曾俊 黎俊 張昊 楊雪飛 劉濤

摘要：本文描述了一種新型的配網(wǎng)在線裝置取能的研究與設(shè)計(jì)，提出了一種新的取能線圈設(shè)計(jì)思路，并通過(guò)分析與仿真，實(shí)現(xiàn)了取能線圈的材質(zhì)選型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并且增加了充電以及電池管理的研究與設(shè)計(jì)。針對(duì)線路上電流的不穩(wěn)定性，進(jìn)行了泄放電路、保護(hù)電路、信號(hào)調(diào)理電路的多重優(yōu)化設(shè)計(jì)。并通過(guò)帶負(fù)載能力的測(cè)試，證明了該設(shè)計(jì)在線路上取能的有效性和可靠性。

Abstract： This paper describes the research and design of a new type of distribution network online device， and proposes a new design concept of the energy-carrying coil. Through analysis and simulation， the material selection and structure design of the energy-carrying coil are realized. Aiming at the instability of the current on the line， multiple optimization designs of the bleeder circuit， the protection circuit and the signal conditioning circuit are carried out. And the test with load capacity proves the effectiveness and reliability of the design on the line.

關(guān)鍵詞：取能電路、保護(hù)電路、在線裝置

Keyword： energy extraction circuit， protection circuit， online device

0 引言

伴隨著配電網(wǎng)電力系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展，配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用更為廣泛，其電源的供給設(shè)計(jì)變得尤為重要。因目前在線監(jiān)測(cè)裝置大部分工作在線路終端，其應(yīng)用環(huán)境大部分為在架空線路上，基本無(wú)法采用常規(guī)電源，且需要長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，滿(mǎn)足免維護(hù)等要求故目前主要采用太陽(yáng)能加上鋰電池供電方式、高壓絕緣子電容分壓取能方式、特制電流互感器線圈的方式等。

太陽(yáng)能加鋰電池是無(wú)線設(shè)備的常用模式，目前在在線監(jiān)測(cè)裝置上也廣泛應(yīng)用，但其受環(huán)境因素影戲較大，并且一般無(wú)法滿(mǎn)足長(zhǎng)期免維護(hù)等設(shè)計(jì)要求。而采用PT、CT以及電容分壓模式受體積及成本價(jià)格影響又較大，因此利用特制線圈在線取能成為目前最有發(fā)展前景的供電方式。而此供電方式也有需要解決的問(wèn)題：母線在正常電流范圍內(nèi)取能線圈能提供穩(wěn)定的輸出;在短路及沖擊電流下能合理保護(hù)電源和后級(jí)電路仍能正常工作等。鑒于以上論述，本文提出一種通過(guò)特制線圈從高壓側(cè)輸電線路感應(yīng)取能與蓄能電池相結(jié)合的電源解決方案，使得供能可靠穩(wěn)定。

1 配網(wǎng)線路上取能的基本原理

配網(wǎng)線路上取能的基本工作原理如圖1所示

該供電方式利用電磁感應(yīng)原理，由取電線圈從配網(wǎng)線路中感應(yīng)得到交流電電能，經(jīng)過(guò)保護(hù)電路、整流電路、濾波電路和電源變換及儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓源為在線設(shè)備可靠供電。設(shè)計(jì)要盡量減小啟動(dòng)電流，保證在輸電線上流過(guò)較小電流時(shí)能提供足以驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路的功率，如無(wú)法滿(mǎn)足所需能量時(shí)將轉(zhuǎn)向蓄能電池向電子電路供電;當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷變化很大或出現(xiàn)短路故障時(shí)，母線隨之流過(guò)很大電流，此時(shí)通過(guò)功率調(diào)整電路調(diào)節(jié)線圈輸出電壓，使得整流濾波后的電壓輸出保持穩(wěn)定，從而保護(hù)了后級(jí)電路，避免了由于過(guò)壓所造成的損壞，保證了整個(gè)電子電路的正常穩(wěn)定工作。

2? 線圈設(shè)計(jì)的基本理論

由電磁理論的相關(guān)知識(shí)可知，電力線路周?chē)嬖谥艌?chǎng)，線圈通過(guò)磁場(chǎng)感應(yīng)獲取能量。取能線圈二次側(cè)的感應(yīng)電勢(shì)為

