電流鉗制電路及瞬態(tài)抑制器并在電路中，達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率的目的[5]。

3.1 電壓鉗制線路

圖5為電路中并聯(lián)的電壓鉗制電路，該電路可以自動(dòng)地調(diào)節(jié)電源向負(fù)載輸出的功率，電壓鉗制線路并聯(lián)在系統(tǒng)電路中，串聯(lián)在高壓整流器及穩(wěn)壓電源電路后方。

圖5 電壓鉗制線路

設(shè)互感器二次側(cè)接入設(shè)互感器二次側(cè)電壓為e2=U0f（ωt），其中，函數(shù)f（ωt）為二次電壓波形的函數(shù)，互感器瞬時(shí)輸出功率為：

式中，P1為整流Q1為所消耗電路功率；P2為整流電路傳輸功率；I2為互感器輸出電流有效值；I21為MOS管平均輸出電流；I22為二次負(fù)載的平均電流；U0為二次輸出電壓的有效系數(shù)值，g（ωt）為二次輸出電路功率函數(shù)。

3.2 TVS過(guò)流保護(hù)電路

電力電纜上的電流時(shí)刻處于不穩(wěn)定狀態(tài)，正常情況下其波動(dòng)在合理范圍值內(nèi)，但是當(dāng)出現(xiàn)短路及雷電情況時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較短時(shí)間的沖擊電流。沖擊電流主要在2個(gè)方面對(duì)電源產(chǎn)生影響。一則是出現(xiàn)沖擊電流時(shí)，沖擊電流極大，感應(yīng)電路感應(yīng)的電壓會(huì)遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)電壓，此外其產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)感應(yīng)線圈產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊點(diǎn)動(dòng)力，會(huì)造成線圈損壞。

圖6為瞬態(tài)電壓抑制器TVS工作特性曲線圖，其中：VRWM為電路的截止電壓，VBR為電路的擊穿電壓，VC為電路的最大鉗位電壓，IPP為電路的脈沖峰值電流，IRM為電路的漏電流。TVS主要用于瞬時(shí)電流抑制，與受保護(hù)器件并聯(lián)。在正常工作狀態(tài)下，TVS在電路中呈現(xiàn)為高阻抗，當(dāng)受到瞬間高能沖擊后瞬間將兩極之前的阻抗調(diào)為低阻抗，從而達(dá)到吸收的目的，保護(hù)電路。

圖6 瞬態(tài)電壓抑制器TVS工作特性曲線

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)備的可行性，我們使用10Ω的電阻作為負(fù)載接入電路中測(cè)試供電的輸出特性，圖7為不同電路電流情況下取能電路的工作情況。

由圖7可知，在171 A以下時(shí)，取能電路輸出電壓較低，在171 A以上時(shí)電路開(kāi)始出現(xiàn)電流并且隨電路電流的增大而逐漸增大；當(dāng)線路電流達(dá)到366 A取能電路電流達(dá)到峰值，當(dāng)線路電流達(dá)到400 A時(shí)，取能線路自動(dòng)切換到大匝線圈工作，此時(shí)取能線路電流減?。划?dāng)線路電流達(dá)到565 A時(shí)，電流逐漸上升，這種現(xiàn)象證明了該電路的雙線圈可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。

圖7 輸出電壓與充電電流隨線路電流變化關(guān)系

5 結(jié)論

本文研究了電感取能基本原理，并設(shè)計(jì)了雙線圈取能線路及其相關(guān)保護(hù)電路，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)論證，取能線圈可以根據(jù)不同線路電流實(shí)現(xiàn)雙線圈自動(dòng)切換供能，可為低能耗電網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備提供穩(wěn)定持續(xù)的能源供應(yīng)，同時(shí)具備成本低安裝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，具備批量安裝使用的價(jià)值。