电缆工井排水新型取电装置的研究

林添进，吴志成，叶开明，杨昌加，姚青煌，叶学知

（国网泉州供电公司，泉州362000）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．120中图分类号：TM 923文献标志码：A

电缆工井排水新型取电装置的研究

林添进，吴志成，叶开明，杨昌加，姚青煌，叶学知

（国网泉州供电公司，泉州362000）

针对电流互感器感应取得的电能太小不能直接应用在大功率抽水泵问题，结合不间断电源技术提出了新的解决方案。首先将互感器感应取得的电能先储存在蓄电池；再通过蓄电池为抽水泵供电，同时引入水位智能控制系统，实现了输电电缆工井内排水系统的智能控制，助力输电网安全稳定运行。

感应取电；智能控制；电流互感器；不间断电源

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．127中图分类号：TM 46文献标志码：A

引言

高压输电线路有电缆线路和架空线路之分，对于埋设在地下的输电电缆线路，其工井内因基建、规划等原因汛期容易积水，电缆本体特别是中间接头被积水长期浸泡将影响电缆设备的安全稳定运行，引入智能抽水泵可解决积水问题，当积水到达一定高度时将启动抽水泵进行抽水，水位降低到一定高度时，关闭抽水泵，但抽水泵的供能电源是个难题。目前运用在电网的在线监控等设备，其常用的供电方式有沿线路敷设低压配缆供能、太阳能［1-3］、风能［4-5］、电流互感器感应取能［6-10］等，各有其优缺点。其中电流互感器感应取电在输电缆网系统中很有运用前景，感应取电的思路为高压输电电缆的一次侧电流通过电流互感器在二次侧得到交流电，然后经过整流、滤波、稳压后输出可靠、稳定的直流电。

抽水泵的电源可通过电流互感器从高压电缆本体感应取得，但考虑工井积水的高度、速度等实际工况，抽水泵的功率一般采用100 W以上。而大部分电流互感器取电装置功率较小，不易直接驱动抽水泵。大功率的电流互感器取电装置对其铁芯和线圈提出巨大的挑战，技术复杂、成本费用高。结合通常工井内抽水泵的抽水周期，可借助不间断电源UPS（uninterrupted power supply）技术，使电流互感器感一方面为在线监控等设备功能，同时把多余的电能储存在蓄电池中，当工井内部水位超过所设定高度时，抽水泵通过蓄电池供能实现排水功能。

本文结合电流互感器感应取电、不间断电源和智能控制技术研究电缆工井排水新型取电装置，使电流互感器感应取电功能的利用得到最大化、解决了工井内的积水问题、一次侧故障时，在线监控系统通过蓄电池可实现一定时间内的可靠运行等优点，应用前景广泛，具有重大的经济和现实意义。

1　电流互感器感应取电的基本原理

感应取能供电方式利用电磁感应原理，通过取能线圈从高压母线或线路上感应交流电压，再经取能电源模块（整流、滤波、稳压）为高压侧电子电路供电。电路互感器感应取电基本结构如图1所示。

图1　电流互感器感应取电基本结构Fig.1 Structure of energy induced from current transformer

由电磁学基本知识及互感器原理可得到互感器二次侧感应电动势E2的有效值为

式中：f为工频；N2为二次绕组匝数；Bm为铁芯饱和磁感应强度；S为铁芯有效截面积，S=（r2-r1）N2/2，r1为铁芯内径，r2为铁芯外径。

理想条件下，电流互感器二次电流I2为

式中：I2为二次侧电流；N1为一次侧绕组匝数；I0为母线电流。

在不考虑误差的情况下，实际流入互感器二次负载的电流为

式中：Im为励磁电流。I0即为建立磁场所需的工作电流。正常运行下励磁阻抗很大，励磁电流很小，因此误差不是很大，可忽略。

当铁芯磁发生饱和的情况时，通过电流互感器感应得到的二次侧电压十分不稳定，深度饱和时感应电压波形发生畸变，成为尖顶脉冲波。若后端电子元件耐压值不是很高，峰值可达几百伏，可能会造成芯片烧毁等严重后果。长期工作在深度饱和状态使铁损居高不下，线圈温升过高，有可能引起高频振动甚至烧毁线圈，因此应尽量防止铁芯工作在饱和状态，避免长期工作在深度饱和状态。所以，取电一般都在磁化曲线的近似线性区域进行，二次功率由近似的函数关系为