式中，E2為二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值;f為電流基頻50 Hz;N1為一次側(cè)線圈匝數(shù)，即為1;N2為二次側(cè)線圈匝數(shù);I1為一次側(cè)線圈電流，即母線電流;I2為二次側(cè)線圈電流;Im為鐵芯勵(lì)磁電流，可忽略不計(jì);L為平均磁路長(zhǎng)度;B為鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;μ為導(dǎo)磁率;φm為磁路中磁通;S為鐵芯截面積;λ為鐵芯疊片系數(shù)。

2.1? 取能線圈材質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述理論可知，在線路電流不變的情況下，增大N2，B或S均能夠提高二次側(cè)感應(yīng)電勢(shì)，也就是可以提高其所提供的功率。B與鐵芯的材料特性有關(guān)，為減小電源工作死區(qū)，降低啟動(dòng)電流，應(yīng)選擇初始磁導(dǎo)率高的材料。為了改善小電流啟動(dòng)狀態(tài)而增加線圈匝數(shù)，同時(shí)也使得母線大電流狀態(tài)時(shí)的感應(yīng)電壓過(guò)高;增加鐵芯截面積會(huì)給模塊的安裝帶來(lái)不便。從應(yīng)用角度出發(fā)，考慮到實(shí)際問(wèn)題，理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，因此應(yīng)選取較合適的鐵芯材料，確定截面積大小和線圈匝數(shù)。

硅鋼材料具有高飽和磁通密度，低損耗，良好的溫度穩(wěn)定性和時(shí)效穩(wěn)定性，雖然其初始磁導(dǎo)率不及現(xiàn)代非晶材料，小電流啟動(dòng)情況也沒(méi)有非晶材料效果突出，但可以通過(guò)稍增加線圈匝數(shù)的措施來(lái)彌補(bǔ)，加之硅鋼材料易于獲取，且成本上具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢(shì)，故本文決定選取特制的C型硅鋼作為鐵芯。截面積選擇10 mm×13 mm的C型結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足在帶電方式下經(jīng)過(guò)特制的外殼裝夾在架空輸電線上。線圈匝數(shù)的確定根據(jù)式（1）～式（5）的計(jì)算，再經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)整，最終決定選取φ=0.45 mm的漆包線在鐵芯骨架上繞制300匝。

2.2 保護(hù)電路及信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

為了防止在發(fā)生雷擊或線路中出現(xiàn)短路故障產(chǎn)生大電流的瞬間，線圈二次側(cè)會(huì)感應(yīng)出很高的沖擊電壓，對(duì)后級(jí)電路產(chǎn)生災(zāi)難性的損壞，設(shè)計(jì)在線圈接入電路端并聯(lián)一瞬變抑制二極管（TVS）和壓敏電阻，抑制和防止感應(yīng)線圈產(chǎn)生的沖擊電壓。隨著母線電流的增加，線圈感應(yīng)出的電壓過(guò)高，整流濾波后的電壓也隨之增加，當(dāng)電壓超過(guò)DC—DC模塊前級(jí)允許最大輸入電壓時(shí)，將導(dǎo)致DC—DC模塊受損。為了防止類(lèi)似故障的發(fā)生在整流濾波電路后級(jí)增添保護(hù)電路及信號(hào)調(diào)理電路，其原理圖如圖2所示。

保護(hù)電路及信號(hào)調(diào)理電路的輸入端連接取能線圈的輸出端口，保護(hù)電路及信號(hào)調(diào)理電路的輸出端接入電壓變換電路輸入端口。當(dāng)取能線圈的輸出電壓大于電路設(shè)定額定電壓時(shí)，電路中的壓敏電阻和TVS首先進(jìn)行限壓，取能線圈的能量持續(xù)過(guò)大時(shí)，在可控硅的門(mén)極就會(huì)形成一個(gè)較大的電壓，控制可控硅瞬時(shí)導(dǎo)通，泄放取能線圈中的能量，保證后級(jí)電壓變換電路免受配網(wǎng)線路上短路電流突然增大的影響。進(jìn)過(guò)保護(hù)及信號(hào)調(diào)理后將取能線圈的能量再經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)為直流電源。

