配電線路監(jiān)測裝置感應取能電源設計

李鐵鋒

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132011）

0 引 言

高壓架空線各種在線監(jiān)測是保證線路安全運行的重要手段，如線路故障指示、導線舞動以及導線覆冰等在線監(jiān)測[1-3]。然而，由于高壓線路上沒有供監(jiān)測裝置工作的弱點電源，給監(jiān)測裝置應用帶來了極大困難，是相關(guān)研究要解決的重點問題。

目前，常應用的供電方式有太陽能、蓄電池、激光供能以及母線感應取能等。它們各有一定的特點，也有其應用局限性。其中，最有發(fā)展前景的供電方式是從輸電線路直接取電[4-6]，在導線上套裝取能線圈感應出交流電壓，然后經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出直流電源，用于給高壓側(cè)電子裝置提供穩(wěn)定可靠的工作電源。但是，采用感應取能獲取工作電源存在以下幾個難點需要解決：（1）輸電線路流過的電流波動范圍大，如何保證在小電流時獲得足夠的能量、在大電流時保證裝置安全可靠工作，是需要解決的一個難題；（2）高電位的監(jiān)測裝置通常需要無線通信的方式傳輸數(shù)據(jù)，如何保證無線發(fā)射時電壓穩(wěn)定是需要解決的難題。

為此，本文設計了一種感應取能電源，在分析感應取能的機理的基礎上進行裝置總體結(jié)構(gòu)設計，具體設計了取能線圈、電能管理以及穩(wěn)壓控制，能夠滿足各種運行工況的要求。

1 感應取能電源的基本原理

感應取能供電方式是利用電磁感應原理，通過取能線圈從高壓線路上感應交流電能，然后經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，為高壓側(cè)監(jiān)測裝置提供供電。根據(jù)電磁理論的相關(guān)知識，在取能線圈兩端空載情況下，取能線圈一次側(cè)由交流電流控制。假定輸出電壓的峰值為U，可得：

式中：f為線圈激勵電流的頻率；N2為特制線圈繞制匝數(shù)；Hm為線圈橫截面的磁通量幅值；Bm為磁感應強度幅值；S為鐵心截面積；λ為鐵心疊片系數(shù)。

由安培環(huán)路定律，有：

式中：N1為一次側(cè)繞組匝數(shù)，此處值為1；L為平均磁力線長度。

2 電源總體結(jié)構(gòu)設計

設計的取能電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括取能互感器、單相橋式整流與濾波電路、瀉放保護回路、DC/DC穩(wěn)壓電路、后備電池供電回路、大功率儲能回路以及直流穩(wěn)壓電源輸出等部分。

圖1 電源總體結(jié)構(gòu)示意圖

通過設計的取能互感器，從電力電纜上耦合獲取能量，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓提供穩(wěn)定的直流電源；泄放保護回路使電源能在很寬的一次電流下工作；大功率儲能回路使電源能夠提供瞬間大功率，滿足需要瞬時大功率的系統(tǒng)應用；后備電池供電回路使電力電纜電流很小，或停電時依然能夠提供穩(wěn)定的電源。

3 電源各模塊設計

3.1 取能互感器設計

取能互感器是感應取能電源的關(guān)鍵。它的鐵心材料選擇應盡量減小啟動電流，采用具有較高磁導率的材料，以提高效率，降低損耗。采用高磁導率的材料降低勵磁電流，從而使得在小電流的工況下裝置能夠可靠工作。本設計采用具有較高磁導率的納米晶磁材料。為了便于現(xiàn)場安裝應用，在結(jié)構(gòu)上進行特殊設計，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 取能互感器結(jié)構(gòu)設計

取能互感器套裝在電力電纜上利用電磁感應原理獲取能量。取能互感器包括：微晶材料制成的兩半圓型鐵芯；漆包線制成的繞制在鐵芯上的線圈；注塑成型的塑料外殼，用于放置鐵芯和線圈；塑料外殼的軛上有通孔，用于安裝螺具；在外殼與鐵芯之間填充環(huán)氧樹脂，使得鐵芯、線圈和外殼成為一體，起到線圈匝間的絕緣和防潮作用；兩邊的螺具將上下兩半外殼和鐵芯夾緊，兩半鐵芯的接口處采用多槽型接口方式，減少接口的氣隙；兩輸出端接到單相橋式整流、濾波電路的輸入端Vin1+和Vin1-。

3.2 整流和泄放回路設計

整流回路將感應的交流電源變?yōu)橹绷麟妷汗┖罄m(xù)電路使用。泄放回路保證輸電線路大電流時可靠工作，電路原理如圖3所示。

圖3 整流泄放回路原理圖

3.3 穩(wěn)壓環(huán)節(jié)設計

由于架空線路不同時段的負載電流變化范圍大，取能互感器獲得的電源經(jīng)過整流、濾波后將在較大范圍內(nèi)波動，需要通過DC-DC穩(wěn)壓模塊提供穩(wěn)定的電源。穩(wěn)壓模塊設計主要考慮兩方面因素，一是要有較寬的工作范圍，二是要損耗特別小。為此，設計采用集成穩(wěn)壓模塊和外圍電路，構(gòu)成高性能的穩(wěn)壓單元。電路原理如圖4所示。

圖4 寬輸入DC-DC穩(wěn)壓單元

3.4 高輸出功率單元設計

為滿足監(jiān)測裝置無線通信等瞬時沖擊性負荷要求，提高電源的帶負載能力，設計超級電容作為瞬時性沖擊負荷供能單元。超級電容器是一種很好的解決沖擊性負荷的裝置，性能介于傳統(tǒng)蓄電池和普通電容器之間，具有良好的功率密度，循環(huán)壽命在100 000次以上。設計的超級電容儲能單元如圖5所示。

圖5 基于超級電容的高輸出功率單元

4 結(jié) 論

本文設計了一種感應取能電源，通過開合式取能互感器，從電力電纜上經(jīng)電磁耦合方式獲取能量，然后由單相橋式整流、濾波電流得到直流電壓。DC/DC穩(wěn)壓電路為電源提供穩(wěn)定的電壓輸出，通過瀉放保護回路使穩(wěn)壓電源能工作在很寬的電力架空線一次電流下；大功率儲能回路使得穩(wěn)壓電源能夠為需要瞬間大功率供電的裝置提供電能。設計的穩(wěn)壓電源安裝方便，維護簡單，可靠性高，適用于很多高壓在線監(jiān)測系統(tǒng)和儀表。