架空输电线路故障检测器供能电源的设计

随着电力系统自动化水平的提高，电子设备越来越多地应用在高压输电线上，如高压线路故障检测器、巡线机器人、高压线路污秽在线检测设备等，以保证高压输电线路的可靠运行。而电子设备的供电获取成为实际研究的一个重要问题，如何行之有效地解决高压侧电子设备的供能电源即成为重要任务。采用太阳能蓄电池的供电方式，难于提供较大的电源功率、成本高、维护困难且受气候条件影响大，无法实现全天候的供电需求；激光供能在电子电流互感器和有源型光学电流互感器上得到了应用，但此类电源成本高，高压侧电路需采用微功耗设计，加大了电路设计的难度。利用特制线圈在线取能给高压侧电气设备供电，由于其与高压侧完全隔离，不会对电网本身产生影响，所以成为目前最有发展前景的供电方式。而此供电方式也有需要解决的问题：母线在正常电流范围内取能线圈能提供稳定的输出；在短路及冲击电流下能合理保护电源和后级电路仍能正常工作等。鉴于以上论述，本文提出一种通过特制线圈从高压侧一次母线感应取能与蓄能电池相结合的电源解决方案，使得供能可靠稳定。

1 取能电源的工作原理
     取能电源的工作原理如图1所示。
   
   
     该供电方式利用电磁感应原理，由C型绕线铁芯从母线中感应得到交流电电能，经过整流、滤波和电源变换转换成所需的电压为高压侧电子设备供电。设计要尽量减小启动电流，保证在输电线上流过较小电流时能提供足以驱动后级电路的功率，如无法满足所需能量时将转向蓄能电池向电子电路供电；当电力系统负荷变化很大或出现短路故障时，母线随之流过很大电流，此时通过功率调整电路调节线圈输出电压，使得整流滤波后的电压输出保持稳定，从而保护了后级电路，避免了由于过压所造成的损坏，保证了整个电子电路的正常稳定工作。

2 取能电源的设计与实现
     由电磁理论的相关知识可知，电力线路周围存在着磁场，线圈通过磁场感应获取能量。取能线圈二次侧的感应电势为

     式中，E2为二次侧感应电动势有效值；f为电流基频50 Hz；N1为一次侧线圈匝数，即为1；N2为二次侧线圈匝数；I1为一次侧线圈电流，即母线电流；I2为二次侧线圈电流；Im为铁芯励磁电流，可忽略不计；L为平均磁路长度；B为铁芯磁感应强度；H为磁场强度；μ为导磁率；φm为磁路中磁通；S为铁芯截面积；λ为铁芯叠片系数。
2．1 取能线圈铁芯材料与匝数的选取
     根据上述理论可知，在线路电流不变的情况下，增大N2，B或S均能够提高二次侧感应电势，也就是可以提高其所提供的功率。B与铁芯的材料特性有关，为减小电源工作死区，降低启动电流，应选择初始磁导率高的材料。为了改善小电流启动状态而增加线圈匝数，同时也使得母线大电流状态时的感应电压过高；增加铁芯截面积会给模块的安装带来不便。从应用角度出发，考虑到实际问题，理论与实验相结合，因此应选取较合适的铁芯材料，确定截面积大小和线圈匝数。
     硅钢材料具有高饱和磁通密度，低损耗，良好的温度稳定性和时效稳定性，虽然其初始磁导率不及现代非晶材料，小电流启动情况也没有非晶材料效果突出，但可以通过稍增加线圈匝数的措施来弥补，加之硅钢材料易于获取，且成本上具有相当明显的优势，故本文决定选取特制的C型硅钢作为铁芯。截面积选择10 mm×13 mm的C型结构，满足在带电方式下经过特制的外壳装夹在架空输电线上。线圈匝数的确定根据式(1)～式(5)的计算，再经实验调整，最终决定选取φ=0．45 mm的漆包线在铁芯骨架上绕制300匝。
2．2 过压过流保护与功率调整
     为了防止在发生雷击或线路中出现短路故障产生大电流的瞬间，线圈二次侧会感应出很高的冲击电压，对后级电路产生灾难性的损坏，设计在线圈接入电路端并联一瞬变抑制二极管(TVS)和压敏电阻，抑制和防止感应线圈产生的冲击电压。随着母线电流的增加，线圈感应出的电压过高，整流滤波后的电压也随之增加，当电压超过DC-DC模块前级允许最大输入电压时，将导致DC-DC模块受损。为了防止类似故障的发生在整流滤波电路后级增添一电压监控和功率调整模块，其原理图如图2所示。
   