本文介紹的保護(hù)電路及信號(hào)調(diào)理電路經(jīng)過(guò)電路仿真及實(shí)際試驗(yàn)，在取能線圈30-1000A時(shí)，輸出電壓能夠穩(wěn)定在5V左右，紋波在20mV。

2.3 電壓變換電路的設(shè)計(jì)

由于取能線圈的輸出電壓取決于配網(wǎng)線路工作電流，而配網(wǎng)線路工作電流由負(fù)荷決定，因此線圈取能端的電壓范圍可能是幾百毫伏至幾十伏，其中前級(jí)的調(diào)理電路可以將大電壓信號(hào)限制為適用后級(jí)所需電壓信號(hào)，但當(dāng)電流足夠小，后級(jí)電路包括取能就會(huì)難以達(dá)到要求。

本次設(shè)計(jì)采用了具有升壓充電器的超低功耗收集電源管理 IC 以及毫微功率降壓轉(zhuǎn)換器BQ25570，該芯片既具有升壓充電器的功能，又具有微功耗降壓功能，可為在線監(jiān)測(cè)設(shè)備提供穩(wěn)定所需電壓。該電路可以在600mV的電壓情況下進(jìn)行啟動(dòng)，保證為后級(jí)電路提供穩(wěn)定的3.3V電源。并且在低至100mV電壓的情況下，對(duì)取能線圈的能量進(jìn)行采集，保證儲(chǔ)能合供電。

2.4 電池儲(chǔ)能及充電管理電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用線圈取能與儲(chǔ)能電池相結(jié)合的方式為工作在高壓側(cè)的電子設(shè)備供能，取能電源處于正常工作狀態(tài)時(shí)，為電子電路提供電源，并且能對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電;當(dāng)取能電源不能為后級(jí)電路提供足夠大的能量時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)換成儲(chǔ)能電池供能，保證電子設(shè)備能連續(xù)不斷電工作。通過(guò)對(duì)比各類(lèi)充電電池特性后，選取大容量磷酸鐵鋰充電電池組作為后備電源。

磷酸鐵鋰電池具有卓著的安全性能，不會(huì)因過(guò)充、過(guò)熱、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒;使用壽命長(zhǎng)，循環(huán)使用次數(shù)多，其容量保持率是鉛酸電池的8倍、鎳氫電池的3倍、錳酸鋰電池的4～5倍等;充電速度快，自放電少，無(wú)記憶效應(yīng)，單體電壓3.3 V，放電平臺(tái)穩(wěn)定。

鑒于對(duì)儲(chǔ)能電池的維護(hù)，利用BQ25570設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)充電管理電路控制其充電過(guò)程。內(nèi)部恒定輸出電壓3.3 V，也可通過(guò)一外部電阻調(diào)節(jié)充電電壓;可激活深度放電的電池和減少功耗，電池電壓低于2 V時(shí)采用涓流充電模式，可編程的持續(xù)恒流充電電流可達(dá)500 mA，電源電壓掉電時(shí)自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)取電模塊帶負(fù)載能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在取電模塊后級(jí)接入相關(guān)課題研制的架空輸電線故障檢測(cè)器模塊，測(cè)試表明取能裝置在母線一次側(cè)3 A的電流下可以啟動(dòng)，在正常工作狀態(tài)下，該模塊能夠輸出3V左右供電電壓，不低于10 mA的電流，使后級(jí)檢測(cè)器模塊可以正常工作;并且在過(guò)壓的情況下通過(guò)功率調(diào)節(jié)電路能保證輸出電壓穩(wěn)定，對(duì)后級(jí)電路不造成損壞。由此可見(jiàn)，本文所提出的一種通過(guò)特制線圈從高壓側(cè)一次母線取能與蓄能電池相結(jié)合的供能方案，能解決線路短時(shí)間停電和母線大電流情況下，架空線路上的在線設(shè)備的電源供給問(wèn)題，保障設(shè)備持續(xù)不掉電的穩(wěn)定工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

電源的可靠、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是電子設(shè)備可靠工作的首要條件，本文提出的取能設(shè)計(jì)有效的解決了配電網(wǎng)在線裝置電源供電問(wèn)題，保證了在線裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：曾俊（1975-），男，本科，從事線路、營(yíng)銷(xiāo)、電站、變運(yùn)、調(diào)度專(zhuān)業(yè)的運(yùn)維、管理等工作，就職于云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局