基于电子式PT取电和超级电容储能的配电设备供电系统

覃宗涛　钟东　陈秋明

摘 要：该文首先对现阶段配网系统目前供电方式进行简要分析，然后根据目前各种供电方式存在的问题提出了相应的解决方案，并提出了通过电子式PT取电与超级电容储能的配电设备电源解决方案，并通过实验证明该电源解决方案的可行性与有效性。此类供电方式由于受到天气因素影响，特别是南方阴雨天气较多，导致过长时间太阳能电池无法进行正常取电输出，设备仅靠铅酸电池[1]或锂电池进行供电，而在储能方面，我们通过采用充电时间短、使用寿命长的超级电容进行储电，取代了原有易受环境影响的铅酸电池或锂电池，保障设备用电的稳定性和可靠性。

关键词：配电网 电源 电子式PT 超级电容

中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0062-03

这里该研究者提出一种不论在取电还是储电方面都比现有供电方式更加稳定可靠的供电系统，该系统通过配网线路中常用的电子式PT[2]（电压互感器）进行取电，由于电子式PT是通过获取10kV线路上的能量进行供电，可以保证供电时不受阴雨天气影响，取电方面有了极大的保障。目前配电线路故障检测系统中，通信终端部分设备用电绝大部分均采用太阳能电池与铅酸电池或锂电池方式进行供电。由于电子式电压互感器二次端本身能提供一个0-5V左右的电压，而目前市面上一些配电通信终端一般也是低电压低功耗运行，仅需几伏的电压信号和极小的功率就能满足其电源需求，而电子式电压互感器能很好满足这一要求。作为传统电磁式电压互感器理想的换代产品，将给电力测量、保护和供电领域带来革命性变革。将电子式电压互感器应用于配电智能通信终端设备中，将全面提升产品的使用寿命及供电可靠性。

1 取电装置电子式电压互感器介绍

电子式电压互感器一般是应用在计量装置、继电保护或测量仪表等方面，电子式电压互感器主要是通过精密电容组成电子式电压互感器，互感精度主要由电容器分压精度决定，电容器分压原理见图1。

C1，C2分别为电容的高、低压侧，U1为一次电压，Uc1、Uc2为分压电容上的电压。由于C1，C2串联，所以：

U1=Uc1+Uc2

Uc2=C1/（C1+C2）xU1=KU1

K=C1/（C1+C2）

其中，K为电容的分压比，只要选择合适的C1和C2电容容量，便可得到所需分压电压比，由于电压比可通过电容容量控制，所以二次电压可以根据需要设计在0-5V之间，很容易与二次智能化设备接口，满足当代智能化、数字化二次终端、保护的需求，又因其没有铁芯，因而从根本上消除了产生铁磁谐振的危险。

2 储能元件超级电容介绍

由于配电设备一般都带有通讯和停电后故障指示功能，电源系统还需加入储能单元。超级电容[3]，又名电化学电容器，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。其基本原理[4]和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

对比铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池等传统电池，超级电容具有节能、超长使用寿命、安全、环保、宽温度范围、充电快速、无需人工维护等优点。之所以叫超级电容，是因为超级电容的容值都是法拉级的，且可以很快提供一个充放电，这是传统的电容或者电池做不到的。

电池的充放电大概在1h到10h左右，而传统电容是作为滤波使用的，充放电是在0.03s，但是超级电容就在1秒左右，基本上是从0.1s到10s，超级电容是用物理的方法储能，电池是用化学反应的方法来储能，所以电池的反应时间会很长，超级电容可以快速的充放电，这是它的根本原因，也是超级电容的性能优势之所在。

传统的储能系统是使用铅酸电池，铅酸电池一般使用环境温度为：-30℃～60℃，在超过环境下使用时，温铅酸电池的容量及寿命将受到很大影响。而超级电容可以工作在在-40℃～65℃之间，可以覆盖PC -20℃～60℃的工作温度范围和电池0℃～50℃的工作温度。超级电容是功率密集元件，其使用寿命是非常长的，循环充放电次数可以达到10～50万次[4]。

3 电源整体设计

基于电子式PT取电和超级电容储能的配电设备电源系统设计拓扑图（如图2）。

3.1 前端保护整流及稳压电路

通过上述对电子式电压互感器原理的分析可知，其取电原理是通过电容串联分压方式进行取电，取电电压与C1，C2比值有关，但是由于C1，C2是串联接入到10kV线路中，二次端仍然存在安全隐患，并且考虑到线路的其他不稳定因素影响，必须对二次端输出的低压交流信号进行隔离保护。在这里通过小型隔离变压器对二次端电压进行隔离，然后通过保护性元件压敏电阻及TVS管进行过压保护，具体电路见图3。