为避免母线在大电流的情况下铁芯发生磁饱和现象，一般在设计时使铁芯留有一定的气隙。

2　电缆工井排水新型取电装置电路设计

在电流互感器感应取电原理的基础上，结合数字控制技术，互感器感应得到的电能先储存在蓄电池，再通过蓄电池为潜水泵供电。整体的取电装置电路设计如图2所示。

图2　整体电路设计原理Fig.2 Whole circuit design principle

图2中，应用于电缆工井排水的新型取电电源装置包括电流互感器、冲击保护模块、可控制整流模块、DC/DC充电管理电路、蓄电池、潜水泵、数字控制芯片及各个开关（S2、S3）等。电流互感器卡在高压电缆输电线路上且通过冲击保护电路、可控整流电路后并联得到稳定的直流电压U1，数字控制芯片采集DC/DC充电管理电路输电端电压Uo及电流I2、I4，通过Uo和I2控制DC/DC充电管理电路中的PWM信号，从而控制蓄电池进行三段式充电，保护蓄电池，延长蓄电池使用寿命。蓄电池充满电后可通过断开开关S2。当高压电缆线路发生断电或者电流不足时，蓄电池通过开关S2为潜水泵提供能量，积水排出后可断开开关S3以关闭潜水泵。潜水泵采用直流电机，通过多节蓄电池的串并联即可直接作为电源，省掉了交流电机时所需的逆变器。

图2中的可控整流电路如图3所示，可控整流电路包括由4个二极管构成的整流回路和由1个双向晶闸管构成的旁路回路。其工作原理为：数字控制芯片采样整流桥后的母线电压U1，并进行判断。当电压U1高于设定的上限值时，触发双向晶闸管SCR1，二次侧电流被双向晶闸管SCR1短路形成旁路回路，随着电容C1储存的能量不断向负载释放；两端电压U1不断下降，当其值低于设定的下限值时，关闭双向晶闸管SCR1，此时二次侧电流通过整流回路向电容C1充电，同时为后级负载提供能量。过控制双向晶闸管SCR1的通断，以此控制整流回路和旁路回路的比例，进而使母线电压U1稳定在一定的范围内。

图3　可控整流电路Fig.3 Controlled rectification circuit

图2中潜水泵的控制开关S3由数字控制芯片控制。数字控制芯片通过雨滴传感器采集工井内部水位高度，当水位高于所设置的值时开通开关S3，潜水泵实现抽水工作；其他情况潜水泵停止工作。

装置中的电流感应电源模块采用其独创的电势伏技术和防失压技术，最大限度地发挥取能互感器取电能力；具备大电流保护设计，能抵御来自电网超强短时耐受电流的冲击，确保产品在严酷条件下工作安全可靠。

3　实验验证

为了验证图2中的排水用取电装置能够在110 kV线路电缆工井中可靠运行，实验人员对所辖110 kV电缆线路的直径、最大、最小运行负荷电流、工井深度、工井积水情况等参数进行调查和研究，结合考虑直流安全电压、产品性价比后决定电流互感器、潜水泵和蓄电池的参数。

图2的DSP数字控制芯片采用的是TMS320 F28027，其电源电压为3.3 V，装置中的保护模块、潜水泵电机控制模块需要电压等级为5 V的电源，考虑到电缆线路停电的情况下，DSP芯片必须保持正常工作，因此通过24 V蓄电池取电，转换成所需的3.3 V、5 V电压，其整体的转换原理如图4所示。

图4　电压转换模块原理Fig.4 Schematic of voltage transformation module

根据图2原理搭建实验平台，并对所搭实验平台进行实验，可得到应用于电缆工井排水新型取电装置的功率曲线，如图5所示。一次侧电流在20 A以上电路才能进入对蓄电池充电状态，随着一次侧电流的增大，其输出的功率也随着增大，当一次侧电流在100 A左右时，其能输出功率为30 W。

图5　新型取电装置功率曲线Fig.5 Power curve of new taking electricity device

4　结语

本文设计、搭建了应用于电缆工井排水的新型取电装置，该装置不仅利用电流互感器感应取电得到的电能储存在蓄电池，再通过蓄电池为潜水泵供电；还结合了数字控制芯片通过雨滴传感器采集的信号来控制潜水泵开关，实现潜水泵的智能控制，为适应工井内部恶劣环境的影响，该装置外壳从防潮、防爆、散热方面也加以考虑。实验结果表明该装置在110 kV的高压电缆工井内能够稳定、可靠运行，保证了潜水泵的供电电源，实现了工井内部积水的智能排出。该装置不仅可推广到其他不同电压等级的高压电缆工井内部排水新型取电装置，其采用数字控制芯片实现电路的控制，还有利于后续如工井内环境（温度、湿度等）采集、GPRS数据传输等功能的扩展，具有广泛的前景。

［1］Zhou Dongyi，Shi Chupeng，Yuan Wenhua. Research on the Applicability of Solar Energy-Ground Source Heat Pump in Different Regions of China［C］. Digital Manufacturing and Automation，2011∶1026-1029.

