高压输电线路在线监测装置供能电源的研制

陈凯

(广东电网有限责任公司湛江供电局，广东 湛江 524005)



高压输电线路在线监测装置供能电源的研制

陈凯

(广东电网有限责任公司湛江供电局，广东 湛江 524005)

摘要：为解决高压输电线路在线监测装置的供电问题，研制了一种新的电源供电方法：通过电流互感器线圈从输电输路上获取电能，采用控制电路控制后端储能电路的通断，为负载提供稳定的3.4 V直流电能，有效地解决了高压线路的电子设备的电源问题。基于此设计研制的电源经测试表明，该方法能在导线电流50～1 000 A范围提供安全稳定的电能，电源还设计了提高电源可靠性的措施，在线路遭受雷击或短路时可实现自我保护。

关键词：高压输电线路；在线监测装置；取能线圈；控制电路；可靠性设计

动态增容系统是通过实时监测气象条件、导线温度等参数来提高现有输电线路的短时输送容量。由于在线监测装置直接安装在高压输电线路上，因此电源供电问题是在线监测装置稳定运行的关键,研究该问题具有重要的实用价值。

目前输电线路在线监测系统供能的主要方式有电流互感器(current transformer, CT)取能、电容分压器取能、激光供能、超声波供能、太阳能和蓄电池联合供能等，其中应用最多的供电方式是太阳能和蓄电池联合供能[1-2]，但该方式受气候条件影响较大，且缺乏长期免维护能力；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[3-4], 但效率低下，寿命较短，价格昂贵；电容分压器取能就是利用电容器从高压线路上取得能量，但取得的功率有限，稳定性和可靠性较差[5]；最有发展前景的供电方式是利用CT取能，在输电线路上套装CT，感应交流电压，实现隔离式供电。本文设计了一种CT高压侧取能电源，且通过试验验证了可行性。

1取能电源的设计原理

取能电源的工作原理如图1所示。

图1　取能电源原理结构

从图1可知，CT取能的基本原理是利用法拉第电磁感应定律，在导线电流50～1 000 A范围内,通过 CT从高压输电线路上感应出交流电压，然后经过整流滤波、电压控制模块和DC-DC模块，输出3.4 V稳定直流电压，为高压侧在线监测设备提供电能。

2取能电源的设计原理介绍

2.1取能线圈的理论分析

根据电磁理论的相关知识[6-7], 空载时取能线圈二次侧电压有效值

(1)

式中：E2为二次侧磁感应电动势有效值；f为励磁电流频率；N2为二次侧匝数。磁通量幅值

(2)

式中：Bm为饱和磁感应强度峰值；k为叠片系数；S为磁心横截面积。

根据安培环路定律，

(3)

式中：Hm为磁场强度幅值；l为平均磁路长度；Im为励磁电流，等于一次侧的空载电流；N1为一次侧的绕组匝数，这里取1。饱和磁感应强度峰值Bm和磁场强度峰值关系为

(4)

式中：μ0为真空磁导率；μr为磁心相对磁导率。

由式(1)至(4)可得

E2=4.44fN2Φm=4.44fN2×

(5)

由式(5)可知，取能线圈二次侧感应输出电压E2与一次侧励磁电流Im有关，与二次侧电流无关。

文献[8]和试验结果表明,励磁电流较大时，磁心深度饱和，二次侧感应电压波形发生严重畸变，如图2所示，该尖顶脉冲幅值高达176 V，对后续电路的耐压提出了很高要求。为解决该问题，曾有人采用给磁心开气隙方式[9]、反馈补偿控制式[9]、变比切换等方法[10]调节磁通大小，收到一定的效果，但元器件数目多结构复杂，不利于电源长期低功耗可靠运行。

图2　深度饱和时磁心的二次侧开路电压实测波形

2.2电压控制电路

通过前面的分析可知，当输电线路的载流量大于一定值时，CT磁心将进入饱和状态，CT取能线圈二次侧感应电动势将变成尖顶波形，幅值远超过DC-DC电路的允许输入电压，会损坏DC-DC电路，因此须采取措施来控制DC-DC的输入电压。根据文献[11]中磁性材料磁化曲线可知，要使CT磁心处于非饱和状态，只要使励磁电流Im小于饱和励磁电流即可。由式(5)可知，当磁心材料、尺寸和二次绕组匝数N2确定时，CT取能线圈二次侧感应输出电压E2只与励磁电流Im有关，因此采取措施控制CT取能线圈的二次侧输出电压，将磁心的励磁电流Im限制在非饱和范围内，从而使磁心处于非饱和状态。为此，通过电压控制电路，将DC-DC电路的输入电压控制在允许范围内，并使磁心处于非饱和状态，防止磁心在深度饱和时振动和发热。电压控制电路如图3所示。

