高压输电线路监测设备感应电源设计

李武云，江 虹，何小利

(西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621000)

0 引言

目前，对于应用在输电线路高压侧或是高铁接触网的有源电子设备[1-3]，如电子式电流互感器、高压线接头温度监测系统、高压线积雪监测装置等，其能量供给是国内外许多科研单位的研究重点。由于工作电压范围为10～110 kV,工作电流为数十安至数千安，许多智能化电子设备由于供电问题而无法安装应用。常用的供电方式有太阳能电池供电和激光供能。太阳能电池供能容易受到周边环境和天气的影响，难以持续提供电能；其体积一般较大，安装受限。激光供能[4]是采用激光，通过光纤将能量从地面低电位侧传到高电位侧，再由光电装换器将光能量转换为电能量。该方式供能稳定，但是目前国内光电技术尚不成熟，成本较高。

从电力线本身取电是解决在线监控供电设备的一个重要思路[5-7]，并且有着广阔的应用前景。高压侧一次母线电流变化范围较大，电流最低时只有几安，而有时瞬时故障电流则会达几百安甚至上千安，情况较为复杂。因此，在电源设计需要解决如下问题。

①母线在电流变化范围很大时，仍然能保证电源的供应。

②母线在远超额定电流的大电流或者雷电冲击电流情况下，能保证电源电路正常工作不受损。

③能够持续供电，保证监测设备的长期运行供电要求。

本文设计了一个感应取电方案，可以解决以上问题。

1 感应取能基本原理

感应取电利用电磁感应原理，依靠电流互感器从高压母线上感应出交流电压，经过冲击保护、能量泄放、整流、滤波、直流-直流(direct current-direct current,DC-DC)变化等电路，即可从高压母线上得到监测设备所需的低压直流电源。取能电源工作原理框图如图1所示。

图1 取能电源工作原理框图

根据电磁理论相关知识[8]及互感器原理可知，互感器的二次侧感应电动势有效值为：

(1)

式中：f为线圈激励电流的频率；N2为特制线圈的绕制匝数；Bm为铁芯饱和磁感应强度；S为铁芯的有效截面积。

在母线电流较大的情况下，铁芯容易进入磁饱和状态。当铁芯磁饱和时，二次侧电压十分不稳定，深度饱和时感应电压波形会发生畸变，变成尖峰脉冲，峰值可达数百伏，可能造成后端芯片的烧毁。同时，长时间工作在深度饱和状态下也会导致线圈温度升高，致使线圈烧毁。

根据磁路欧姆定律：

(2)

式中：φ为铁芯中的主磁通；N为母线匝数，此处取1；I为流过母线的电流；R为铁芯的磁阻。

从式(2)可以看出，在相同的磁势下，磁阻越大，通过铁芯的磁通就越小。所以，增大磁阻可以减小穿过铁芯的磁通，以免铁芯在较大的母线电流下产生过早饱和。

(3)

式中：L0为空气气隙的长度;μ0为空气器的磁导率。

由于空气的磁导率相对于铁芯的磁导率μ非常小，所以空气气隙产生的磁阻非常大。根据铁芯磁化曲线可知，磁阻增大，降低了通过铁芯的磁通，延缓了铁芯的饱和。所以，在铁芯开口处留有长度为0.5 mm的空气气隙。

2 电源电路设计

2.1 电压保护与能量泄放

为了防止瞬时故障大电流或者雷电冲击电流等异常情况烧坏电源电路，在整流桥前和DC-DC模块前分别并联了一个瞬态抑制二极管(transient voltage suppressors,TVS)。TVS可以有效吸收由于铁芯饱和而产生的高压尖脉冲以及由于线路浪涌感应输出的冲击电压，从而保护后级电路。在实际设计中，采用的TVS管型号为1.5KE51CA，在尖峰脉冲电压情况下，可以将脉冲电压控制在51 V左右。

