GIS局放在线报警系统自供电电源的研究

2016-03-11叶衍林许松枝

电源技术 2016年4期

关键词：低功耗电能线圈

叶衍林，汪沨，申晨，许松枝

(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.柘溪水力发电厂，湖南益阳413000)

GIS局放在线报警系统自供电电源的研究

叶衍林1，2，汪沨1，申晨1，许松枝1

(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.柘溪水力发电厂，湖南益阳413000)

为能够为SF6气体绝缘组合电器设备(GIS)局放在线报警系统提供电能，设计了一种基于电磁感应原理的无线取能系统。利用取能线圈从GIS盘式绝缘子外侧感应工频磁场，线圈两端的感应电势经整流电路后，应用具有电池管理功能的超低功耗升压充电器，将感应电能收集与管理，通过升压稳压电路为系统提供电能。通过理论分析和软件仿真，验证了该取能方案的可行性，满足系统的需求，有效解决了取能线圈输出电能低而无法满足系统工作的问题。结果表明，该取能电源能够周期性地为在线报警系统提供可靠的电能。

局部放电；感应取能；电源管理；自供电电源；在线报警

随着智能电网的建设推进，SF6气体绝缘组合电器设备(GIS)安装了各种在线电子检测设备，如对湿度、温度、局部放电信号等参数的检测。而且，各种检测设备正逐渐朝着高精度、自动预警、无人值守、远程监控等方向发展[1-3]。而高压侧电子设备的供电电源设计主要采用传统的供能方式[2]，如电池供能、太阳能供能和激光供能等，由于存在使用寿命短、维护困难、价格较贵等问题[4]，这些供能方式不能广泛地应用于高压在线电子检测设备。

文献[5]介绍了根据电磁感应原理为输电线路高压侧电子设备设计的取能装置，其方法已较为成熟。本文利用电磁感应原理，通过感应线圈从高压侧获取电能的方式为GIS设备局部放电在线报警系统设计了一种感应取电电源，使用该电源的超高频传感器(UHF)模块、数据处理模块和通信模块不需要依靠市电电源供电，完全实现了该系统的独立工作，大大提升了在线报警系统的可靠性。本文设计的取能线圈为空心线圈，线圈紧贴非磁性骨架绕制，能够降低损耗和避免线圈饱和[6]；应用TI公司生产的一款具有电池管理功能的超低功耗升压转换/充电器获取和管理取能线圈感应到的微瓦至毫瓦级的电能，并将电能存储于储能元件中。当存储元件积累到足够的电能，同时超高频传感器检测到局部放电信号，经数据处理模块处理，由通信模块发出报警信息，并由远程设备接收，实现报警系统正常工作。对于高压GIS，从局放发生到绝缘击穿需要一个过程。因此，不需要实时的在线报警，系统所需的电能可以得到及时的补充，实现周期、可靠的在线报警功能。

1 局放在线报警系统概述

GIS局部放电在线报警系统如图1所示，该无线报警系统主要由传感模块、电源模块、数据处理模块、通信模块和报警器构成[7]。UHF传感器模块安装在GIS盘式绝缘子浇注口处，对绝缘子侧泄漏出的超高频电磁波(300～3 000 MHz)进行检测[8]，由数据处理模块处理，最后通过通信模块发出报警信息，实现无线报警功能。

图1 GIS局放在线报警系统

由于感应取电线圈的输出功率较小，不足以直接驱动报警系统的正常工作。因此，本系统采用一款新集成的智能能源收集电源管理方案，有效获取和管理取能线圈端的微瓦或毫瓦级电能，并将电能存储于储能元件可充电电池中，经升压稳压电路后为系统供能。

为提高系统的集成度，系统中的UHF传感器、数据处理模块和通信模块采用相同的低功耗单片机控制，并将取能电源中整流器、超低功耗升压充电器和升压稳压器等电路集成于同一块PCB上。同时，系统对无线报警的要求为定时报警，不需要连续长时间工作，其功耗较小。

2 感应取能理论分析

利用电磁仿真软件Ansoft Maxwell建立220 kV GIS模型，其罐体外壳直径为354mm，壁厚10mm，母线导体半径45mm。盘式绝缘子材料为环氧树脂，由长为5cm、宽为2cm的浇注孔浇注而成；SF6气体相对介电常数为1.002；铝外壳相对磁导率为1.000 000 65，电导率为2.618×105S/m。母导线施加的电流额定值为3 150 A，频率为50 Hz。图2为GIS盘式绝缘子外侧周围的磁感应强度；图3为垂直于感应取能线圈横截面的路径上的磁感应强度。

图2 盘式绝缘子外侧周围磁感应强度

图3 路径上的磁感应强度

取能线圈两端产生的交流电压经整流电路后可满足超低功耗升压充电器的冷启动电压(330 mV)。同时，由式(2)可知，通过增加线圈匝数和截面积可提高取能线圈两端的输出电压。

3 电源管理方案

3.1 电池充电管理

由于取能线圈电磁能转化为电能时输出较低，无法直接驱动局放在线报警系统工作。因此，选用具有电池管理功能的用于能量采集应用的超低功率升压充电器BQ25504，可有效获取和管理微瓦和毫瓦级的电能，电能来自感应取能线圈。在BQ25504硬件电路原有功能的基础上，采用LM2700升压转换器，将储能元件的输出电压转换为系统所需的额定工作电压。