图3　电压控制电路

从图3可知，电压控制电路主要是由N型金属-氧化物-半导体(metal-oxid-semiconductor，NMOS)管T1、储能电容C(其值为C)和单片机测量控制电路组成。控制测量电路是由可编程计数器列阵的单片机构成，其作用是监测储能电容C两端的电压UC(其最大、最小电压分别为Umin、Umax)，根据UC控制T1的通断，把电容C两端电压控制在合理的范围内，使磁心处于非饱和状态，即设UC的正常工作范围为Umin～Umax，当UC>Umax时，单片机输出高电平信号导通T1，CT取能线圈输出短路，多余的电能通过T1泄放，由储能电容C为负载供电，电容C为负载供电电压降低；当UC

电压控制电路控制CT取能线圈二次侧输出电压，并使DC-DC电路的输入电压保持在允许范围内，取消了蓄电池及其复杂的充放电电路，提高了电路的寿命，降低了电路的体积。

2.3前端保护设计

输电线路遭受雷电冲击或出现短路时，取能线圈上将感应出极大的电流，冲击电流对取能电源的影响主要有两种：电气冲击与力学冲击，一方面，取能线圈会感应出瞬态高电压；另一方面，冲击电流产生巨大电动力会毁坏磁心线圈[12]。

本文采用大功率瞬间抑制二极管TVS1和电压控制电路配合来实现雷电流、短路电流保护。设计原理如图3所示，T1采用大功率的NMOS管，当线路遭受雷击或短路时，若T1处于导通状态，单片机控制T1保持导通，取能线圈感应输出的浪涌冲击电流通过VD1和T1泄放，从而不产生危险的过电压；若T1处于断开状态，取能线圈感应输出的浪涌冲击电流导致储能电容C的电压瞬间升高，当电容C两端电压超过瞬间抑制二极管TVS1的击穿电压时，TVS1以10-12s数量级的时间内将两端的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，泄放取能线圈感应输出的浪涌电流，有效地保护后面的电路元件。随着浪涌冲击电流的衰减，TVS1两端的电压也不断下降，最后恢复到初始高阻抗状态。

为降低电磁场的干扰以提高取能电源的可靠性，经计算，取能电源设计厚度为3 mm的铁质电磁屏蔽盒，在磁心和绕组间填充柔软的缓冲层以减弱电动力的影响。

3实验结果与分析

本设计采用Ferroxcube公司生产的型号为U93的Mn-Zn铁氧体U型磁心，通过理论计算和试验验证，确定线圈匝数为400匝，漆包线直径为1 mm，可经过特殊设计的外壳套装在输电线路上,绕制好的磁心如图4所示。

图4　Mn-Zn铁氧体U型磁心的绕制

3.1取能线圈的输出功率测试

本电源负责向在线监测装置中单片机电路、温度传感器和通用分组无线服务技(general packet radio service,GPRS)模块提供电能，上述各模块对电压和电流的需求参见表1(CT取能线圈必须提供216 mW以上的电能)。

表1监测装置各部件的功率需求

模块电源电压/V电源电流/mA数量温度传感器3.0～5.5<1.58GPRS3.0～4.8151单片机2.7～3.6501

GPRS—通用分组无线服务技术, general packet radio service的缩写。

使用大电流发生器模拟输电线路带电状态，测试CT取能线圈在启动电流50 A时，是否有足够的输出功率。用可变电阻R(其值为R)模拟负载的变化，测量不同负载时线圈的实际输出功率，如图5所示。

图5　取能线圈二次侧输出功率曲线

从图5可看出，取能线圈的输出功率与负载有关。当升流器输出电流I1=50 A、负载电阻R=47 Ω时，取能线圈输出功率为220 mW；当R=150 Ω时，功率可达653 mW，可为各模块提供足够的电能。

3.2取能电路的发热特性测试

为了在线监测设备正常工作，取能电源需在母线电流50～1 000 A范围内长期低功耗运行。CT取能线圈的输出电流主要通过VD1和T1，因此VD1和T1的发热情况不容忽视，为此，搭建了由大电流发生器和铂电阻温度传感器组成的测试平台，对所选型号的VD1和T1的发热状况进行测试。用可变电阻R模拟负载，大电流发生器分别输出600 A、800 A和1 000 A电流，各电流档持续运行120 min，环境温度为30.3 ℃，在电阻R=47 Ω和R=150 Ω时，T1和VD1的温度见表2，在正常工作电流范围内，各管子的温度较低。

表2不同电流、电阻下，T1和VD1的温度统计

3.3取能电源的输出性能测试

基于上述参数设计出的取能电源，DC-DC电路的输入电压和T1控制信号曲线趋势如图6所示。图6中的方波波形B为单片机测量控制电路输出信号；锯齿波波形A为储能电容C两端的电压，电容C两端电压的下限Umin=8.0 V、上限Umax=12.0 V。当UC>12.0 V时，单片机输出高电平信号导通T1，CT取能线圈输出短路，多余的电能通过T1泄放，由储能电容C为负载供电，负载供电电压降低；当UC<8.0 V时，单片机输出低电平信号断开T1，整流电路输出的电能直接为负载供电并且给储能电容C充电，电容C两端电压逐渐升高。

