输电线高电位取能电源的研制

王 赞，纵 飞，王 伟，高超飞，隋 恒，喻岩珑

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.重庆市长寿区供电局，重庆 401220）

0 引言

随着国家智能电网工作的展开及输电线路电压等级的不断提高，对输电线路的安全运行进行在线监测显得尤为重要。为了给工作在输电线路高压侧的各种在线监测系统供电，需要研制一种在高电位长期稳定可靠的电源。因此供电问题是高压侧监测装置可靠运行的关键，研究输电线路高压侧供电电源具有十分重要的意义。

研究表明，给在线监测系统供能分为从母导体上取能和其他方法供能。国内外目前从母导体取能的方式主要有利用电流互感器（CT）或电容分压器从母线上取电能。而其他方式包括激光供能、太阳能供能、蓄电池供能及风电供能等。电容分压器类似于CT取能，但面临着比CT取能更大的技术困难，它难以保证取能电路和后续工作电路之间的电气隔离问题，而且这种方法有着更多的误差来源，温度、杂散电容等多种因素都将影响该方法的精度。目前的技术情况下激光供能虽然供能稳定，纹波小，噪声低，但是提供的功率有限而且成本很高[1]，对高压侧的测量系统的设计带来很大难度。太阳能电池技术经过多年的发展，有了长足进步，但由于它造价高，稳定性差，一般与蓄电池联合供能，但是考虑到太阳能电池系统体积大，不适于现场安装，以及对于电缆等非架空输电线路的不适用，所以其通用性不强。本文提出的设计方案是研制一个从高压母线上提取能量的CT悬浮式电源，即取能电源。取能电源是从高压输电线获得能量，电源部分与监测装置同位于高压端，使监测系统高压绝缘的问题得以解决。同时相比于国内最新的文献[1]研制的CT取能电源（最高供能功率仅为1 W），本设计方案研制的电源能输出更大功率。

1 对电源的要求

不同的监测系统对电源有着不同的要求，但是关键的性能指标类似。依据设计方案，研制一台电源为XLPE电力电缆终端局部放电检测系统提供电能，体现电源的几个关键指标，验证方案的正确性。

局部放电检测系统安放在高电位侧，通过检测脉冲信号方向来判断电缆终端是否存在局放信号，并在高压侧把信息处理后采用无线的方式将数字信号传输到低压端。由于它为该系统的2个放大器及信号处理的嵌入式系统提供电能，所以对电源有以下要求：

1）为2组放大器提供12 V直流电源的供能电流共约为0.3 A，即每一路12 V电压端需为传感器提供约1.8 W的功率，共3.6 W的功率；为嵌入式系统提供直流5 V电压的供能电流约为0.5 A，功率为2.5 W。总共需要取能电源提供三路电压，即5 V电压和2组12 V电压，电源需要为该系统提供总共约6.1 W的功率。

2）为了保障电子电路的稳定工作，要求电源带负载能力比较大，输出纹波系数、电压调整率、稳压系数都要小；同时要求电源模块化、集成化、重量轻、体积小，适合在高压侧安装。

3）取能电源是从导线获取能量，其工作受导线电流的影响。当电流过小时，可能使电源无法产生正常输出，即存在死区；电流过大甚至出现冲击电流时，则可能感应较大的能量威胁电子元件的安全。输电线路高峰低谷期的载流量有很大差别，在母线电流大范围变动时能稳定、持续地工作。

