萬 峻 蔣 瑩 張媛琳 楊永建

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局 紅河 661100）

1 引言

電網(wǎng)信息化運(yùn)維的監(jiān)控裝置需要直接安裝在輸電線上，所以如何為設(shè)備提供電能是目前研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一［1］。電源供給在整個(gè)電網(wǎng)信息化運(yùn)維中具有重要的地位，目前最廣泛使用的方法是太陽能發(fā)電［2］，但這種方法易受氣候條件的影響，且缺乏長期的免維護(hù)能力［3］。激光能量［4］已應(yīng)用于電子式電流互感器和有源光學(xué)電流互感器中，但這種電源不適合在野外工況環(huán)境。利用電容分壓器［5］從高壓輸電獲取電能，但這種方法的穩(wěn)定性和可靠性較差，且發(fā)電功率極為有限。電網(wǎng)信息化運(yùn)維監(jiān)控裝置的最佳供電方式是利用電流互感器（CT）［6］直接從輸電線獲取電能。

本文設(shè)計(jì)了一種用于電網(wǎng)信息化運(yùn)維模式下的高壓總線的新型電源，通過分析CT感應(yīng)電源的基本原理，給出了基于前端保護(hù)模塊和電壓控制電路的方案優(yōu)化，應(yīng)用所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

2 CT感應(yīng)電源

2.1 基本原理圖

電源的基本原理如圖1所示。

利用CT獲取電能的基本原理是利用法拉第電磁感應(yīng)定律［7］。在50A～1000A的電流范圍內(nèi)，利用CT從高壓傳輸中感應(yīng)，經(jīng)過整流和降壓后，最終可以為電網(wǎng)信息化運(yùn)維在線監(jiān)測設(shè)備提供穩(wěn)定的3.4V直流電壓。

2.2 理論分析

取能線圈的工作原理與變壓器相似，其空載等效模型如圖2所示。

根據(jù)電磁理論的知識(shí)，次級(jí)電壓有效值為

其中，E2為磁感應(yīng)電動(dòng)勢的均方根值，f為電源頻率，N2為次側(cè)繞組，Φm為磁通量振幅，通量振幅為

其中，Bm為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，S為核心的橫截面面積，k為疊片系數(shù)。

根據(jù)安培電流定律，可得

其中，l為平均磁路長度，I1為激磁電流，N1為初級(jí)繞組匝數(shù)。磁感應(yīng)峰值與磁場強(qiáng)度峰值的關(guān)系為

其中，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率，Hm為磁場強(qiáng)度的峰值。通過式（1）～（4）可得：

通過式（5）可得，取能線圈的二次側(cè)電壓與一次側(cè)勵(lì)磁電流Im有關(guān)，與二次側(cè)電流無關(guān)。

如圖3所示，從區(qū)域1到區(qū)域4，磁感應(yīng)B與電場強(qiáng)度H近似成正比，且隨H的增加而增大，但在飽和區(qū)域，當(dāng)Hm增加時(shí)，Bm增速減慢甚至不增加。由式（1）和（2）表明，如果 Bm不改變，則二級(jí)側(cè)電壓的均方根值E2不變。因此，E2不隨飽和區(qū)導(dǎo)線電流的增加而增大。

文獻(xiàn)［8］和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在深度飽和狀態(tài)下感應(yīng)電壓的波形會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變，形成窄脈沖波形，這對(duì)解決后續(xù)電路問題是一個(gè)很大的難題。為了解決這一問題，通過增加磁飽和電流，如在電源線圈加入氣隙［9］，并使用反饋補(bǔ)償控制［10］可降低電壓的振幅。但由于氣隙結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜且寬度難以控制，這將對(duì)電力可靠性產(chǎn)生較大的影響。

3 電網(wǎng)信息化運(yùn)維模式優(yōu)化

3.1 前端保護(hù)模塊

當(dāng)傳輸線被雷擊或短路時(shí)，尤其是雷擊時(shí)，繼電保護(hù)裝置不能及時(shí)工作，這將對(duì)電力設(shè)備電路造成致命的威脅。沖擊電流不僅對(duì)電力裝置造成危害，而且對(duì)電力設(shè)備造成機(jī)械傷害。一方面，沖擊電流可能導(dǎo)致取能線圈感應(yīng)瞬態(tài)高電壓［11］。另一方面，它會(huì)導(dǎo)致巨大的電能破壞取能線圈［12］。在本文中，將瞬態(tài)抑制二極管（TVS）［13］和電壓相關(guān)電阻并聯(lián)為前端保護(hù)，并在鐵芯與繞組線圈之間填充軟緩沖層以減少電力的沖擊。

3.2 電壓控制電路

前面的分析表明，當(dāng)輸電線電流高于一定值時(shí)，取能線圈就會(huì)飽和。次級(jí)感應(yīng)電壓波形成為尖峰波或大幅度的脈沖波［14］，因此必須采取措施來限制過大的電壓，以防止DC-DC模塊受到損壞。式（5）表明，當(dāng)磁芯參數(shù)和次級(jí)繞組的匝數(shù)為固定值時(shí)，線圈的次級(jí)側(cè)輸出電壓E2僅與勵(lì)磁電流Im的初級(jí)側(cè)有關(guān)。電壓E2越高，勵(lì)磁電流Im越大。為了抑制取能線圈的飽和，可以減小輸出鐵芯的次級(jí)側(cè)電壓來控制DC-DC電路的輸入電壓在一定范圍內(nèi)。