   
     电压监控和功率调整模块输入端接整流滤波电路输出，输出端接取能线圈输出。当整流滤波电路的输出电压大于电路设定的额定电压时，稳压管D1导通，给光电耦合器U1前级提供触发电流，光电耦合器U1输出导通；光电耦合器选用内部带过零检测功能、双向可控硅控制输出的MOC型光电耦合器，在每次过零点时判断是否有前置电流，如果有前置电流则在此周期内光耦导通。光耦输出导通后，电阻R4上产生电压，触发双向可控硅D7导通，短接取能线圈两端。通过双向可控硅不断地导通和截止，整流滤波电路输出电容不停地充放电，从而使输出电压保持稳定。
     本文设计的功率调整电路，测试实验采用调压器模拟取能线圈感应电压的方式进行。由于在达到电路设定的额定电压下需要短接线圈，为了防止损坏调压器，在其输出端串接一个电阻以达到实验效果。在各输入电压情况下调整电压稳定输出的情况如图3所示。实验证明本电路模块工作性能稳定，能对后级电子元件起到良好的保护作用。
   
   
2．3 DC-DC电压变换
     由于特制线圈从母线感应出交流电并经过整流滤波后得到具有一定变化范围的直流电压，因此采用一个宽范围输入的DC-DG变换器芯片LM2576 ADJ。LM2576 ADJ输入电压范围为4．75～40 V，输出可得到可调的稳定电压，且高低温度特性好，输出纹波不超过20 mV。DC-DC变换器原理图如图4所示。
   
   
2．4 储能电池充电管理电路
     本设计采用线圈取能与储能电池相结合的方式为工作在高压侧的电子设备供能，取能电源处于正常工作状态时，为电子电路提供电源，并且能对储能电池进行充电；当取能电源不能为后级电路提供足够大的能量时，此时转换成储能电池供能，保证电子设备能连续不断电工作。通过对比各类充电电池特性后，选取大容量磷酸铁锂充电电池组作为后备电源。
     磷酸铁锂电池具有卓着的安全性能，不会因过充、过热、短路、撞击而产生爆炸或燃烧；使用寿命长，循环使用次数多，其容量保持率是铅酸电池的8倍、镍氢电池的3倍、锰酸锂电池的4～5倍等；充电速度快，自放电少，无记忆效应，单体电压3．3 V，放电平台稳定。
     鉴于对储能电池的维护，利用CN3058设计了专门充电管理电路控制其充电过程。内部恒定输出电压3．6 V，也可通过一外部电阻调节充电电压；可激活深度放电的电池和减少功耗，电池电压低于2．05 V时采用涓流充电模式，可编程的持续恒流充电电流可达500 mA，电源电压掉电时自动进入低功耗的睡眠模式。图5为储能电池充电管理电路。
   
   

3 实验结果
     基于上述设计参数对取电模块带负载能力进行实验，在取电模块后级接入相关课题研制的架空输电线故障检测器模块，测试表明取能装置在母线一次侧10 A的电流下可以启动，在正常工作状态下，该模块能够输出5 V左右供电电压，不低于60 mA的电流，使后级检测器模块可以正常工作；并且在过压的情况下通过功率调节电路能保证输出电压稳定，对后级电路不造成损坏，测试结果见表1。由此可见，本文所提出的一种通过特制线圈从高压侧一次母线取能与蓄能电池相结合的供能方案，能解决线路短时间停电和母线大电流情况下，架空线路上的电子设备的电源供给问题，保障设备持续不掉电的稳定工作。
   
   

4 结束语
     利用取能线圈从高压线母线侧取电和蓄能电池供能相结合的方法，解决了在母线电流很小时存在的死区问题和在大电流情况下，对电子设备的安全稳定工作实施了有效保护，能为后级电路提供稳定的电压输出。通过实验验证了该方法的可行性，能够使工作在架空输电线的电子设备连续稳定工作，有效地解决了高压侧电子设备的供能问题。