2 取能线圈设计

2.1 理论分析

取能线圈工作原理类似一次侧只有1匝绕组的变压器，但是其一次侧由交流电流控制[2]，其空载等效模型如图1所示。由电机学理论[3]知，二次侧电压有效值为

图1 取能线圈的空载等效模型

式中，E2为二次侧感应电动势有效值；f为工频；N2为二次侧匝数；Φm为磁通量幅值，且

式中，Bm为磁感应强度幅值；S为铁芯截面积；λ为铁芯叠片系数。由安培环路定律

式中，Hm为磁场强度幅值；l为平均磁路长度；IE为励磁电流，空载情况下等于一次侧导线电流I1；N1为一次侧匝数，这里取1。磁感应强度幅值与磁场强度幅值的关系为

式中，μ0为真空磁导率；μr为相对磁导率。

由图2所示的磁性材料的磁化曲线可知，从1区起始区至4区趋近饱和区，磁感应强度B与磁场强度H近似成正比关系，比例系数为磁导率μ。但在5区饱和区域，当Hm增大时，Bm却随之而放缓甚至不增大。由式(1)、(2)知，若Bm不变，二次侧电压有效值E2也不变。又由于Hm的增大源自导线电流的增大，因此可以得出结论：在饱和区内线圈二次侧感应电压有效值不随导线电流增大而增大。试验结果和文献[4]表明，深度饱和时感应电压波形严重畸变，为尖顶脉冲波。虽然有效值基本不变，但峰值急剧增大，可达几百伏，给后端器件的耐压提出很高要求。长期工作在深度饱和状态会有高铁损，线圈温升过高，可能引起高频振动，甚至烧坏线圈。因此应防止铁芯工作长期工作于饱和和深度饱和状态。为解决这个问题，曾有采用反馈补偿控制式、斩波控制式、变比切换[5-6]等方式调节磁通大小，收到了一定效果，但是元器件数目多，电路结构也显复杂，对电源的长期可靠运行不利。

图2 磁性材料的磁化曲线

2.2 取能线圈结构及参数的计算

本文采取给铁芯开气隙的方式引入磁阻来减小磁导率。为使线圈不易饱和而选择饱和磁感应强度大的工频磁性材料。

将式(3)、(4)代入式(5)，得

整理得

铁芯选定情况下，式(7)近似号右边为常数。铁芯磁阻与气隙磁阻分别为

式中，Seq为有效截面积；δ为铁芯气隙长度。令铁芯中和气隙中的磁场强度分别为HFe和Hδ，带气隙的铁芯等效相对磁导率为μeq，则磁动势为

又根据磁路欧姆定律

将式(8)、(9)、(10)代入式(11)，可得

根据本文选定的磁芯参数，由式（12）可求得μeq≈339.5，此时的磁导率大大降低。将此值代入式(7)中的μr，即可求出满足条件的相应匝数N2。

由于在不饱和情况下，取能线圈的最大励磁电流由铁芯自身决定[7]。则可计算出取能线圈的最大励磁电流

铁芯磁阻Rm=RmFe+Rmδ

上式中Φs为饱和磁通量，代入线圈的实际值，可得出此设置条件下取能线圈的最大励磁电流为1153.2 A，有效值为815.6 A。计算结果表明，采用这种结构的取能线圈，可在导线电流800 A之内都不会饱和。线性工作范围大，这就避免了采用复杂的磁通控制电路，使后端设计大大简化；在确定匝数和气隙大小后，通过适当的机械设计，将取能线圈制成卡装式结构，给线圈的安装和拆卸带来便利。

取能线圈套装在输电线上，干扰比较严重，为此可优化绕线方式[8]：

1）使匝数密度和截面积保持均匀，可消除或有效地减小干扰磁场平行分量和导线与线圈相对位置变动的影响；

2）在骨架中心绕制一圈与线圈走向相反的回线，可消除或有效地减小干扰磁场垂直分量的影响。

2.3 仿真分析

在Saber软件中按照图1所示的空载模型，选取变压器的模型，并按照实际选取的铁芯及绕组设定相关的参数[9]。分别给线圈一次侧注入100 A、400 A、800 A电流。

线圈在800 A的电流以下均是完整的正弦波，表明未进入饱和区间，与理论推导吻合，验证了设计的正确性。以上是对空载情况的分析。负载条件下，由于负载有电流流过，励磁电流不再等于一次侧电流，而是有所减小，因此Bm与U2相比于空载时有所降低。

3 取能电源电路设计

3.1 总体结构

取能电源的总体结构如图3所示，在导线电流变化范围内，取能线圈的二次侧通过整流滤波将其转换为2路+12 V和+5 V输出。

图3 取能电源原理框图

3.2 过压及冲击保护

由于取能线圈随导线电流I1增大而U2增大，当线路电流超过常规工作区间上限时，前端降压芯片的输入电压Vin可能超过允许值，必须予以防止。如图4，采用固态继电器（SSR）作为过压保护的核心器件，SSR线圈监测Vin，在电压过大时保护后端电路[10]。

