一種高電位磁場取能電源的設(shè)計(jì)研究

吳俊鋒，劉維，楊峰

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司，江蘇 無錫 214072；2.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400100）

0 引 言

各電壓等級的輸電線路是電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一，線路的運(yùn)行情況對電網(wǎng)整體的安全穩(wěn)定性具有重要影響。對輸電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測是保證線路平穩(wěn)運(yùn)行的重要技術(shù)手段。因線路監(jiān)測傳感器等監(jiān)測設(shè)備均安裝于架空線附近，與線路一同保持高電位，受制于絕緣安全問題，常規(guī)低壓電源通常不可使用。

針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種用于線路傳感器供電的自供能解決方案，包括太陽能、激光供能、電場感應(yīng)供能、線路抽取電能等幾種形式，但均在可靠性、穩(wěn)定性方面存在不足。本文提出了一種貼裝式磁場取能線圈及其電源系統(tǒng)，可用于低功耗的導(dǎo)線監(jiān)測應(yīng)用，如導(dǎo)線溫度、振動(dòng)、電流監(jiān)測等。和傳統(tǒng)的CT式取能線圈結(jié)果相比，貼裝式取能線圈更適用于緊湊型的母線排結(jié)構(gòu)，能最大限度降低額外加裝的取能裝置對原有線路相間絕緣安全等方面的不利影響。

1 取能線圈工頻電磁感應(yīng)特性分析

本文提出了如圖1所示的貼裝式磁場取能線圈，該裝置直接貼合于母線排的上方或下方，在裝置上的矩形框架上繞制線圈，即可收集母線排周圍的磁場，從而感應(yīng)出電壓。在線圈后端連接能量管理電路，即可輸出穩(wěn)定的低壓直流電，給傳感器供電。

圖1 貼合式磁場取能裝置

本文首先對母線排周圍的磁場及該裝置能夠獲得的感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行了理論分析和計(jì)算。參考國家電網(wǎng)公司220 kV變電站典型設(shè)計(jì)A-1及GB 50149—2010電氣裝置安裝工程母線裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范，以220 kV變電站中35 kV高壓室進(jìn)線戶外母線排為例進(jìn)行分析計(jì)算。按照典型設(shè)計(jì)方案推薦值，母線排的走線直線長度為11 m，三相對稱運(yùn)行，工作電流1 039 A，相 間距0.4 m，離地高度2.9 m進(jìn)行分析計(jì)算。以直母線排的走向?yàn)閦軸，母線排的橫截面置于xoy平面內(nèi)。本文設(shè)計(jì)的矩形線圈，其長度方向平行于母排軸線，置于母排的上方或下方同側(cè)中央。在此條件下，穿過線圈的磁通為磁感應(yīng)強(qiáng)度分量對線圈面積的積分值。因此，有必要考察母排附近B分量的分布規(guī)律。

根據(jù)畢奧薩伐爾定律，采用MATLAB編寫程序，繪制出沿母線橋走向中點(diǎn)平面內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值分布如圖2所示。

圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx分量幅值分布圖

圖2色階顯示，B密集區(qū)域位于三相母排各自覆蓋的正下、正上方，對應(yīng)y軸[-0.1，0.1] m的矩形區(qū)域內(nèi)，最大值約為5 mT。為提高傳輸功率，通常希望增大線圈面積以交鏈更大數(shù)量的磁鏈。但圖2同時(shí)表明，可觀的磁感應(yīng)強(qiáng)度B分量僅僅分布于上述密集區(qū)，在此區(qū)間外，磁場迅速衰減并逐漸趨于零。如若再行增大線圈尺寸將無法有效提升輸出電壓。

2 取能線圈暫態(tài)特性分析

2.1 雷電沖擊暫態(tài)電壓特性

變電站母線除傳導(dǎo)正常的送電電流外，還可能直接遭受雷擊或沿變電站進(jìn)線入侵的外部雷電流；當(dāng)系統(tǒng)某點(diǎn)出現(xiàn)短路故障時(shí)，母線上也可能流過幅值較大的短路電流。雷擊和短路事故下的母線暫態(tài)電流均可致使線圈耦合產(chǎn)生暫態(tài)電壓。

本文采用Ansoft Maxwell電磁場有限元分析軟件，利用其中的瞬態(tài)場分析模塊進(jìn)行雷電流及短路電流下取能線圈的暫態(tài)電壓分析計(jì)算。在母排上加載8 μs/20 μs、30 kA的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電流波形，仿真得出線圈在雷電流作用下的瞬態(tài)感應(yīng)電壓波形如圖3所示。

圖3 線圈雷電感應(yīng)暫態(tài)電壓波形

圖3表明，在所采用的雷電流波形下，取能線圈感應(yīng)的瞬態(tài)電振蕩幅值高達(dá)900 V，且呈現(xiàn)高頻振蕩特性，持續(xù)時(shí)間較短，在雷電流作用時(shí)間50 μs稍延后衰減完畢。暫態(tài)沖擊電壓幅值900 V已超過普通電子線路元件所能承受的正常電壓，將對后端電路造成嚴(yán)重?fù)p壞。因此，取能線圈與電源管理電路之間需要使用瞬變電壓抑止二極管（TVS）對取能電源中出現(xiàn)的雷電浪涌電壓進(jìn)行抑制。