3.2 充电电路设计

由于超级电容的内阻比其他类型电池内阻低，在对超级电容进行充电时，初始充电电流非常大，如采用普通充电电路对超级电容进行充电可能导致充电电路无法正常工作。这里采用Linear公司生产专门为超级电容设计的充电管理芯片LTC3225进行充电电路设计。该芯片是一款可编程超级电容充电器，专为两个2.8V～5.5V串联使用的超级电容电池进行充电而设计，芯片具有自动单元平衡处理可防止任一个超级电容器遭受过压损坏，不必专门设计平衡电阻器。详细硬件设计如下：

LTC3225是通过芯片内的电荷泵来进行电容充电，见上图1所示，在芯片外部接有快速电容泵，输入电源首先对快速电容泵进行充电，当快速电容泵充满后，快速电容泵上的电荷就向超级电容转移。其充电过程是以一定时间周期在充电和电荷转移间进行，其充电顺序是按串联超级电容的顺序逐一转移的。

上图SHDN端口为芯片工作控制端口，当该端口电平为高时，芯片进入正常充电状态，该端口电平为低时，芯片停止充电工作，此时芯片进入低功耗模式，在该模式下，芯片功耗小于1uA。PGOOD输出端口用于监视充电状况，当超级电容充电结束后，该端口输出高电平，反之为低电平。

LTC3225为双列10脚贴片封装。充电电流最大可达150mA，通过少量外围器件即可构成串联型超级电容的充电电路，非常适用于利用电子式PT进行供电充电的后备电源设备。

3.3 超级电容容量选择

超级电容器作为电池应用主要有两个方面：大电流脉冲应用[5]和小电流功率保持。电流脉冲应用的特征：要求持续向负载提供大电流，供电时间一般为几秒或几分钟；而小电流功率保持应用的特征是：要求超级电容持续不断的提供小电流功率输出，供电时间较长，一般要求能达到最少30min或更加长时间的应用。

而这里我们配网设备基本都为嵌入式系统，一般均为低功耗运行，所以这里关于超级电容储能的应用方式我们采用小电流功率保持的方式。

这里假设在单片机应用系统中，应用超级电容作为后备电源，在掉电后需要用超级电容维持10mA的电流，要求能持续为设备供电10h，单片机系统截止工作电压为2.5V，那么需要多大容量的超级电容能够保证系统正常工作？

这里该研究者提供了计算公式：

该公式根据能量守恒理论，保持所需能量=超电容减少能量。

保持期间所需能量=1/2I（Uwork+？Umin）t；

超电容减少能量=1/2C（Uwork2？-Umin2），

C=（Uwork+Umin）t/（Uwork2？-Umin2）

E=C（Uwork*Umin）-（）

这里对上述名称进行说明：

C（F）：超电容的标称容量；

Uwork（V）：在电路中的正常工作电压？；

Umin（V）：要求器件工作的最小电压；

t（s）：在电路中要求的保持时间；

I（A）：负载电流；

由以上公式可知：

工作起始电压：Vwork=5V；

截止电压：Vmin=2.5V；

持续时间：t=10h（36000s）；

平均功耗：I=0.01A

所需电容容量为：

C=（Vwork+Vmin）It/（Vwork2-Vmin2）=（5+2.5）*0.01*36000/（5*5-2.5*2.5）=144F

根据计算结果，可以选择5.5V 150F电容就可以满足需要了。考虑到电容器本身容量误差问题我们可以选择5.5V 200F的超级电容即可保证设备稳定工作10h以上。

4 实验结果

实验样机选用LPK2-P4型适用于10kV架空线路（裸导线或绝缘导线），将10kV高电压转换为24V以下的交流低压， 该取电PT提供带电安装挂钩，可直接带电安装到A、B、C三相的任意一相架空导线上。取电PT安装以后，其原边接地线电流最大只有1mA，属于人体安全电流，而输出功率可达5W。与市面上某些电容分压取电PT不同，该型取电PT还采取原副边电气隔离技术，再次确保设备本身和使用者的人身安全。

按上述充电电路充电电流150mA对200F超级电容进行储能充电，充满需要时长约为：1h左右，完全符合实际使用需求。

5 结语

基于电子式PT取电和超级电容储能的电源系统具有成本低、隔离性能好、绿色环保的优势，采用电子式PT取电能改善CT取电方式线路电流太小而无法取电的问题，同时隔离保护电路能够很好的保护后端用电设备的安全。该文介绍的取电方案控制简单，且能够为电力在线监测设备提供稳定可靠的工作电源

参考文献

[1] 董宏，赖世能.高温型阀控式密封铅酸蓄电池应用与发展思路[J].通信电源技术，2014：31.

[2] 王化冰，赵志敏.基于电容分压器的电子式电压互感器的研究[J].继电器，2007，35（18）：46-49.

[3] 杨盛毅，文方.超级电容器综述[J].现代机械，2009（4）：82-84.

[4] 顾帅，韦莉，张逸成，等.超级电容器老化特征与寿命测试研究展望[J].中国电机工程学报，2013（21）：145-153，204.

[5] 李启国.超级电容器储能脉冲电源的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.