经过调试后，将过压保护单元接入取能电源中，进行保护性能的测试，符合设计要求。输电线路上偶尔还会伴随短路电流[11]和冲击电流。特别是雷电冲击电流由于作用时间短，电力系统的继电保护装置和取能电源的过压保护单元都来不及动作，会侵入取能电源的电路，对电源的安全造成威胁。冲击对电源的影响反映在电气和力学两方面。一方面，冲击电流使取能线圈的输出感应瞬态高电压；另一方面，冲击电流产生巨大电动力毁坏线圈。

根据相关文献的结论[12]，减弱电动力对取能线圈的影响应采取的措施有：在铁芯与绕组间填充柔软的缓冲层，将铁芯的棱角改为弧形，增大绕组的半径，以及给取能线圈安装保护外壳抑制安培力拉伸作用。由于冲击电流幅值高，变化快，所以采用双极性瞬变电压抑止二极管 （TVS）作为冲击保护器件，从而有效地保护电子元器件[13]。

4 高压侧直接取能电源测试

4.1 取能线圈空载的测试

用生流器发出的电流模拟电缆终端出线的负荷电流，对取能线圈进行开路试验，将连续可调的工频大电流穿过取能线圈，测试磁芯的饱和电流强度。在一定气隙下，当电流达到700 A时，线圈输出电压峰峰值为135 V，此时波形没有畸变，与仿真输出电压峰峰值一致。

测量开气隙后线圈的磁化曲线。用钳表测量一次侧电流I1，示波器测量线圈输出电压有效值U2，并分别根据式(1)、式(2)与式(3)计算各离散点的B、H值，由此可得到取能线圈铁芯的磁化曲线与图2所示的理论曲线形状上基本一致但是线性工作范围大大提高。为铁芯引入气隙磁阻后，在同样的磁感应强度B下，磁场强度H比普通铁芯的高得多，磁导率大为降低，从而可使取能线圈在不饱和的情况下容纳更宽范围的线路电流。该测试结果也验证了本文方案的正确性。

4.2 电源带负载输出性能测试

在电源输出端连接不同的电阻等效于监测系统负载，测试电源实际性能。5 V输出的档位连接10 Ω负载的测试结果如图5。测试表明，电源在导线电流93.9 ～380 A时即可输出2.5 W功率，纹波小，符合局部放电方向传感器系统对电源的要求。当母导体电流超过380 A时，磁芯感应的电压幅值达到76 V，达到过电压保护单元设置的阈值，继电器动作，磁芯与后续电路隔离，电子电路得到保护。当线路电流降低，磁芯感应电压回落到70 V左右，继电器触点恢复，电源继续工作。此外，可以根据输电线路不同运行工况调整气隙，使得磁芯工作在合理的线性区域，稳定输出2.5 W的功率。

图5 5 V档电源输出性能测试曲线

每一路12 V的输出档位带上79.9 Ω的负载的测试结果如图6所示。测试结果表明，在母导体电流200 ～990 A情况下，一路12 V档电源能提供1.863 W功率。二路即可提供大于3.6 W的功率，符合设计要求。当线路电流达到1000 A时，如前一节所述，继电器动作保护，电源停止工作（曲线表现为电源功率急剧下降）。同样，我们可以通过调整气隙适应不同的线路运行工况，获得稳定的输出。

5 结论

本文通过对XLPE电缆终端局部放电在线监测系统需要的高压侧取能电源进行了研究与设计，得出以下主要结论：

1）提出了一种新的取能线圈设计原理，克服了现有的在高压侧供能的方法的缺陷，为取能线圈引入气隙磁阻，通过取能线圈的结构、铁芯材料、绕组匝数、气隙长度等参数的合理匹配，根据导线电流变化区间，合理设计电源的后续电子电路，可以满足不同电压等级的不同直径大小输电线路的在线监测系统对电源的不同要求。

2）设计的电源的输出电压可调，基本满足现有的集成电子模块的电压等级要求。探讨了冲击电流对取能线圈产生的电动力的影响，提出在机械设计和前端过电压冲击保护两方面采取合理的措施以提高电源可靠性，保护监测装置的电子系统。

3）电源能在导线电流大的正常变化范围内工作于非饱和、低热耗状态，并提供稳定的输出，功率达到6.2 W，纹波系数小。因为电源提供功率较大，可以基本满足不同的监测系统的需要，给各种在线监测系统的设计带来方便。

综上所述，按照本设计方案，针对不同的在线监测系统对电源的需要，先确定线圈的大小、材料；按照需要的功率，输出电压，电流，结构等要求先仿真得到系统的具体参数，然后研制并测试。

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