電壓控制電路如圖4所示，由控制信號(hào)電路和降壓電路組成。降壓電路主要由NMOS晶體管Q1和儲(chǔ)能電容器C組成，當(dāng)DC-DC模塊輸入電壓過高時(shí)，Q1將工作并放出多余的電能，從而達(dá)到降低電壓的目的?？刂菩盘?hào)電路由可編程計(jì)數(shù)器陣列的單片機(jī)構(gòu)成［15］。當(dāng)儲(chǔ)能電容器C的電壓超出正常工作范圍時(shí)，Q1將由單片機(jī)控制開關(guān)。

如圖4所示，儲(chǔ)能電容器C的電壓Vc正常工作范圍為Vc1-Vc2。當(dāng)Vc高于最大正常運(yùn)行電壓Vc2時(shí)，單片機(jī)輸出一個(gè)高電平信號(hào)來關(guān)閉NMOS晶體管Q1。多余的電能通過Q1放電，負(fù)載由C供電，儲(chǔ)能電容器C為負(fù)載供電，使得終端電壓Vc降低。當(dāng)Vc低于最小正常工作電壓Vc1時(shí)，控制信號(hào)電路無輸出，則Q1打開。整流電路的輸出功率直接提供給負(fù)載和儲(chǔ)能電容器C。

保護(hù)電路包括穩(wěn)壓管W1、限流電阻R1和接地電阻R2。當(dāng)電壓Vin超過擊穿電壓W1時(shí)，W1打開，流過W1的電流在R2上產(chǎn)生電壓降。因此，NMOS晶體管Q1釋放多余的電能。

為了驗(yàn)證電路是否能達(dá)到降低電壓的目的，使用信號(hào)發(fā)生器重新配置控制電路?；芈份敵霾煌伎毡鹊腜WM波來控制降壓電路，使用47Ω的電阻R作為負(fù)載。如圖5所示，輸電線電流為200 A，Q1完全打開后，R的電壓從30V降至到接近0 V。

如圖6所示，當(dāng)傳輸線電流為300A，400A和500A時(shí)，隨著控制信號(hào)的占空比增加，電阻R上的電壓逐漸降低。當(dāng)控制信號(hào)的占空比約為90%時(shí)，電壓約為10V可以實(shí)現(xiàn)降壓的目的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)選擇Ferroxcube公司生產(chǎn)的U93-MnZn鐵氧體U型磁芯。經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)，選擇匝數(shù)為400，漆包線直徑選為1mm。取能線圈可設(shè)置在具有特殊設(shè)計(jì)外殼的傳輸線內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。調(diào)壓器輸入接220V/50Hz的交流電，電流發(fā)生器輸出大電流的短接。它可以通過調(diào)壓器來改變電流發(fā)生器的輸出電流。為了便于測量取能線圈的電流，使用高精度電流互感器來檢測電流。

4.2 測試結(jié)果和分析

在啟動(dòng)電流50A時(shí)，假設(shè)測試中的取能線圈能提供足夠的功率。使用一個(gè)可變電阻來模擬負(fù)載變化以測試取能線圈功率。實(shí)驗(yàn)表明，取能線圈與負(fù)載有關(guān)。如圖8所示，電流發(fā)生器輸出電流I1=50A時(shí)，當(dāng)負(fù)載電阻器R=150Ω，取能線圈功率P2達(dá)到最大值，即653MW。它可以為負(fù)載提供足夠的電力。

輸出電能的設(shè)計(jì)要求是啟動(dòng)電流為50A，負(fù)載可以提供500兆瓦以上的功率（帶有GPS模塊的電網(wǎng)信息化運(yùn)維模式中的傳輸線路監(jiān)測裝置的正常工作功率約為500MW），傳輸線電流可在50A～1000 A范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

使用負(fù)載電阻器R=47Ω作為負(fù)載，在實(shí)驗(yàn)中測試了基于上述參數(shù)的電力設(shè)備。如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能電容器C的最大電壓為12.0V，最小電壓為9.0V。當(dāng)NMOS晶體管Q1關(guān)閉時(shí)，儲(chǔ)能電容器C直接為負(fù)載提供電能，并且其終端電壓Vc降低。當(dāng)Q1打開時(shí)，整流電路輸出功率直接供給負(fù)載并對(duì)儲(chǔ)能電容器C進(jìn)行充電，則C的電壓Vc將增加。

在表1中，Vmax是DC-DC模塊的最大輸入電壓，Vmin是DC-DC模塊的最小輸入電壓，Vout是輸出電壓。

表1 DC-DC模塊電路的輸出和輸入電壓

在電壓控制電路后，DC-DC模塊輸入為9.0V～12.0 V，在50A～1000A的總線電流范圍內(nèi)輸出3.4V電壓。當(dāng)總線電流為300A時(shí)，電源設(shè)備繼續(xù)工作300min，DC-DC模塊輸出電壓Vout在300min內(nèi)的波形如圖10所示。在DC-DC模塊之后，電源設(shè)備可以提供穩(wěn)定的3.4 V電壓。

5 結(jié)語

本文研究了電網(wǎng)信息化運(yùn)維過程中的高壓在線監(jiān)測裝置的功率問題。分析表明，利用CT來感應(yīng)電能是一種低成本、實(shí)用、可行的方法。為了解決現(xiàn)有電源易飽和，高功耗的問題，本文介紹了高壓端電源設(shè)備的新設(shè)計(jì)。大量實(shí)驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的電力裝置能有效地確保磁芯在高電流、不飽和、低功耗的情況下的穩(wěn)定工作。本文所提出的優(yōu)化方案可為電網(wǎng)信息化運(yùn)維提供一種新的思路。

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