整流滤波后的电压会随着母线电流的升高而升高，感应电压也较高。因此，需限制过电压保护DC-DC模块。电压保护与能量泄放电路如图2所示。

图2 电压保护与能量泄放电路

图2中：D1为稳压二极管；Q1为大功率三极管。当U≥20 V时，稳压二极管D1被击穿，大功率三极管Q1进入工作状态，泄放多余能量。当电压U<20 V时，稳压二极管D1不会被击穿，大功率三极管Q1不工作，则不会影响小电流情况下的电源正常工作。

2.2 超宽电压DC-DC转换

由于母线电流变化范围较大，取能线圈感应出的交流电压经过整流、滤波处理后，将得到一个较宽范围的直流电压。因此，选用的DC-DC转换器应当在较大的输入电压范围内进行电压转换。为此，选用了型号为PI-05V-B4、具有微功耗和宽输入的DC-DC模块。该模块可以将13～380 V直流输入电压转换为5 V的直流电压输出，最大输出电流为200 mA。

2.3 锂电池充电

本文采用LP28056SPF作为锂电池充电管理芯片。该芯片具有完整的恒压恒流线性充电功能，适用于单节锂电池充电。LP28056SPF充电过程分为预充、恒流充电和恒压充电三个阶段。在电池充满电后，芯片将自动停止对锂电池充电，以防止锂电池过充。该方案可有效延长锂电池的使用寿命。

3 试验结果及分析

3.1 试验平台搭建

在试验室，搭建如图3所示的试验平台。

图3 试验平台示意图

如图3所示，在大电流发生器电源接入为220 V/50 Hz交流电，其输出端可以通过调节旋钮输出0～1 000 A的电流、电压值恒定为5 V的交流电源，可以作为模拟高压线产生的较大范围的交流电。用电流互感器穿过电流发生器的输出端，互感器的二次侧输出线连接取电电路板，整个试验平台搭建完成。

在试验中，逐渐增大一次电流，在经过整流电路、滤波电路后，测得直流电压与输入电流的关系曲线如图4所示。

图4 直流电压-输入电流关系曲线

当母线电流为10 A时，输出直流电压便可达45.5 V，启动电流较小。直流电压将作为DC-DC稳压模块的输入电压。由于DC-DC模块的输入电压范围很广，在该电压范围内，DC-DC模块都能稳定输出5 V直流电压。当母线电流大于300 A时，互感器实际感应电压较高，TVS将电压钳制在50 V左右。故在电流持续上升的情况下，电压增大趋势不大，对整流电路、DC-DC模块电路起到了保护作用。

3.2 取能输出功率测试

本文设计的电源主要用于为安装在输电线或者接触线上的监测设备供电。监测设备主要包含单片机控制单元、传感器单元、通信单元电路等[9-11]，一般功耗较低。在试验室测试中，用大电流发生器模拟输电线带电情况，以电阻作为负载测试取电电路直流电源输出功率。试验中，设置一次母线电流为600 A，测量不同负载的情况下电源的输出功率。试验结果表明，接入50 Ω负载时，功率达到了480.2 mW，可以满足监测设备的供电需求。

3.3 锂电池充电试验

用大电流发生器模拟高压线路电流，在不同的电流大小情况下，取电装置对锂电池的充电试验数据如表1所示。测试试验数据表明，随着母线电流的增大，取电装置对锂电池的充电电流也逐渐增大。

表1 锂电池充电试验数据

4 结束语

本文研究了高压监测装置的电源问题，在母线电流为0～1 000 A的工作电流范围内进行试验。试验结果表明，DC-DC端均可得到稳定的+5 V直流电压，且纹波低于25 mV，电源功率可以满足高压输电线路上监测设备的用电功率。该方案针对高压环境，实现了其他电源难以做到的长时间持续稳定供能，确保了电能的在线供给，是高压线路监测设备较为理想的电源。研究结果表明，电流互感器取能在高压输电线上的应用是一个低成本、实用、可行的方案，解决了高压侧端监测设备电源供给这个关键问题，在高压和强电流的监测设备中具有广阔的应用前景。