［2］黄剑，傅振宇，陈家翘，等.太阳能在电缆管道监控中的应用［J］.通讯电源技术，2015，32（2），121-122. Huang Jian，Fu Zhenyu，Chen Jiaqiao，et al. Application of solar energy in cable pipeline monitoring［J］. Telecom Power Technology，2015，32（2），121-122（in Chinese）.

［3］熊连松，吴斌，卓放，等.太阳能电动车混合储能系统的能量管理策略研究［J］.电源学报，2011，9（5）：37-43. Xiong Liansong，Wu Bin，Zhuo Fang，et al. Energy management strategy for hybrid energy system in solar car［J］. Journal of Power Supply，2011，9（5）：37-43（in Chinese）.

［4］Wang C，Lu Z，Qiao Y. A consideration of the wind power benefits in day-ahead scheduling of wind-coal intensive power systems［J］. IEEE Transactions on Power Systems，2013，28（1）∶236-245.

［5］张惠珍，陈浩龙.风能并网系统中双Boost变换器的研究［J］.电源学报，2014，12（2）∶106-110. Zhang Huizhen，Chen Haolong. Research of boost converter in wind power generation system［J］. Journal of Power Supply，2014，12（2）∶106-110（in Chinese）.

［6］秦欢.高压测量系统感应取能电源设计［J］.现代电力，2009，26（5）∶32-36. Qin Huan. Design of induced power applications for high voltage measuring system［J］. Modern Electric Power，2009，26（5）∶32-36（in Chinese）.

［7］龚贤夫，周浩，戴攀，等.一种输电线路大功率取能电源的设计［J］.电力系统保护和控制，2015，32（2）∶121-122. Gong Xianfu，Zhou Hao，Dai Pan，et al. A design of highpower supply installed on transmission lines［J］. Power System Protection and Control，2015，32（2）∶121-122（in Chinese）.

［8］韦捷，周强，李玉香.电流互感器取电技术在智能配网中的应用研究［J］.企业科技与发展，2013，2013（8）∶25-28. Wei Jie，Zhou Qiang，Li Yuxiang. An application research of the technique of taking power from the current transformer in the intelligent distribution network［J］.Enterprise Science and Technology & Development，2013，2013（8）∶25-28（in Chinese）.

［9］焦斌亮，付伟，赵德功.高压输电线路CT取能电源的设计［J］.电源技术，2013，37（1）∶130-133. Jiao Binliang，Fu Wei，Zhao Degong. CT energy-getting power of high voltage transmission line［J］. Chinese Journal of Power Sources，2013，37（1）∶130-133（in Chinese）.

［10］褚强，李刚，张建成.一种基于超级电容的输电线路在线监测系统电源设计［J］.电力自动化设备，2013，33（3）∶152-157. Chu Qiang，Li Gang，Zhang Jiancheng. Power supply of transmission line online monitoring system based on supper-capacitor［J］. Electric Power Automation Equipment，2013，33（3）∶152-157（in Chinese）.

Research on New Taking Electricity Device Used in Cable's Drainage System

LIN Tianjin，WU Zhicheng，YE Kaiming，YANG Changjia，YAO Qinghuang，YE Xuezhi
（State Grid Quanzhou Power Supply Company，Quanzhou 362000，China）

In order to solve the problem of driving the submersible pump through energy induced from the current transformer directly，in this paper a new solution combined with the uninterrupted power supply（UPS）is introduced. First，the energy induced from the current transformer is charged in the storage battery. Then，the submersible is driven through the storage battery. Besides，the water level intelligent control system is introduced to realize the intelligent control of the drainage system，and greatly improve the intelligent building of the State Grid.

induced power；intelligent control；current transformer；uninterrupted power supply

林添进

2015-06-28

林添进（1987-），男，本科，助理工程师，主要从事输电电缆运检工作，E-mail：278998420@qq.com。

吴志成（1976-），男，本科，高级工程师，主要从事输电运检管理工作，E-mail：527335961@qq.com。

叶开明（1988-），男，通信作者，硕士，助理工程师，主要从事变电检修工作，E-mail：513380045@qq.com。

杨昌加（1970-），男，硕士，助理工程师，主要从事输电电缆管理工作，E-mail：1380593663@139.com。

姚青煌（1984-），男，本科，助理工程师，主要从事输电电缆运检工作，E-mail：13626066711@139.com。

叶学知（1975-），男，专科，助理工程师，主要从事输电运检管理工作，E-mail：13506011157@139.com。