图4 临界阈值电压及其相对幅值

图5为一定输入功率下储能电容电压与电池良好电压节点的关系图。确定电池良好电压信号的振荡频率就可以得出电池充电信号的接通、断开时间。

图5 储能电容电压与电池良好电压节点的关系图

在电源管理的设计方案中，主要考虑的是对负载、滞后电压和储能元件容量的选择，电容最小值为4.7 μF，滞后电压由充电电路中可控电阻确定。电池良好阈值电压上、下限分别由式(9)～式(10)求得：

由此可知，通过选择不同的电阻值，可以设置电池良好阈值电压的上、下限，防止储能元件(可充电电池)过度放电或充电而造成的损坏。

3.2 电池升压管理

采用的充电电池在工作过程中，其电压从3.7 V开始，并逐渐下降。而系统中的UHF传感器和通信模块的额定工作电压为5 V，因此还需要设计一个升压稳压电路，将电池的输出电压稳定在5 V。电池输出升压电路采用TI公司的LM2700芯片，将输出电压设置为5 V，电池输出截止电压设置为2.7 V。当电池内的电压低至2.7 V时，停止为在线报警系统供电。LM2700芯片采用PWM控制策略在连接负载的条件下调节输出电压，并且有专门的保护电路(例如热关闭电路、欠电压和过电压保护电路)保证集成电路的正常运行。其工作原理图如图6所示。

图6 升压稳压电路

4 电源功能验证

4.1 取能线圈输出功率

由表1可知，在载流导体电流为1 000～3 150 A时，本文设计的取能线圈端的输出电压值满足超低功耗充电器的输入电压值。取能线圈输出功率随负载的变化而变化，输出功率最大值为 40.5 mW，达到充电器的正常充电功率范围 10 μW～300 mW。

表1 Ia、Bmax与Emax的值

4.2 充电效率与升压转换效率

图7 一定时，、与η的关系

图7为输入电压0.5 V时，不同输入电流下的充电效率，超低功耗充电器的输入电流在0.01～100 mA之间时，充电效率最大可达到80%以上；而处于冷启动电压状态下，充电效率最大也能达到60%。

图8为输入电流10 mA时，不同输入电压下的充电效率。由图7～图8可知，在充电电器输入电压(电流)允许的范围之内具有较高的充电效率，达到超低功耗的工作要求。

图8 一定时，、与η的关系

采用的主储能元件为3.7 V的可充电锂离子电池，而在线报警系统的正常工作电压为5 V。因此，要满足系统的工作要求，需通过LM2700升压转换器将电池的输出电压稳定在系统的工作电压范围。同时，电池的过度放电有可能造成电池的永久性损伤。因此，升压电路还需要负责对锂电池的放电过程进行保护。当锂电池的工作电压减小到一定值之后，升压电路即关断其输出，防止电池过放。由测试可知，当系统负载工作电流为200 mA时，升压转换电路的效率接近于90%，电池电压降到2.7 V时仍保持较高的转换效率。因此，该电源可满足在线报警系统的工作需求。

4.3 电源负载特性

采用的GIS局放在线报警系统为上电即启动模式，实现了对系统供电时刻即开始对局部放电信号传感、对传感器数据处理和发射报警信号，最后报警系统进入休眠状态[9]。从局放信号的传感到报警信息的发出整个过程耗时约700 ms，通信模块启动功率上升时间最大为10 ms，发射数据用时5 ms。报警系统的工作电压为5 V，未发射数据时的工作电流为6 mA，则此时电源提供的功率为30 mW；发射报警信息时的工作电流为200 mA，则电源所提供的功率为1 W，那么发送一次报警信息系统所消耗的电能为25.85 mJ。

电源管理电路中储能元件采用单节3.7 V的可充电锂离子电池，容量为530 mAh，电池经升压转换电路后，可大约为报警系统提供连续工作20.5 h所需的电能。同时，采用的在线报警系统设计时考虑到不需要连续工作，由单片机编程控制，每隔2 h连续工作3 min。因此，储能元件内的电能可以得到及时补充，为GIS局放在线报警系统提供可靠电能。

5 结论

本文根据电磁感应原理，在GIS盘式绝缘子外侧放置感应取能线圈，经整流电路并结合具有电源管理功能超低功耗升压充电器，将取能线圈感应到的微瓦至毫瓦级的电能储存于可充电锂离子电池中，电池充电效率高，经升压转换电路后输出5 V稳定的电源，为GIS局放在线报警系统提供可靠电能，具有较高实用价值。

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Research on self-power supply for GIS partial discharge online alarm system

In order to provide energy for GIS partial discharge online alarm system， a wireless draw-out power system was designed based on electromagnetic induction principle. Using draw-out power coil to induct power frequency magnetic field from the lateral disc insulator of GIS， and ultra-low power booster charger with battery management functions was applied to collect and manage induction power through the rectifier circuit， providing power to the system by the boost regulator circuit. Through theoretical analysis and software simulation， the feasibility of this solution was verified，effectively solving the problem of lower power from draw-out power coil which is unable to meet the system.The results show that this draw-out power supply can periodically provide sufficient energy for online alarm system.

partial discharge;induction power;power management;self-power supply;online alarm

TM 91

1002-087 X(2016)04-0869-04