配电线路监测装置感应取能电源设计

李铁锋

（国网吉林省电力有限公司吉林供电公司，吉林 吉林 132011）

0 引 言

高压架空线各种在线监测是保证线路安全运行的重要手段，如线路故障指示、导线舞动以及导线覆冰等在线监测[1-3]。然而，由于高压线路上没有供监测装置工作的弱点电源，给监测装置应用带来了极大困难，是相关研究要解决的重点问题。

目前，常应用的供电方式有太阳能、蓄电池、激光供能以及母线感应取能等。它们各有一定的特点，也有其应用局限性。其中，最有发展前景的供电方式是从输电线路直接取电[4-6]，在导线上套装取能线圈感应出交流电压，然后经过整流、滤波、稳压后输出直流电源，用于给高压侧电子装置提供稳定可靠的工作电源。但是，采用感应取能获取工作电源存在以下几个难点需要解决：（1）输电线路流过的电流波动范围大，如何保证在小电流时获得足够的能量、在大电流时保证装置安全可靠工作，是需要解决的一个难题；（2）高电位的监测装置通常需要无线通信的方式传输数据，如何保证无线发射时电压稳定是需要解决的难题。

为此，本文设计了一种感应取能电源，在分析感应取能的机理的基础上进行装置总体结构设计，具体设计了取能线圈、电能管理以及稳压控制，能够满足各种运行工况的要求。

1 感应取能电源的基本原理

感应取能供电方式是利用电磁感应原理，通过取能线圈从高压线路上感应交流电能，然后经过整流、滤波、稳压等环节，为高压侧监测装置提供供电。根据电磁理论的相关知识，在取能线圈两端空载情况下，取能线圈一次侧由交流电流控制。假定输出电压的峰值为U，可得：

式中：f为线圈激励电流的频率；N2为特制线圈绕制匝数；Hm为线圈横截面的磁通量幅值；Bm为磁感应强度幅值；S为铁心截面积；λ为铁心叠片系数。

由安培环路定律，有：

式中：N1为一次侧绕组匝数，此处值为1；L为平均磁力线长度。

2 电源总体结构设计

设计的取能电源总体结构如图1所示，包括取能互感器、单相桥式整流与滤波电路、泻放保护回路、DC/DC稳压电路、后备电池供电回路、大功率储能回路以及直流稳压电源输出等部分。

图1 电源总体结构示意图

通过设计的取能互感器，从电力电缆上耦合获取能量，经整流、滤波、稳压提供稳定的直流电源；泄放保护回路使电源能在很宽的一次电流下工作；大功率储能回路使电源能够提供瞬间大功率，满足需要瞬时大功率的系统应用；后备电池供电回路使电力电缆电流很小，或停电时依然能够提供稳定的电源。

3 电源各模块设计

3.1 取能互感器设计

取能互感器是感应取能电源的关键。它的铁心材料选择应尽量减小启动电流，采用具有较高磁导率的材料，以提高效率，降低损耗。采用高磁导率的材料降低励磁电流，从而使得在小电流的工况下装置能够可靠工作。本设计采用具有较高磁导率的纳米晶磁材料。为了便于现场安装应用，在结构上进行特殊设计，结构如图2所示。

图2 取能互感器结构设计

取能互感器套装在电力电缆上利用电磁感应原理获取能量。取能互感器包括：微晶材料制成的两半圆型铁芯；漆包线制成的绕制在铁芯上的线圈；注塑成型的塑料外壳，用于放置铁芯和线圈；塑料外壳的轭上有通孔，用于安装螺具；在外壳与铁芯之间填充环氧树脂，使得铁芯、线圈和外壳成为一体，起到线圈匝间的绝缘和防潮作用；两边的螺具将上下两半外壳和铁芯夹紧，两半铁芯的接口处采用多槽型接口方式，减少接口的气隙；两输出端接到单相桥式整流、滤波电路的输入端Vin1+和Vin1-。

3.2 整流和泄放回路设计

整流回路将感应的交流电源变为直流电压供后续电路使用。泄放回路保证输电线路大电流时可靠工作，电路原理如图3所示。

图3 整流泄放回路原理图

3.3 稳压环节设计

由于架空线路不同时段的负载电流变化范围大，取能互感器获得的电源经过整流、滤波后将在较大范围内波动，需要通过DC-DC稳压模块提供稳定的电源。稳压模块设计主要考虑两方面因素，一是要有较宽的工作范围，二是要损耗特别小。为此，设计采用集成稳压模块和外围电路，构成高性能的稳压单元。电路原理如图4所示。

图4 宽输入DC-DC稳压单元

3.4 高输出功率单元设计

为满足监测装置无线通信等瞬时冲击性负荷要求，提高电源的带负载能力，设计超级电容作为瞬时性冲击负荷供能单元。超级电容器是一种很好的解决冲击性负荷的装置，性能介于传统蓄电池和普通电容器之间，具有良好的功率密度，循环寿命在100 000次以上。设计的超级电容储能单元如图5所示。

图5 基于超级电容的高输出功率单元

4 结 论

本文设计了一种感应取能电源，通过开合式取能互感器，从电力电缆上经电磁耦合方式获取能量，然后由单相桥式整流、滤波电流得到直流电压。DC/DC稳压电路为电源提供稳定的电压输出，通过泻放保护回路使稳压电源能工作在很宽的电力架空线一次电流下；大功率储能回路使得稳压电源能够为需要瞬间大功率供电的装置提供电能。设计的稳压电源安装方便，维护简单，可靠性高，适用于很多高压在线监测系统和仪表。