图6　取能电路的输出电压波形

表3为输电线路电流I1为50～1 000 A时，DC-DC的正常输入电压最大值Umax、最小值Umin和输出电压值Uout。

表3DC-DC电路输入输出电压值

I1/AUmax/VUmin/VUout/V5012.07.93.3920012.18.13.4040012.08.23.4260012.28.13.3980012.18.23.38100012.28.23.40

由测试可知，经过电压控制电路之后输入到DC-DC模块的电压为8.0～12.0 V，经过DC-DC模块可输出稳定的3.4 V电压。取能电源的启动电流为50 A，在50～1 000 A的线路电流范围内能低功耗长期稳定运行。

4结论

针对现有取能电源设计中存在的磁心容易饱和、热耗大、结构复杂等问题，本文提出一种新的取能线圈设计方法。采用电压控制模块和高效率的DC-DC模块，能够降低电源电路电能损耗，使取能电源在导线电流50～1 000 A范围内正常工作，该设计的取能电源已成功运用于高压输电线路导线温度在线监测系统，供电稳定可靠。

电源的可靠性是实用化的保障, 本文在机械设计和前端冲击保护设计2个方面提高电源的可靠性，抑制导线电流增大给电源造成的过压,在线路遭受雷击或短路时可自我保护。

参考文献：

[1] 焦尚彬, 刘丁, 郑岗, 等.基于遥测技术的输电线路绝缘子污秽在线监测系统[J]. 电力系统自动化, 2004, 28(15):71-75.

JIAO Shangbin, LIU Ding, ZHENG Gang, et al. On-line Insulator Contamination Monitoring System for Transmission Lines Based on Telemetry[J]. Automation of Electric Systems, 2004, 28(15):71-75.

[2] 李澎.光电电流互感器功能电路的研究[D]. 北京：清华大学，2007.

[3] BANWELL T C, ESTES R C, REITH L A, et al. Powering the Fiber Loop Optically-a Cost Analysis[J]. Journal of Light Wave Technology, 1993, 11(3): 481-494.

[4] SONG J, MCLAREN P G, THOMSON D J, et al. A Prototype Clamp-on Magneto-optical Current Transducer for Power System Metering and Relaying[J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 1995, 10(4):1764-1770.

[5] 钱政.有源电子式电流互感器中高压侧电路的供能方法[J]. 高压电器,2004, 40(2):135-138.

QIAN Zheng. Power Supply for High Voltage Circuit of Active Electronic Current Transmission[J]. High Voltage Apparatus, 2004, 40(2):135-138.

[6] 邱光源. 电路[M]. 北京: 高等教育出版社, 1999.

[7] 汤蕴璆, 史乃. 电机学[M]. 北京:中国机械工业出版社, 2002.

[8] 付烈.混合式光纤电流互感器电源的研究[D]. 秦皇岛:燕山大学, 2004.

[9] 王赞, 纵飞, 王伟, 等.输电线高电位取能电源的研制[J]. 电网与能源清洁, 2010, 26(6):24-27.

WANG Zan, ZONG Fei, WANG Wei, et al. Development of Power Supply in High Voltage Side of Transmission Lines[J]. Power System and Clean Energy, 2010, 26(6):24-27.

[10] 李芙英, 朱小梅, 纪昆, 等.一种应用于高电压侧测量系统中电源[J]. 高电压技术, 2002, 28(3):46-47.

LI Fuying, ZHU Xiaomei, JI Kun, et al. The Power Supply for Opticelectric Current Transducer[J]. High Voltage Engineering, 2002, 28(3):46-47.

[11] 张冰.输电线路输电容量动态增容检测技术的研究[D]. 北京：华北电力大学，2006.

[12] 李先志, 杜林，陈伟根，等. 输电线路状态监测系统取能电源的设计新原理[J]. 电力系统自动化，2008，32(1):76-80.

LI Xianzhi, DU Lin, CHEN Weigen, et al. A Novel Scheme of Draw-out Power Supply Utilized in Transmission Line State Monitoring[J]. Automation of Electric Systems, 2008，32(1):76-80.

陈凯(1988)，男，广东湛江人。工学硕士，主要研究方向为高压输电线路在线监测。

(编辑王夏慧)

Research and Development of Power Supply for Online Monitoring Devices of High Voltage Power Transmission Lines

CHEN Kai

(Zhanjiang Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Zhanjiang, Guangdong 524005, China)

Abstract：In order to solve the problem of power supply for online monitoring devices of high voltage power transmission lines, a kind of new method for power supply is developed, which could provide stabile 3.4 V direct current electric energy for load and effectively solve the problem of power supply for electronic equipments of high voltage lines by using current transformer coils to acquire electric energy on power transmission lines and using control circuits to control on-off of the rear-end energy storage circuit. Testing on the power supply based on this design indicates that this method could provide safe and stable electric energy within the range of 50～1 000 A conductor current. Meanwhile, it also designs measures for improving reliability of power supply which could realize self protection at the time of lightening stroke or short-circuit faults.

Key words：high voltage power transmission line; online monitoring device; draw-out power coil; control circuit; reliability design

作者简介：

中图分类号：TM751

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)02-0121-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.024

收稿日期：2015-07-31修回日期：2015-10-27