2.2 短路電流暫態(tài)電壓特性

35 kV等級的變電站、開關(guān)站及配電站母線的短路電流控制水平通常為25 kA，以三相對稱短路為例進(jìn)行分析，短路電流的最大瞬時(shí)值在短路發(fā)生后約半個(gè)周期出現(xiàn)，取沖擊系數(shù)為1.9，加載的短路電流波形以及線圈感應(yīng)電壓波形如圖4所示。

圖4 橋排短路電流及線圈感應(yīng)電壓

從圖4可以看出因線圈的暫態(tài)感應(yīng)電壓與一次側(cè)暫態(tài)電流的幅值和上升沿陡度相關(guān)，短路電流雖然幅值較大，但由于其仍以工頻變化為主，因此，相較雷電沖擊電流而言，短路電流產(chǎn)生的暫態(tài)電壓并不十分嚴(yán)重，對于圖4中30 V左右的暫態(tài)電壓，能量管理芯片能夠利用自身的旁路泄流元件，將其鉗位至輸入上限。以上暫態(tài)分析計(jì)算表明，磁場取能線圈主要需要防護(hù)雷電流引起的持續(xù)時(shí)間短、高幅值、高陡度的瞬態(tài)振蕩電壓。

3 取能裝置的電源管理電路設(shè)計(jì)

3.1 取能設(shè)計(jì)

取能電源的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，其由取能線圈，前端浪涌保護(hù)，整流濾波，內(nèi)部過壓保護(hù)及DC/DC模塊組成。前述取能線圈輸出交變感應(yīng)電壓，需經(jīng)過電源管理模塊將其轉(zhuǎn)換為適用于負(fù)載的穩(wěn)定直流電，電源輸出電壓可設(shè)定為1.8 V，2.5 V，3.3 V，3.6 V四種檔位。

圖5 取能電源電路組成

本文采用具有超低功耗的微能量管理芯片LTC3588-1降壓型整流穩(wěn)壓模塊，其集成了上述所需的各功能，自身靜態(tài)損耗電流低至nA級，適用于各種取能方式下的高效能量管理。本文使用仿真軟件LTspice對基于LTC3588-1的電源管理模塊輸入輸出特性進(jìn)行了仿真。在仿真中，以ZigBee無線傳感器節(jié)點(diǎn)作為負(fù)載。ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)可視為周期性電流脈沖負(fù)載，采用脈沖電流負(fù)載模型對其進(jìn)行模擬，能量管理電路前端采用感應(yīng)電勢電壓源串聯(lián)線圈內(nèi)阻等效電路對取能線圈進(jìn)行模擬，

仿真結(jié)果表明，在選取的線圈參數(shù)及搭建的電源管理電路下，線圈輸出電壓能夠達(dá)到后續(xù)電源管理電路的門限值要求，并啟動(dòng)電路轉(zhuǎn)換功率。電源紋波波形顯示，當(dāng)負(fù)載進(jìn)入射頻階段時(shí)，消耗電流上升，電源轉(zhuǎn)換頻率也隨即上升，以穩(wěn)定輸出電壓不跌落。

3.2 整機(jī)帶載試驗(yàn)

本文通過帶載實(shí)驗(yàn)對磁場取能電源的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)中，將取能線圈、電源管理模塊、ZigBee溫度傳感器節(jié)點(diǎn)安裝于母線排下方，模擬35 kV母線正常負(fù)荷電流范圍，通過工頻大電流發(fā)生器向母排輸出400～1 000 A的工頻電流，測量電源模塊的輸出電壓、電流，并觀察傳感器節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)中觀察到取能電源成功啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)工作，傳感器節(jié)點(diǎn)連續(xù)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)回母線排的溫度信息。同時(shí)，用示波器實(shí)測電源系統(tǒng)的輸出電壓紋波和傳感器消耗的電流波形如圖6所示。輸出電壓在2.8 V～3.3 V之間波動(dòng)，平均電壓為3 V，紋波系數(shù)為8.2%。結(jié)合電流波形，可計(jì)算得出在傳感器一個(gè)周期內(nèi)消耗的功率為360 mW。該實(shí)驗(yàn)最終驗(yàn)證了本文提出的高電位磁場取能電源對線路狀態(tài)在線監(jiān)測傳感器裝置供電具有可行性。

圖6 實(shí)測輸出電壓波形及負(fù)載電流

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種可貼裝于母線排上的高電位磁場取能電源。該電源更加輕便，便于安裝，不存在絕緣問題，同時(shí)不會(huì)縮減相間安全距離，更適用于變電站和配電室中排列緊湊的三相母線排。仿真及帶載實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的高電位磁場取能電源能夠在母排電流為400 A～1 000 A的范圍內(nèi)為負(fù)載提供3 V的穩(wěn)定電壓，最大輸出功率為360 mW，具有一定的可行性和應(yīng)用前景。