新型配网在线装置取能研究与设计

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摘要：本文描述了一种新型的配网在线装置取能的研究与设计，提出了一种新的取能线圈设计思路，并通过分析与仿真，实现了取能线圈的材质选型，结构设计。并且增加了充电以及电池管理的研究与设计。针对线路上电流的不稳定性，进行了泄放电路、保护电路、信号调理电路的多重优化设计。并通过带负载能力的测试，证明了该设计在线路上取能的有效性和可靠性。

Abstract： This paper describes the research and design of a new type of distribution network online device， and proposes a new design concept of the energy-carrying coil. Through analysis and simulation， the material selection and structure design of the energy-carrying coil are realized. Aiming at the instability of the current on the line， multiple optimization designs of the bleeder circuit， the protection circuit and the signal conditioning circuit are carried out. And the test with load capacity proves the effectiveness and reliability of the design on the line.

关键词：取能电路、保护电路、在线装置

Keyword： energy extraction circuit， protection circuit， online device

0 引言

伴隨着配电网电力系统自动化的发展，配电网在线监测装置的应用更为广泛，其电源的供给设计变得尤为重要。因目前在线监测装置大部分工作在线路终端，其应用环境大部分为在架空线路上，基本无法采用常规电源，且需要长期稳定运行，满足免维护等要求故目前主要采用太阳能加上锂电池供电方式、高压绝缘子电容分压取能方式、特制电流互感器线圈的方式等。

太阳能加锂电池是无线设备的常用模式，目前在在线监测装置上也广泛应用，但其受环境因素影戏较大，并且一般无法满足长期免维护等设计要求。而采用PT、CT以及电容分压模式受体积及成本价格影响又较大，因此利用特制线圈在线取能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输电线路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 配网线路上取能的基本原理

配网线路上取能的基本工作原理如图1所示

该供电方式利用电磁感应原理，由取电线圈从配网线路中感应得到交流电电能，经过保护电路、整流电路、滤波电路和电源变换及储能转换为稳定的电压源为在线设备可靠供电。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  线圈设计的基本理论

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  取能线圈材质结构的设计

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 保护电路及信号调理电路的设计

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保护电路及信号调理电路，其原理图如图2所示。

保护电路及信号调理电路的输入端连接取能线圈的输出端口，保护电路及信号调理电路的输出端接入电压变换电路输入端口。当取能线圈的输出电压大于电路设定额定电压时，电路中的压敏电阻和TVS首先进行限压，取能线圈的能量持续过大时，在可控硅的门极就会形成一个较大的电压，控制可控硅瞬时导通，泄放取能线圈中的能量，保证后级电压变换电路免受配网线路上短路电流突然增大的影响。进过保护及信号调理后将取能线圈的能量再經过整流稳压电路转为直流电源。

本文介绍的保护电路及信号调理电路经过电路仿真及实际试验，在取能线圈30-1000A时，输出电压能够稳定在5V左右，纹波在20mV。

2.3 电压变换电路的设计

由于取能线圈的输出电压取决于配网线路工作电流，而配网线路工作电流由负荷决定，因此线圈取能端的电压范围可能是几百毫伏至几十伏，其中前级的调理电路可以将大电压信号限制为适用后级所需电压信号，但当电流足够小，后级电路包括取能就会难以达到要求。

本次设计采用了具有升压充电器的超低功耗收集电源管理 IC 以及毫微功率降压转换器BQ25570，该芯片既具有升压充电器的功能，又具有微功耗降压功能，可为在线监测设备提供稳定所需电压。该电路可以在600mV的电压情况下进行启动，保证为后级电路提供稳定的3.3V电源。并且在低至100mV电压的情况下，对取能线圈的能量进行采集，保证储能合供电。

2.4 电池储能及充电管理电路设计

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著的安全性能，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BQ25570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3.3 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 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。

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3 A的电流下可以启动，在正常工作状态下，该模块能够输出3V左右供电电压，不低于10 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。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，架空线路上的在线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

电源的可靠、长期稳定运行是电子设备可靠工作的首要条件，本文提出的取能设计有效的解决了配电网在线装置电源供电问题，保证了在线装置的长期稳定运行。

参考文献

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作者简介：曾俊（1975-），男，本科，从事线路、营销、电站、变运、调度专业的运维、管理等工作，就职于云南电网有限责任公司西双版纳供电局